用碱性还原熔炼—水浸工艺从某钒铅矿中提取钒

2020-12-21李建兵

湿法冶金 2020年6期

李建兵

(中色(宁夏)东方集团有限公司，宁夏石嘴山 753000)

钒铅矿不溶于碱性溶液，但可被酸性溶液分解，因此，传统的方法是用硫酸浸出钒。酸浸法的主要问题是：浸出时只能用强酸(pH<1),浸出同时有大量杂质元素进入溶液，后续除杂较困难；工艺流程长，耗酸量大，对设备要求也高；只回收有价金属钒，而含量较高的铅没有得到回收，矿石综合利用率较低[3-4]。

碱性还原熔炼是一种绿色冶金工艺，其以碱性熔盐为介质，在远低于传统火法冶金温度条件下熔炼多金属矿石或二次资源，产出的液态金属聚集于熔盐下面，而固态产物及固态未反应物悬浮于熔盐介质中形成熔炼渣[5-6]。该方法金属直收率高、节能、环保[7-8]，已用于处理硫化铋精矿、硫化铅精矿[9-11]，从废弃电路板及铝灰中回收有价金属[12-16]等。

试验针对某钒铅矿，研究了采用碱性还原熔炼—热水浸出工艺提取钒，以期实现钒铅矿的综合利用。

1 试验原料与设备

1.1 试验原料

试验所用钒铅矿来自国外某选矿企业，粒度-0.15 mm，化学成分见表1。碳质还原剂为冶金级石墨粉，化学成分见表2。钠盐添加剂为分析纯碳酸钠。

表1 钒铅矿的化学成分 %

表2 冶金级石墨粉的化学成分 %

1.2 试验设备

滚筒球磨机(QM-5型)，旋转式压片机(ZP5A型)，马弗炉(SZXB-54-1700型)，X射线荧光光谱仪(XRF,Shimadza XRF-1800型)。

2 试验原理与方法

钒铅矿中含钒矿物为钒酸铅(3PbO-V2O5)。在高温、碱性还原条件下，3PbO-V2O5的结构被破坏，铅被还原为金属铅，钒呈游离态V2O5。V2O5是两性氧化物，与碳酸钠分解产生的Na2O结合生成可溶于水的钒酸钠碱熔渣，实现与铅的分离；再通过水浸转入到溶液中[17]。还原熔炼反应为：

ΔH298=-45 kJ；

(1)

ΔH298=-10 kJ。

(2)

将钒铅矿、石墨粉、碳酸钠按一定比例混合均匀，用压片机制成φ10 mm×6 mm的薄片。称取400 g薄片放入刚玉坩埚中并放入马弗炉进行熔炼，一定时间后取出，自然冷却至室温，得碱熔渣。

碱熔渣球磨破碎至150～180 μm，取40 g加入到烧杯中，按一定液固体积质量比加入纯水，在一定温度水浴中搅拌一定时间，之后过滤洗涤，滤渣烘干后分析其中钒质量分数，计算钒浸出率。

其次是比拟中拟人修辞格的妙用。将建筑比拟作人，建筑沉默地“已看透/却不开口”写尽历史沧桑变化的睿智与宠辱不惊。古老的建筑看透了一切却静默不言，因而在沉默场景中一切“有声”的情爱、眼泪都显得苍白而无奈。“却不开口”是建筑明了关于爱和恨的一切都将消逝的无奈，深化了“愁”之一字，与主题相呼应。

