CN104561605A - 一种处理锑砷物料的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种处理锑砷物料的装置和方法，以解决锑砷物料冶炼过程中有害杂质砷难以去除的问题。该装置包括炉体、炉盖、炉身，炉体内设有筒形耐火材料层，所述耐火材料层的中心放置有石墨坩埚，耐火材料层顶部放置有挥发物收集槽，挥发物收集槽位于石墨坩埚的顶部外侧，挥发物收集槽与石墨坩埚之间留有间隙，耐火材料层的底部通过真空泵管与真空泵连接，石墨坩埚与耐火材料层之间设有加热系统。处理锑砷物料的方法，包括以下加料、抽真空、升温、保温、降温、卸料步骤。本发明基于真空冶金原理，实现了锑砷合金物料中锑和砷的有效分离，处理过程清洁高效、无废水废渣产生，避免了砷的二次污染，同时金属回收率高。

Description

一种处理锑砷物料的装置和方法
技术领域
本发明属有色金属冶金技术领域，具体涉及一种锑砷物料的处理方法和装置。
背景技术
我国是产锑大国，也是世界上锑资源最丰富的国家，锑储量占世界锑储量的32.9%。但经过几十年的开采，单锑型矿石的可利用的查明资源储量逐年减少，后备基地不足，因而必须转向混合型锑矿如铅锑矿、锑砷矿等的开发和利用。混合型锑矿的开采和利用产生了大量的锑砷合金。砷是一种极有害的杂质元素，在常压下挥发与空气中的氧发生反应生成三氧化二砷(As2O3)即砒霜，毒性很大，会对操作人员身体造成损害。不仅影响冶炼系统中的经济技术指标，更给环境造成严重污染。由于锑砷位于元素周期表中同一主族，锑和砷的金属状态能够无限互溶，给锑砷合金除砷带来困难。
目前粗锑除砷的主要方法有碱性精炼除砷法，加铝除砷法、水溶液电解精炼除砷法等。
氧化碱性精炼除砷法为目前粗锑除砷的主要方法。在1073～1123K温度下，按砷含量计算加入Na2CO3或加入NaOH：Na2CO3=1：3的混合熔剂，向锑液中鼓入空气，砷被氧化成As2O5，再与造渣剂Na2CO3反应，生成砷酸钠(Na3AsO4)和少量亚砷酸钠(Na3AsO3)而与锑分离。
该方法产生的砷碱渣有毒，其堆放和处理都存在问题。同时，在精炼过程中锑也生成锑酸钠进入砷碱渣，一般每kg砷要带走5-10 kg锑，锑的消耗量大，进一步分离较为复杂。
加铝除砷法是在一定工况下，主要利用砷铝在熔融状态下可以形成砷铝合金的原理除砷，多在粗锡精炼时应用，反应如下[As]+[Al]=AlAs(s)。该方法产生的（AlAs）浮渣有毒，且Al价格昂贵，生产成本高。
水溶液电解法较传统的电解除砷提高了电流密度，降低了电解温度，同时加入了乙二胺四乙酸二钠来抑制砷在阳极的溶解和在阴极的析出，可获得合格的阴极锑，最后砷进入阳极泥中。该法尚在实验室研究阶段，生产能力小，电耗高，电解质加入了氢氟酸，对电解槽材质要求较高，同时还需解决电解液循环等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种处理锑砷物料的装置，以解决锑砷物料冶炼过程中有害杂质砷难以去除的问题。
本发明的另一个目的是提供一种处理锑砷物料的方法。
本发明采用的技术方案如下：一种处理锑砷物料的装置，包括炉体、炉盖、炉身，炉体内设有筒形耐火材料层，所述耐火材料层的中心放置有石墨坩埚，耐火材料层顶部放置有挥发物收集槽，挥发物收集槽位于石墨坩埚的顶部外侧，挥发物收集槽与石墨坩埚之间留有间隙，耐火材料层的底部通过真空泵管与真空泵连接，石墨坩埚与耐火材料层之间设有加热系统，炉盖和炉身之间设有密封圈。
优选的，所述炉盖和炉身带有夹套，夹套内设有水冷却管，水冷却管接水冷系统。
优选的，所述石墨坩埚的底部设有测温热电偶。
优选的，所述加热系统为加热电阻丝。
一种处理锑砷物料的方法，包括以下步骤：
（1）加料：将待处理锑砷物料加入炉内石墨坩埚，盖上炉盖，密封炉体；
（2）抽真空：将炉体紧固密封，打开真空泵抽真空，待炉内真空度达300Pa-500Pa时，加热系统进行加热，边加热边抽真空；
（3）升温：打开水冷系统，在真空泵运行的同时给炉体升温，使炉内温度介于800℃-950℃，继续抽真空；
