ПЕРЕРАБОТКА CПЛАВА Sb–Pb–Ag МЕТОДОМ ДИСТИЛЛЯЦИИ

Актуальность работы обусловлена необходимостью создания экологически безопасной, высокопроизводительной и экономичной комплексной технологии вакуумной дистилляции по переработке свинецсодержащих промпродуктов и отходов, в частности сплава, полученного при восстановлении силикатного шлака от плавки медеэлектролитного шлама (SPA) с целью получения товарных моноэлементных концентратов сурьмы, свинца и серебра. Выполнены лабораторные исследования по переработке сплава SPA и расчеты равновесных фазовых диаграмм (VLE – vapor liquid equilibrium) «температура–состав» (Т–х) для анализа поведения бинарных сплавов Sb–Pb и Pb–Ag в процессе переработки, предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов в следующих условиях: Т = 900÷2100 К, Р = 1÷133 Па, τ = 8÷16 ч. Изучено влияние температуры и давления в системе, продолжительности возгонки на полноту извлечения и степень разделения сурьмы, свинца и серебра из сплава SPA. При построении равновесных фазовых диаграмм VLE расчет коэффициентов активности компонентов бинарных сплавов выполнен с помощью объемной модели молекулярного взаимодействия (MIVM – мolecular interaction volume model). Получена информация о влиянии температуры и глубины вакуума на степень возгонки и разделения металлов из Sb–Pb- и Pb–Ag-композиций различного состава. Рассчитаны давления насыщенного пара для Sb (р* = 273,664÷67436,9 Па), Pb (0,149÷485,9 Па) и Ag (5,054·10–5÷6,558 Па) при Т = 1073÷1773 К. Показано, что высокие значения отношения давлений (р*Sb /р*Pb = 1832,98÷ ÷138,79, р*Pb /р*Ag = 2948,16÷74,09) и коэффициента разделения (lgβSb = 2,099÷3,33 и lgβPb = 1,813÷3,944) создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда последовательно сурьма и свинец обогащаются в газовой фазе (βSb > 1, βPb > 1), а серебро – в жидкой. Установлено, что мольная доля трудновозгоняемых свинца/серебра в газовой фазе уPb /уAg = (1,55÷982)·10–3/(36÷772)·10–3 увеличивается с ростом температуры 894÷1601/1399÷2099 К, давления 1,33÷133 Па и содержания металла в сплаве хPb/хAg = 0,9÷0,9999/0,9÷0,99. С использованием MIVM рассчитаны коэффициенты активности сурьмы γSb = 0,832÷0,999, свинца γPb = 0,474÷1,0 и серебра γAg = 0,331÷0,999 для Sb/Pb- и Pb/Ag-сплавов состава 0,1÷0,9/0,9÷0,1 в исследованном температурном диапазоне. Практическая значимость выявленных зависимостей количества и состава продуктов возгонки полиметаллических сплавов от указанных параметров процесса обусловлена разработкой принципиальной технологии переработки сплава SPA вакуумной дистилляцией.

сплав, вакуумная дистилляция, сурьма, свинец, серебро

1. Berman A. Total pressure measurements in vacuum tech-nology. 1-st ed. N.Y.: Academic Press, 1985.

2. Winkler O., Bakish R. Vacuum metallurgy. Amsterdam: Elsevier Sci. Ltd., 1971.

3. Jia G.-b., Yang B., Liu D.-c. Deeply removing lead from Pb-Sn alloy with vacuum distillation. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2013. Vol. 23. Iss. 6. P. 1822—1831.

4. Wang A., Li Y., Yang B., Xu B., Kong L., Liu D. Process optimization for vacuum distillation of Sn—Sb alloy by response surface methodology. Vacuum. 2014. Vol. 109. P. 127—134.

5. Dai Y.N. Vacuum metallurgy of nonferrous metals. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2009.

6. YangB., KongL.-x., Xu B.-q., Liu D.-c., Dai Y.-N. Recycling of metals from waste Sn-based alloys by vacuum separa¬tion. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2015. Vol. 25. Iss. 4. P. 1315—1324.

