基于湿法联合火法冶金法在工业废料中回收高铅锡青铜合金

2023-01-09李伟东

中国金属通报 2022年18期

李伟东

一般来说，湿法冶金技术主要指的是基于冶炼原料的特性选取适当的化学溶剂进行反应，从而使冶炼原料当中的金属得到有效提取和分离的技术过程，而火法冶金技术则指的是采用高温对冶炼原料进行熔化和提取的一种技术手段，在整个冶炼流程当中没有其他化学溶剂的参与。传统的工业废料合金回收流程往往局限于单一的技术手段当中，回收成本较高，回收率较为低下，严重影响了废料回收成效，因此亟待进行技术改良与更新。采用湿法与火法冶金技术进行联合运用，能够进一步降低回收反应过程当中出现的污染，更加显著地提升有价合金回收效率，具有较为广泛的应用前景与应用价值。

1 实验设计与准备

1.1 材料设备准备工作

在利用湿法联合火法冶金技术进行工业废料合金回收的实验开始之前，首先需要做好原料的准备工作。为了尽可能提升实验结果的准确性与可靠性，使影响高铅锡青铜合金回收率的实验条件猜想得到有效验证，在原料准备过程当中技术人员应当遵循以下几方面原则。首先是对照设置原则，为了尽可能减少实验环境因素、工艺流程因素以及原料质量因素等对于回收实验结果产生的影响，技术人员应当在原料准备过程当中做好对照组的筛分，尽可能保障两组原料在质量、类型、形态等方面的一致性。其次是平行重复原则，为得出更加充分权威的实验数据以及实验结论，技术人员应当在原料准备过程当中确保其满足重复性实验的要求，避免因实验原料样本过少导致结果数据出现的相关问题。在本次湿法联合火法回收工业废料的实验过程当中，使用了各类形态和尺寸的青铜颗粒共100kg 作为主要实验原料，并基于湿法冶金技术的相关要求准备了盐酸、30%浓度过氧化氢溶液以及氨水作为湿法技术浸出剂的对照。此外，在本次实验的材料准备过程当中，还包括了蒸馏水、碱性碳酸盐、废活性炭等实验辅料，为实验其他流程提供服务。

在实验过程当中，除了原料准备工作外，综合考量湿法冶金技术以及火法冶金技术的相关流程以及相关需求针对实验设备进行准备同样具有关键性作用。本次实验过程当中所涉及到的主要实验设备包括WSSX-411 电接点双金属温度计、GWL-1600R机械搅拌器、PHS-711A 实验pH 计、欧莱博HH-W420 恒温水浴锅等等，有效保障了实验整体流程的科学性与可靠性。

1.2 原料预处理

为更加显著地提升湿法联合火法进行高铅锡青铜合金回收实验结果的准确性，需要针对青铜颗粒原材料进行预处理，具体处理措施如下。首先，应做好对不同粒径青铜颗粒原料的筛分。在进行实验设计的过程当中已提出相关假设，即青铜工业废料的粒径会对最终的回收速率以及回收量产生一定的影响，因此技术人员可结合实验基本流程以及实验组别对不同粒径的原料进行筛分，提升实验结果的说服力。其次，应当在实验开始之前，针对原料当中的化学成分进行测定，从而能够将相关测定信息和数据与实验过后相关信息数据进行比对，从而使影响实验结论的相关因素得到进一步验证。最后，还应当针对回收原料的表面状态进行清理。由于后续实验流程对于原料纯净度具有较高的要求，因此应尽可能减少外部环境对于实验原料纯净度产生的影响，保障原料表面光洁，为后续实验流程奠定更加坚实的基础。

2 实验基本流程

2.1 杂质分离

受到实验设定、原料准备要求等客观因素的影响，青铜颗粒原料当中可能存在着一定的杂质现象，会给后续实验造成一定的负面影响。因此相关实验技术人员应当采取针对性技术手段进行杂质的分离，现阶段常见的杂质分离手段包括物理分离手段以及化学分离手段等等，实验技术人员可按需进行应用。在颗粒原料杂质分离完成后，技术人员需要针对原料进行淋洗，使其内部洁净度达到后续实验目标，最后针对原料颗粒进行干燥，使最终得到的原料成品质量符合工业废料回收实验的相关要求。

2.2 熔化筛分

其次，在青铜颗粒原料当中的杂质去除并干燥完成后，技术人员需要采用坩埚以及加热装置对颗粒原料进行加热并熔化，从而为后续的筛分工作奠定相应的基础。实验技术人员应当首先针对坩埚进行预热，当坩埚达到青铜合金熔点时加入颗粒原料，从而使原料不断熔化，得到原料熔液。采用过滤方式针对坩埚内部加热过程当中出现的炉渣进行筛分与去除。在颗粒原料的熔化过程当中，受到原料氧化等因素的影响，导致以二氧化硅、氧化铝、氧化钙以及氧化镁等物质为代表的炉渣的出现，这些炉渣不仅会进一步影响合金回收率，还可能会造成一定的污染，因此实验技术人员应当采取针对性手段对炉渣进行过滤和筛分，为后续铅锡青铜合金的回收工作提供相关原料和基础。

