影响铬焙砂浸出的因素及浸出过程动力学分析.pdf

第5 9 卷第3 期 20 07 年8 月 有色金属 N o n f e f r 0 1 ．1 5M e t a l a V 0 1 ．5 9 。N o ．3 A u g u s t2007 影Ⅱ向铬焙砂浸出的因素及浸出过程动力学分析 朱华山1 ，谢刚1 ，张浩东1 ，李荣兴1 ，阎江峰2 ，杨大锦2 1 ．昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明 6 5 0 0 9 3 ； 2 ．云南冶金集团技术中心，昆明6 5 0 0 9 2 擒要研究焙砂粒度、浸出温度、浸出时间和浸出液固比对铬精矿焙砂中铬酸钠浸出过程的影响。结果表明．在试验的漫 出条件下．铬焙砂粒度对铬浸出率的影响不显著．铬浸出率随浸出温度升高、液固比增大和浸出时间延长而增加。合适的浸出温 度为8 0 - - 1 0 0 ℃。液固比为3 ．5 - 4 ．O ，浸出时间为1 2 0 ～1 5 0 r a i n 。反应速度为浸出过程控制步骤，浸出反应的动力学过程符合线性 动力学规律。 关键词冶金技术；铬培砂；浸出；动力学 中图分类号T F l l l ．3 1 T F S 0 3 ．2 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 3 0 0 5 5 一0 3 金属铬及铬的化合物在化工，耐火材料和金属 材料等领域中有着广泛的用途，铬加入钢中可改变 钢的特性，提高钢的韧性、耐磨性、防腐性等。铬是 不锈钢、工具钢、滚珠钢等钢种中不可缺少的元 素【1 ] 。金属铬主要用于冶炼高温合金、电阻合金、 精密合金和其他非铁合金如铸铁合金、镍基合金、电 热合金、钴合金、铝合金、铜合金、钛合金等[ 2 ] 。 金属铬的提取方法有金属热还原法和电解 法【3 - 4 J 。金属热还原法将铬精矿配与白云石和苏 打在1 0 0 0 ℃下陪烧，用硫酸浸出得到铬酸钠溶液， 金属热还原法中的金属还原剂有铝粉、镁粉、硅粉 等，通常用铝粉作还原荆。电解法有铬酐电解法和 铬铵矾电解法，在铬酐电解法中，铬精矿经焙烧一浸 出一酸化，然后得到铬酐，铬酐在水溶液中进行电 解。由此可见无论用那种方法制备金属铬，都需要 将铬精矿焙烧后进行浸出[ 5 - 6 ] 。因此研究铬焙砂 浸出过程的影响因素及其在溶出过程的动力学行为 有重要的理论意义和实际意义。 I 1实验方法 在处理某铬精矿过程中，采用了新的工艺流 程[ 1 】。在该新工艺中铬精矿配以白云石和苏打经 焙烧得到铬焙砂，铬焙砂浸出试验主要是考察浸出 收稿日期2 0 0 5 1 1 一1 8 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 0 7 4 0 1 9 ；云南省自然科 学基金资助项目 2 0 0 2 8 0 0 0 6 Q 作者简介朱华山 1 9 6 4 一 ，男，湖南资兴县人，博士生。主要从事 冶金物理化学和有色提取冶金等方面的研究； 谢喇 1 9 6 1 一 ，男，重庆市人．教授，博士生导师。主要 从事有色金属提取冶金等方面的研究。 条件对铬焙砂中铬酸钠浸出率的影响。浸出过程 中，将苏打配入量为理论配入量的1 ．1 倍，白云石为 铬精矿的1 ．2 倍的原料。在1 1 0 0 ℃焙烧1 h 后得到 的焙砂作为浸出试样，试验所用试剂均为分析纯。 2影响铬焙砂浸出的主要因素 2 ．1 铬焙砂粒度对铬酸钠浸出率的影响 将焙烧所得的铬焙砂细磨至全部小于3 7 0 m ， 混均后分取5 个试样，均为2 0 0 9 ，然后对每一个样 进行细磨全部过相应的检验筛后作为其粒级的试验 样，浸出结果如图1 所示。 述 蔫 铡 羲 芝 璧 谢 鏊 豢 焙砂粒度／斗m 图1 焙砂粒度对铬浸出率的影响 F i g ．1 E f f e c to fp a r t i c l es i z eo fc a l c i n eo n l e a c l l i n ge f f i c i e n c yo fc h r o m i u m ， 从图1 可知，焙砂的粒度对物料中铬的浸出率 影响不大。在所采用的配料中，铬焙砂中含氧化铬 达1 8 ％～2 0 ％，即可溶性铬酸钠在焙砂中的含量达 3 5 ％～4 0 ％。这样，焙砂在浸出过程中溶解时，铬酸 钠被水溶解后，焙砂颗粒的残渣就具有较高的空隙 率，这些残渣不影响铬酸钠在水溶液中的溶解一扩 散过程，即焙砂残渣对铬酸钠在水溶液中的物理溶 解没有明显的阻碍，故可选择较粗粒度的焙砂 万方数据 5 6有色金属第5 9 卷 3 7 0 t 比m 作为浸出的焙砂。 2 ．2 浸出温度对铬酸钠浸出率的影响 将焙烧所得的铬焙砂全部细磨为 1 7 5 p m ，混 均后各取5 个1 5 0 9 的试样，在固定浸出时间 1 2 0 m i n 的条件下，考查温度对浸出效果的影响，结 ．果如图2 所示。 ’ 浸出温度，℃ 图2 浸出温度对焙砂铬浸出率的影响 F i g ．2 E f f e c to fl e a c h i n gt e m p e r a t u r eo n l e a c h i n ge f f i c i e n c yo fc h r o m i u m 从图2 可见，焙砂铬浸出率随浸出温度升高而 增加。