加压过滤法分离Pb-Sb合金_梅杨.pdf

第 23 卷第 2 期2023年 2月过 程 工 程 学 报The Chinese Journal of Process EngineeringVol.23 No.2Feb.2023Separation of lead and antimony in lead-antimony alloy by gas pressure filtrationYang MEI,Lei GUO*,Zhancheng GUO*State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,ChinaAbstract:Lead and antimony metals are important basic raw materials and strategic materials for the development of the national defense industry,biomedicine,battery research and development,semiconductor production and other fields.At present,the Pb-Sb alloy separation process in domestic and foreign smelters has complex operation,large pollution,high energy consumption,long production process and low recovery rate.The effective development and utilization of lead and antimony resources not only has practical significance,but also has important strategic significance for promoting national economic development and scientific progress.This work introduced the gas pressurization technology,and by virtue of its technical characteristics of enhanced filtration and separation,put forward a new method of efficient and environmentally friendly separation and extraction of Pb-Sb resources.In this work,the theoretical purity and recovery rate after separation were calculated according to the phase diagram of Pb-Sb alloy using the lever principle,and the effects of different filtration temperatures,filtration pressures,filtration times,screen and melt composition on the separation results were discussed,and the separation mechanism of pressurized filtration separation was clarified.The results of SEM-EDS,metallographic microscope and XRF showed that lead migrated to the lower crucible along the pressure direction,and almost all antimony remained in the upper crucible.With the decrease of filtration temperature,the size of precipitation crystal increased,the viscosity of molten liquid phase increased,and the resistance of filter cake to liquid phase increased.The best separation conditions were obtained through experiments,under the conditions of filtration temperature T=553 K,screen N=100,filtration pressure p=0.2 MPa,and four filtration times,the upper enriched Sb phase with a content of more than 90wt%,and the lower enriched Pb phase with a content of 85wt%were successfully obtained,which was close to the theoretical value calculated from the Pb-Sb phase diagram.Key words:Pb-Sb alloy;gas pressure filtration;Pb-Sb separation;solid-liquid separationPb-Sb alloysGas pressureAntimony phaseLead melt研究论文DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.221441收稿：2021-12-26，修回：2022-04-18，网络发表：2022-04-28；Received:2021-12-26,Revised:2022-04-18,Published online:2022-04-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号:51804030)作者简介：梅杨，硕士，冶金工程专业，；通讯联系人，郭磊，副教授，研究方向为冶金资源高效利用，E-mail:；郭占成，教授，研究方向为冶金资源高效利用，E-mail:引用格式引用格式：梅杨,郭磊,郭占成.