炉渣筛分完成后，实验技术人员能够得到两部分实验内容，一部分是实验原料第一次高温熔融所得到的炉渣，另一部分则是高纯度的铜-铅-锡合金铸件，技术人员应当采取针对性措施和手段针对炉渣进行再次加工，针对炉渣内部的单质金属进行筛分与回收，从而使湿法与火法联动回收实验有效达成最终目标。

2.3 浸出过滤

为了针对一次熔融过程当中得到的炉渣进行再次加工和回收，实验技术人员首先应当采用相关设备针对炉渣进行研磨，并采用47μm 筛网对研磨后的炉渣进行过筛，并采用NH3与H2O2对筛下物浸出，得到四氨合铜离子以及铅锡氧化物。采用HCl 以及H2O2针对铅锡氧化物进行二次浸出，得到PbCl2以及SnCl4，将二者分别进行电解处理或分别采用碳酸钠、氢氧化钠进行浸出和沉淀，得到PbCO3与SnO2，并将上文流程当中得到的四氨合铜离子同样进行电解或采用碳酸钠进行浸出，为后续原料的热还原与回收工作做好相应的铺垫。

2.4 热还原

在浸出过滤环节当中，实验技术人员得到了PbCO3以及SnO2两种物质，为了使高铅锡青铜合金的回收与制备获取到相应的物质基础，实验人员可采用H2或废活性炭经过热还原方式得到Pb 与Sn 金属单质，使最终的高铅锡青铜合金质量能够达到预期要求。

2.5 二次熔化并形成合金

热还原流程当中获取到的Pb 金属单质以及Sn 金属单质能够与熔化筛分环节当中得到的高纯度铜-铅-锡合金铸件进行熔融重铸与再生，最终得到二次熔融的炉渣以及高铅锡青铜合金，将二次熔融炉渣回流至一次炉渣熔化筛分的实验流程当中，从而形成工业废料湿法联合火法进行青铜合金回收的循环，实现青铜合金回收率的进一步提高。

3 结果分析

在湿法联合火法的工业废料高铅锡青铜合金回收实验完成后，实验技术人员还应当针对其最终的实验结果信息与数据进行分析，从而为实验结论的归纳以及工艺流程的优化提供相应的动力与技术支持。

3.1 工业废料成分分析

首先，实验技术人员需要针对试验过程当中不同环节以及不同流程废料的组分情况进行对比与分析。由上文我们能够得知，在实验原料的准备工作过程当中，实验技术人员即针对青铜原料颗粒当中的组分进行了测量和分析。其中，原料颗粒当中的Sn 成分占比为7.53%，Pb 成分占比为8.02%，Cu 成分占比为61.87%，Zn 成分占比为0.54%，其余金属氧化物成分占比为22.04%。

其次，实验技术人员还需要在熔化筛分过程当中针对熔融物当中的组分情况进行检测。为了充分提升检测结果的准确程度，保障数据可靠性，实验人员应当采用温度跟踪测验的方式进行数据的汇集与整合。其中，当熔融实验温度为1200℃时，其Cu 成分含量占比为86.36%，Sn 成分含量占比为6.24%，Pb 成分含量占比为7.40%，当熔融实验温度达到1250℃时，Cu 含量占比提升至89.9%，Sn 含量占比下降至5.14%，Pb 含量占比下降至5.26%。当温度上升至1300℃时，Cu 含量占比上升至93.5%，Sn含量占比下降至3.55%，Pb 含量占比下降至2.95%，因此，不同的熔化温度也会对熔融物当中各组分的占比情况产生差异化的影响。

最后，实验人员还应当针对几次熔融筛分过程当中所得到的炉渣成分进行检测，由于炉渣当中大部分由金属氧化物构成，因此需要将金属氧化物的各个形态与熔融炉渣当中的金属单质进行一致性计算，分析不同类别金属形态在熔融炉渣当中的总体比重，其中铜单质及铜氧化物在熔融炉渣当中所占比重达到59.8%，锡单质及锡氧化物在熔融炉渣当中所占比重达到24.8%，铅单质及铅氧化物在熔融炉渣当中所占比重达到25.4%。经过不同形态比对后，能够得出结论，即采用湿法与火法联合进行工业废料的回收，并从中提取高铅锡青铜合金的技术手段是可行的，但在实际操作过程当中，青铜合金熔液当中的铅、锡比重与高铅锡青铜合金的相关标准以及相关要求之间尚存在一定的偏差，因此需要针对回收原料以及湿法火法处理工艺流程进行进一步优化和改进，从而使最终的回收产物与高铅锡青铜合金组分标准之间相互契合，确保回收工艺成本与效益的同步化提升。