3 试验结果与讨论

3.1 还原熔炼

还原熔炼效果以碱熔渣水浸效果表示。水浸条件：温度80 ℃，时间60 min，液固体积质量比为3/1。

3.1.1 熔炼温度对铅钒渣熔炼的影响

钠盐添加量5%，熔炼时间60 min，熔炼温度对钒浸出率的影响试验结果如图1所示。

图1 熔炼温度对钒浸出率的影响

由图1看出：随熔炼温度升高，钒浸出率逐步提高；熔炼温度超过1 200 ℃后，钒浸出率变化不大。通过式(3)得到碳还原PbO的理论开始温度为570 K(297 ℃)。由于碳还原V2O5的过程为逐级还原，按V2O5、V2O4、V2O3、VO、V顺序进行[18]，所以碳还原V2O5的开始温度主要取决于VO的碳还原温度。根据式(4)得到碳还原V2O5的开始温度为1 794.77 K(1 521.77 ℃)。理论上，钒铅矿熔炼温度需高于碳还原PbO的理论开始温度，低于碳还原V2O5的开始温度，所以，钒铅矿熔炼温度以控制在1 200 ℃为宜，此条件下，钒浸出率约为81%，金属铅的挥发损失较少。

ΔG0=105 271-184.515T；

(3)

ΔG0=288 787-160.904T。

(4)

3.1.2 钠盐添加量对铅钒渣熔炼的影响

熔炼温度1 200 ℃，熔炼时间60 min，钠盐添加量对钒浸出率的影响试验结果如图2所示。

图2 钠盐添加量对钒浸出率的影响

由图2看出：随钠盐添加量增加，钒浸出率先提高而后降低；钠盐添加量为5%时，钒浸出率达最高83.24%。钒铅矿通过还原熔炼，其中PbO被碳(C)还原成金属铅，使得钒铅矿结构被破坏，钒以V2O5形式游离出来，与碳酸钠热分解产生的Na2O结合成钒酸钠[19]。碳酸钠的加入不仅有助于破坏钒铅矿的组织结构，还有利于提高铅还原率。熔炼产生的碱熔渣密度小、熔点低、黏度小，有利于铅的沉降及与熔渣分离。如果碳酸钠用量过多，则容易形成不溶性钒青铜(NaV6O15)，造成钒损失[20]。综合考虑，确定碳酸钠添加量以5%为宜。

3.1.3 熔炼时间对铅钒渣熔炼的影响

熔炼温度1 200 ℃，钠盐添加量5%，熔炼时间对钒浸出率的影响试验结果如图3所示。可以看出：随熔炼时间延长，钒浸出率逐渐提高；熔炼60 min后，钒浸出率趋于稳定变化不大。钒铅矿的还原熔炼反应速度较快，控制在60 min即可。

图3 熔炼时间对钒浸出率的影响

3.2 钒的浸出

将钠盐添加量5%、温度1 200 ℃条件下熔炼60 min的钒渣用水浸出。

3.2.1 浸出温度和时间对钒浸出率的影响

在液固体积质量比为3/1条件下进行浸出，浸出温度和时间对钒浸出率的影响试验结果如图4所示。

图4 浸出温度和时间对钒浸出率的影响

由图4看出：随温度升高，钒浸出率提高，温度高于80 ℃后，钒浸出率趋于稳定，随温度升高，钒酸钠在溶液中的溶解度增大[21]，浸出率及浸出速度均提高；相同温度条件下，随浸出时间延长，钒浸出率逐步提高，浸出60 min后，浸出反应基本达到平衡，钒浸出率变化不大。

3.2.2 液固体积质量比对钒浸出率的影响

在浸出温度80 ℃、浸出时间60 min条件下搅拌水浸，液固体积质量比对钒浸出率的影响试验结果如图5所示。可以看出：随液固体积质量比增大，钒浸出率逐步提高；液固体积质量比为3/1时，钒浸出率为80.56%；液固体积质量比再增大，钒浸出率变化不明显。随液固体积质量比增大，液固两相间的接触面积增大，钒酸钠分子从固相扩散到液相的距离变短，扩散速度加快，有利于浸出；但液固体积质量比过大，浸出液中钒质量浓度会下降，后续回收钒工序压力增大[22-23]。综合考虑，液固体积质量比以控制在3/1为宜。