一方面，浸出温度升高，铬酸钠在溶液中的溶 解度增大，另一方面，浸出温度升高，加快了浸出过 程中铬酸钠的溶解速度，同时，随着温度的升高减小 了溶液的黏度，从而促进铬酸钠从固相的焙砂表面 溶解扩散到溶液中。 如果焙砂进行湿磨，浸出过程所需的热量可以 由回转窑高温焙砂的显热所提供，不需要 或少量需 要 补充能源，既可充分利用焙砂的潜热，也可减少 焙砂进行干磨矿时产生的大量粉尘 其飞扬损失而 使铬的回收率降低 ，提高铬的回收率。因此，在焙 砂进行湿磨浸出时，合适的浸出温度应在8 0 ℃以 上，铬浸出率大于9 5 ％。 2 ．3 浸出液固比对铬酸钠浸出率的影响 将焙烧所得的铬焙砂全部细磨为 1 7 5 ／比m ，混 均后取4 个1 5 0 9 的试样，然后在固定浸出温度为 8 0 ℃，时间为1 2 0 m i n 的条件下，进行不同的液固比 的浸出试验，结果如图3 所示。随浸出时液固比的 增大，焙砂铬浸出率随之增大，但焙砂浸出的液固比 增大到3 ．0 以后，焙砂的铬浸出率增加不明显。在 浸出过程中，液固比大，可充分溶解焙砂中的铬酸钠 而增大铬的浸出率，但是，液固比增大后，浸出液中 的铬酸钠浓度降低而影响下一工序铬酸钠溶液的处 理。为了保证浸出液的铬酸钠浓度在2 0 0 ～3 0 0 g ／L ，焙砂浸出的液固比应在3 ．5 ～4 ．O 之间。 2 ．4 浸出时间对铬酸钠浸出率的影响 将焙烧所得的铬焙砂全部细磨为 1 7 5 ／x m ，混 均后取5 个1 3 0 9 试验，然后在固定浸出液固比为 2 ，浸出温度为8 0 ℃的条件下，进行浸出时间影响的 试验，结果如图4 所示。从图4 可见，铬浸出率随浸 出时间的延长而增加。浸出时间延长到一定的时间 后，铬浸出率不再明显增加。浸出时间长，设备利用 率低，浸出时间短，铬的浸出率低，浸出渣中的可溶 性铬酸钠会造成二次污染。为了保证较高的铬浸出 率，浸出时间应在1 2 0 ～1 5 0 m i n 。 9 0 述 哥 丑 萋骝 攀 1 ．5 2 ．5 3 ．54 - 漫出液固比 图3 浸出液固比对焙砂铬浸出率的影响 F i g ．3 E f f e c to fl e a c h i n gl i q u i dt Os o l i dr a t i o nO n l e a c h i n ge f f i c i e n c yo fc h r o m i u m 授出时间／r a i n 图4 烙砂浸出时间对铬浸出率的影响 F i g ．4 E f f e c to fl e a c h i n gt i m eO i l ．1 e a c h i n g e f f i c i e n c yo fc h r o m i u m 3浸出过程动力学分析 浸出试验结果表明，在浸出过程中焙砂粒度对 浸出过程影响不大，而浸出时间和温度对浸出过程 有较大的影响。据此可初步判断，在固一液浸出过 程中，反应物的扩散不是限制性环节，而反应速度为 控制步骤。 设焙烧后的焙砂为球形，则半径为r 的球面上 的浸出速度为式 1 所示，式中C 为溶液中反应物 浓度，五7 为反应速度常数，矗。为包括表面粗糙度的 反应面积修正系数，孢为未反应核中可浸出物摩尔 数，若用』D 表示初始试样中可浸出物的摩尔密度。则 可表示为式 1 。将式 2 代入式 1 中，得到式 3 。 d n ／d t 4 r r 2 C A n 志7 1 逐搬p锕捌躺 口￡琅钲挝丑鹈 述静丑燃啦}釜搬耀 0 5 0 5 ∞ 黯 船 町 ％，哥餐似l锝硷肇馨 万方数据 第3 期 朱华山等影响铬焙砂浸出的因素及浸出过程动力学分析5 7 行 4 7 r r 3 p ／3 2 d r ／d t 一C 是。五7 ／p 一五l C 尺l 3 五l 为线性速度常数，若C 为常数，则反应界面 以R 1 恒速运动，以X 表示反应分率，r o 为球形颗粒 的初始半径，则可以表示为式 4 和式 5 ，积分式 5 得到式 6 。 X 1 一 r ／r o 3 4 d X ／d t 3 r 2 ／r 0 3 d r ／d t 3 C k l 1 一 X 2 疗／r o 5 1 一 1 一X 1 疗 忌f ，五三C k l ／r o 6 将式 5 应用于焙砂矿浸出时，平均转化率为 式 7 ，式中职表示半径为r o i 的粒子质量分率。 X ∑峭，卜 1 一x 1 乃 C k l t ／r o f ‘ 7 图5 为在不同铬酸钠浓度下，焙砂的浸出率。由 图5 可见，过程符合线性动力学规律。但是，改变铬 酸钠浓度，相应直线的斜率也变化。表明式 6 中五 包含浓度单位，它不是反应速度常数，需要通过实验 确定。只有在溶液反应物浓度为恒值时，愚才是常 数。对于许多复杂的动力学体系，可以通过测定反 应物的消失或产物出现速度来监测反应进展情况。 这些速度的大小与化学反应计量系数有关，最好采 参考文献 用所谓的“比速度” 组分的消失或出现速度除以该 组分的化学反应计量系数 。 曼 它 丫 1 1 5 0 9 ／L ；2 2 0 0 9 ／L ；3 2 5 0 9 ／L ；4 3 0 0 9 ／L 图5 不同铬酸钠浓度下焙砂的浸出率 F i g ．