3.2 浸出剂性能评估

在本次实验过程当中，浸出过滤环节是提升回收实验产物纯净度，强化工业废料回收率的关键所在。实验技术人员在进行原料准备的过程当中，采用了盐酸、30%浓度过氧化氢溶液以及氨水等三种主要溶剂作为湿法联合火法进行的工业废料回收高铅锡青铜合金的浸出剂，经过相关对比实验过后，能够对浸出剂性能得出以下结论，首先，在针对青铜合金废料进行湿法与火法联合回收的过程当中，氨水的选择性能最佳。在一些工业生产场景过程当中，可能会需要针对青铜合金原料当中的某一特定金属如铜单质进行分离与回收，而氨水能够针对炉渣与废料当中的铜单质进行有效溶解，并实现对其有效回收，但对于铅、锡等金属单质的溶解与回收则存在一定的困难。其次，盐酸不适宜作为湿法联合火法进行高铅锡青铜合金回收技术当中的浸出剂。在盐酸的作用下，铜、锡、铅等金属单质未能得到有效选择，而是在短时间内得到了同步的溶解，这给后续的分离过程带来了一定的挑战。最后，采用过氧化氢作为湿法联合火法进行高铅锡青铜合金的回收浸出剂最为适宜。由于过氧化氢具备浸出控制效果更好，反应速率适中，最终反应纯净度好，反应污染小等优势和特点，因此能够有效应用在工业废料回收的浸出流程当中，技术人员应当做好对于过氧化氢溶液使用量以及浸出时间的控制工作，从而尽可能提升最终的高铅锡青铜合金回收效果，使工业生产成本得到更加显著地控制，提升工业生产经济效益与社会效益。

3.3 不同实验条件对于高铅锡青铜合金回收的影响

在本次实验过程当中，共结合工业生产实际情况与实际要求，设置了以下几方面的实验条件。首先是过氧化氢浸出剂不同剂量对于铜、锡、铅三种主要金属单质浸出速率及其回收率产生的影响。经过实验过后，我们能够得出结论：随着过氧化氢浸出剂剂量的不断提升，铜、锡、铅等三种金属单质的浸出速率及回收率也得到了不断提高，其中以铅单质的浸出速率提升最快。其次是溶质pH 值对于锡酸分离率产生的影响，随着溶质pH 值的不断增大，锡酸分离率从10%开始不断提高，溶质pH 值达到2.8后，锡酸分离率达到最高100%，随着溶质pH 值的持续增加，锡酸分离率开始从100%不断下降，待溶质pH 值达到4 后，锡酸分离率降至最低。因此，在进行湿法联合火法的工业废料回收过程当中，技术人员应当合理控制溶质pH 值，避免pH 值过高或过低对于锡酸分离率造成一定的负面影响，有效提升锡金属单质的回收率。最后是不同合金化温度对于炉渣重量百分数产生的影响，由定量实验能够得出结论，即合金化温度与炉渣重量百分数之间成正比关系，随着合金化温度的不断提升，炉渣重量百分数也在不断提高，氧化物含量不断增加。其中，炉渣重量百分数与实验溶剂同样也具有一定的关联，在本次实验当中，采用了碳酸盐与空白溶剂对照组进行了比对实验，实验结果证实，无溶剂的对照组实验过程当中产生的炉渣总量更多，百分比更高，而采用碳酸盐作为溶剂的观察实验组实验过程当中产生的炉渣总量更少，杂质含量更低。由此能够得出结论，在工业领域开展湿法联动火法进行的废料回收高铅锡青铜合金的技术生产过程当中，同样也应当适当添加相应的碳酸盐或硼酸盐作为溶剂，尽可能减少回收加工过程当中的炉渣与杂质总量，有效降低废料回收成本，提升废料回收效益。

4 讨论

4.1 湿法与火法单独使用存在的问题

在传统的金属工业废料回收过程当中，技术人员以及生产企业往往局限于单一的湿法冶金技术以及火法冶金技术当中，未能将二者进行合理地联动，导致在实际操作过程当中出现了一定的问题，具体表现在以下几方面：首先，在采用火法冶金技术进行高铅锡青铜合金的回收过程当中，其生产环境较为复杂，污染较为严重，单独使用火法冶金技术进行金属工业废料的回收，还需要消耗大量的能源进行加热，给工业金属废料回收成本的控制带来了一定的难度和挑战。其次，单独使用湿法冶金技术进行金属废料的回收效率较为低下，对回收产物的分离存在一定困难，回收加工过程当中还可能由于化学溶剂的影响对回收设备造成一定的腐蚀现象。因此，相关技术人员应当综合湿法冶金回收技术以及火法冶金回收技术二者的优缺点，将二者进行联动运用，在确保有价金属回收率的前提下进一步降低了回收成本与污染，提升了回收反应速率，已成为未来工业金属废料回收领域当中的重要发展方向之一。