7. Liu D.C., Yang B., Wang F, Yu Q.C., Wang L., Dai Y.N. Re-search on the removal of impurities from crude nickel by vacuum distillation. Phys.Proc. 2012. Vol. 32. P. 363—371.

8. Dai Y.N., Yang B. Non-ferrous metals and vacuum metal¬lurgy. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2000.

9. Smith J.M., Van Ness H.C., Abbott M.M. Introduction to chemical engineering thermodynamics. N.Y.: McGraw- Hill, 2001.

10. Tao D.P. A new model of thermodynamics of liquid mix¬tures and its application to liquid alloys. Thermochim. Acta. 2000. Vol. 363. Iss. 1-2. P. 105—113.

11. Poizeau S., Kim H.J., Newhouse J.M., Spatocco B.L., Sado- way D.R. Determination and modeling of the thermo¬dynamic properties of liquid calcium—antimony alloys. Electrochim. Acta. 2012. Vol. 76. P. 8—15.

12. Newhouse J.M., Poizeau S., Kim H., Spatocco B.L., Sado- way D.R. Thermodynamic properties of calcium—mag¬nesium alloys determined by emf measurements. Electro- chim. Acta. 2013. Vol. 91. P. 293—301.

13. Miyazaki N., Adachi N., Todaka Y., Miyazaki H., Nishi- no Y. Thermoelectric property of bulk CaMgSi inter¬metallic compound. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 691. P. 914-918.

14. Gerold V. Materials science and technology: A compre¬hensive treatment. Vol. 1. Structure of solids. Weinheim: VCH, 1993.

15. Hultgren R, Desai P.D., Hawkins D.T, Geiser M, Ke¬lley K.K. Selected values of the thermodynamic properties of binary alloys. Metals Park. Ohio: Amer. Soc. for Me¬tals, 1973.

16. Kong X., Yang B., Xiong H, Kong L, Xu B. Thermodyna¬mics of removing impurities from crude lead by vacuum distillation refining. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2014. Vol. 24. Iss. 6. P. 1946-1950.

17. YangH.W, YangB., XuB.Q., LiuD.C., TaoD.P. Application of molecular interaction volume model in vacuum distil¬lation of Pb-based alloys. Vacuum. 2012. Vol. 86. Iss. 9. P. 1296-1299.

18. Королев А.А., Краюхин С.А., Мальцев ГИ. Равновесные системы «газ-жидкость» для сплава Pb-Sb при вакуумной дистилляции. Вестник ПНИПУ Машиностроение, материаловедение. 2017. No. 3. С. 75-99.

19. Королев А.А., Краюхин С.А., Мальцев Г.И. Фазовые равновесия в системе Pb-Ag при пирометаллургической возгонке. Вестник ЮУрГУ. Металлургия. 2017. No. 2. С. 22-33.

20. Zhao J.Y., Yang H.W, Nan C.B., Yang B, Liu D.C., Xu B.-q. Kinetics of Pb evaporation from Pb-Sn liquid alloy in vacuum distillation. Vacuum. 2017. Vol. 141. P. 10-14.

21. Kong L.-x., Xu J., Xu B.-q, Xu S., Yang B. Vapor-liquid phase equilibria of binary tin—antimony system in va¬cuum distillation: experimental investigation and cal¬culation. Fluid Phase Equilibria. 2016. Vol. 415. P. 176¬183.

22. Nan C.B., Yang H.W, Yang B., Liu D., Xiong H. Experimen¬tal and modeling vapor-liquid equilibria: separation of Bi from Sn by vacuum distillation. Vacuum. 2017. Vol. 135. P. 109-114.

23. Song B., Xu N., Jiang W, Yang B., Chen X., Xu B., Kong L., Liu D., Dai Y. Study on azeotropic point of Pb-Sb alloys by abinitio molecular dynamic simulation and vacuum distillation. Vacuum. 2016. Vol. 125. P. 209-214.

24. Zhang C., Jiang W.L., Yang B., Liu D.C., Xu B.Q., Yang H.W. Experimental investigation and calculation of vapor- liquid equilibria for Cu-Pb binary alloy in vacuum dis¬tillation. Fluid Phase Equilibria. 2015. Vol. 405. P. 68-72.

25. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник. М.: Машиностроение, 1996.