5 L e a c h i n ge f f i c i e n c yo fc h r o m i u mi n d i f f e r e n c ec o n c e n t r a t i o no fN a 2 S 0 4 4结论 在试验的浸出条件下。铬焙砂粒度对铬浸出率 的影响不显著，铬浸出率随浸出温度升高、液固比增 大和浸出时间延长而增加，合适的浸出温度为8 0 ～ 1 0 0 ℃，液固比为3 ．5 4 ．0 ，浸出时间为1 2 0 ～ 1 5 0 m i n 。反应速度为浸出过程控制步骤，浸出反应 的动力学过程符合线性动力学规律。 【1 ] 朱华山．铬冶炼新工艺及其理论研究【D ] ．昆明昆明理工大学，2 0 0 4 8 1 1 ． [ 2 ] 莫叔迟．世界金属硅、金属锰及金属铬的生产与消耗[ J ] ．铁合金，1 9 9 2 ， 3 2 7 2 9 ．。 [ 3 ] 王铁汉．我国铬生产的新进展和今后努力方向[ J ] ．铁合金，1 9 9 6 ， 6 3 1 3 3 ． [ 4 ] 王铁汉．再论我国金属铬生产与采用新工艺[ J ] ．铁合金，2 0 0 0 ， 2 4 0 4 3 ． 【5 ] 王瑞林．铝热法冶炼9 9 ％金属铬[ J ] ．铁合金，1 9 8 5 ， 3 1 8 2 1 ． [ 6 ] 吴慎初．金属铬生产工艺和铬浸出渣治理探讨[ J ] ．铁合金，1 9 9 2 ， 6 3 5 3 7 ． I n f l u e n c i n gF a c t o r sa n dD y n a m i c sA n a l y s i so nC h r o m i u mC a l c i n eL e a c h i n g Z H UH u a s h a n l ，X I EG a n 9 1 ，Z H A N GH a o - g o n 9 1 ，L IR o n g - ．z i n 9 1 ，Y A NJ i a n g - f e n 9 2 ，Y A N GD a o i n g z 1 ．C o l l e g eo f M a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo f 鼢- t l t c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a ； 2 ．T h eC e n t e ro fT e c h n o l o g y ，Y u n n a nM e t a l l u r g yG r o u pL t d ．C o ．，K u n r a i n g6 5 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so ft h ec a l c i n es i z e 。l e a c h i n gt e m p e r a t u r e ，l e a c h i n gt i m ea n ds o l u t i o n s o l i dr a t i o nn ot h el e a c h i n g r a t eo ft h es o d i u mc h r o m a t ei nt h ec h r o m i u mc a l c i n ea r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h el e a c h i n gr a t eo f t h ec h r o m i u mi sh a r d l yi n f l u e n c e db yt h ec a l c i n ep a r t i c l es i z e ，b u ti si n c r e a s e dw i t ht h et e m p e r a t u r er a i s i n g ，t h e e l o n g a t i o no fl e a c h i n gt i m ea n dt h es o l u t i o n s o l i dr a t i o ni n c r e a s i n g ．T h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h el e a c h i n gp r o c e 8 8a r e8 0 - - 1 0 0 ℃，3 ．5 ～4 ．OL ／Sr a t i oa n d1 2 0 1 5 0 m i n ，r e s p e c t i v e l y ．T h er e a c t i o nr a t ei st h ek e ys t e po f t h el e a c h i n gp r o c e s s ，a n dt h ed y n a m i c sf e a t u r ei sc o n s o n a n tw i t ht h el i n e a re q u a t i o n ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；c h r o m i u mc a l c i n e ；l e a c h i n g ；d y n a m i c s 万方数据