加压过滤法分离Pb-Sb合金.过程工程学报,2023,23(2):254262.Mei M,Guo L,Guo Z C.Separation of lead and antimony in lead-antimony alloy by gas pressure filtration(in Chinese).Chin.J.Process Eng.,2023,23(2):254262,DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.221441.第 2 期梅杨等：加压过滤法分离Pb-Sb合金加压过滤法分离Pb-Sb合金梅 杨，郭 磊*，郭占成*北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083摘要：目前国内外冶炼厂对Pb-Sb合金的分离工艺普遍存在操作繁杂、高污染、高能耗、生产流程长、回收率低等问题，对Pb-Sb合金进行资源化回收已经成为有色冶金行业的迫切需求。本工作介绍了气体加压技术，由于不同相之间的界面张力很小，加压过滤技术对于固液相的分离发挥了重要作用。根据Pb-Sb相图利用杠杆原理计算其理论分离效率，讨论了不同分离条件对分离结果的影响。通过SEM-EDS、金相显微镜和XRF等检测方法，证明Pb沿加压方向迁移到下部坩埚，几乎所有的Sb保留在坩埚上部。结果表明，随着过滤温度降低，析出晶体的尺寸增加，熔融液相的黏度也随之增加，滤饼对液相的阻力也增大，得到最优分离条件：过滤温度T=553 K，筛网目数N=100目，过滤压力p=0.2 MPa，过滤次数为4次的条件下，成功得到含量超过90wt%的上部富Sb相和含量为85wt%的下部富Pb相，接近于由Pb-Sb相图计算所得的理论值。关键词：Pb-Sb合金；加压过滤；铅锑分离；固液分离中图分类号：TF81 文献标识码：A 文章编号：1009-606X(2023)020254091 前 言 随着国防工业、国民经济和科学技术的不断发展，有色金属成为重要的战略物资。脆硫铅锑矿(Pb4FeSb6S14)是一种复杂的多金属硫化物矿，作为我国最重要的铅锑矿资源，在冶炼金属 Pb 和 Sb 的过程中会产生大量的Pb-Sb合金1。由于Pb-Sb合金属于负偏差体系，负偏差程度随着温度的降低而增加，并且金属Pb和Sb在冶金过程中的行为相似，物理化学性质相近2-5，因此，Pb和Sb的分离十分困难。目前主要使用反射炉吹炼法分离Pb-Sb合金6-10，由于其会产生大量的炉渣和废气，对环境污染明显。因此，一些研究人员提出了其他分离工艺，如Fu等11和Dong等12采用真空动态氧化法，从Pb-Sb合金中分离出了Sb金属；Liu等13采用分离结晶法分离Pb-Sb合金，得到了Pb含量接近Pb-Sb合金共晶点成分的粗Pb。王成彦等14采用矿浆电解法处理复杂的铅锑精矿，将Pb与Sb进一步分离，同时在阴极直接析出金属Sb，Sb的回收率在98%以上，矿浆电解过程中残留的Pb用碳酸铵从氯化物转化为碳酸盐，Pb的回收率超过95%。但是Pb-Sb合金中Pb的含量只有55%70%，这不仅会降低电解精炼的电流效率，还会对Pb的质量和产量产生负面影响；Wen等15,16采用超重力法分离Pb-Sb合金，增强了分子扩散和相际分离过程，提高了分离效率，过滤后Pb和Sb的纯度分别超过85%和91%。但该方法存在设备价格昂贵、工艺不连续等问题，影响其在生产中的应用。因此，有必要研究从Pb-Sb合金中分离Pb和Sb金属的新方法。加压过滤作为最常见的液固分离方法，被广泛应用于常温下工业生产的各个领域。在高温冶金领域中许多体系和工艺需要实现液-固分离，其中大多数依赖于冷却后利用不同物相的特性进行分离；如果采用加压过滤在液-固混合熔体中直接实现熔融液相与固相的分离，将会极大地简化分离过程。例如，Mizumoto等17,18利用加压过滤方式，将含有SiC颗粒的金属基复合材料分离为金属基体和SiC颗粒富集部分，Meng等19,20通过加压过滤分离了电子废弃物中的有价金属，并研究了压力和温度等因素对分离效果的影响；Li等21-23通过采用气压过滤分离铝硅合金熔体中的Si颗粒。为了有效地从Pb-Sb合金中分离Pb和Sb金属，本研究采用加压过滤技术绿色高效地分离Pb-Sb合金。根据Pb-Sb平衡相图24，当过共晶Pb-Sb合金连续冷却至524 K(251)的共晶温度时，固溶体连续结晶并以-Sb的形式从熔体中析出。本工作尝试将加压过滤推广应用在高温冶金领域液-固混合熔体的分离过程，以气压作为过滤驱动力，采用不锈钢筛网作为过滤介质，研究了筛网目数(N)、过滤温度(T)、熔体成分x(a)和过滤压力(p)的影响。2 实 验 2.1 实验材料与制备本试验中选取纯Pb(99.99wt%)和纯Sb(99.99wt%)为原料制备Pb-Sb合金，Sb的含量在30wt%45wt%之255过 程 工 程 学 报第 23 卷 间，置于内径28 mm的石墨坩埚中，在氩气保护下，于真空感应炉中升温至973 K，保温30 min后冷却至室温。每个样品体积(直径28 mm、高47 mm)相同，质量(100 g)固定。2.2 实验设备与方法本实验选用真空压滤炉分离Pb-Sb合金，如图1所示。过滤装置主要由感应加热炉和加压系统组成。通过电