（4）保温：保持温度800℃-950℃，调整加热功率，保温30—90 min，继续抽真空；为保证分离完全。
（5）降温：在所述步骤（4）完成后，关闭加热电源，直至炉内温度降至室温；
（6）卸料：关闭真空泵并打开其放气阀，关闭水冷系统，打开炉盖，分别取出挥发物收集槽中的挥发物和石墨坩埚内的蒸残物。
本发明的基本原理：利用本发明方法和装置处理锑砷物料，实质上是真空蒸馏分离过程。由于砷的沸点接近615℃，锑的沸点1635℃，锑和砷的饱和蒸汽压差异大。图1为Sb-As系二元相图，由图可以看出，Sb-As系在全组成范围内不生成化合物，液态时完全相互溶解，固态时也相互溶解，在含As19.5%处形成共沸混合物。在一定压力下，共沸混合物有一定组成，不能用分馏方法来分离共沸混合物；但当外压改变时，共沸混合物的组成亦变，在个别情况下分馏也可达到分离提纯，特别是在富锑端，含As＜19.5%的粗锑不会影响砷的挥发除去。因此，利用锑和砷饱和蒸汽压的差异，控制合适的蒸馏温度低、蒸馏时间和压强（真空度），即可实现锑砷物料的蒸馏分离。蒸馏后砷蒸气冷凝以金属砷的形式产出，毒性最小，经济价值高，避免了传统粗锑除砷工艺中砷盐带来的二次污染。
本发明基于真空冶金原理，采用一种真空蒸馏装置处理锑砷物料，实现了锑砷物料中砷和锑的有效分离，处理过程清洁高效、无废水废渣产生，避免了砷的二次污染，同时金属回收率高；获得的金属锑和金属砷产品，金属砷的毒性低，可有效解决粗锑精炼时杂质砷带来的二次污染，实现锑砷物料的清洁化处理，降低企业生产成本，提高企业利润。
    本发明方法整个处理过程无废渣废水产生，且卸料时砷为金属砷，相比砷的氧化物其毒性最低。整个锑砷分离工艺流程短，不需要添加其他化学试剂就能得到金属砷和金属锑两种有价产品，与火法精炼和电解精炼相比，本发明更有优势。
本发明的优点在于：
（1）处理过程清洁环保，无二次污染。本发明在真空环境下完成，处理过程完全密封。有害元素砷在真空炉内先以砷蒸气的形式挥发，最后冷凝成金属砷集中在挥发物收集槽，相比传统除砷法无有害废水废渣产生，无二次污染。
（2）本发明真空度为300Pa-500Pa，属于低真空度。
（3）工艺流程短:本发明只需一次蒸馏即可实现锑砷物料中有害杂质砷的去除，工艺流程简短。
（4）产品经济价值高。传统的锑砷分离后砷以砷盐的形式产出，砷盐有毒有害，经济价值低。本发明砷的产品为金属砷，毒性小，经济价值高。
（5）金属回收率高。本发明在真空炉内进行，真空环境下炉体完全密封，处理过程金属质量平衡，没有损失，金属回收率高。
（6）能耗低。本发明处理锑砷物料的方法，真空度低；处理装置只采用电加热。因此，相比传统法能耗低。
附图说明
图1 是Sb-As系二元相图；
图2是一种处理锑砷物料的装置的结构示意图。
附图标记含义如下：炉体（1）、炉盖（2）、炉身（3）、挥发物收集槽（4）、耐火材料层（5）、石墨坩埚（6）、加热电阻丝（7）、测温热电偶（8）、真空泵管（10）、密封圈（11）、水冷却管（12）。
具体实施方式
下面的实施例可以进一步限定本发明，但不以任何方式限制本发明。
一种处理锑砷物料的装置，包括炉体1、炉盖2、炉身3，炉体1内设有筒形耐火材料层5，耐火材料层5的中心放置有石墨坩埚6，耐火材料层5顶部放置有挥发物收集槽4，挥发物收集槽4位于石墨坩埚6的顶部外侧，挥发物收集槽4与石墨坩埚6之间留有间隙，耐火材料层5的底部通过真空泵管10与真空泵连接，真空泵为现有装置，附图未标出；石墨坩埚6与耐火材料层5之间设有加热系统，本实施方式中加热系统采用加热电阻丝7，但不限于该种加热方式，还包括感应加热方式等。炉盖2和炉身3之间设有密封圈11。外用螺栓链接，便于拆卸、加料和取料。石墨坩埚6的底部设有测温热电偶8。
炉盖2和炉身3带有夹套（采用双层不锈钢材质），夹套内设有水冷却管12，水冷却管12接水冷系统（现有装置，附图未标出）。
为安全起见，先抽真空再加热，加热前打开水冷却系统，防止炉内石墨材料在高温环境时烧坏。边抽真空边升温。
砷以金属砷的形式优先挥发最终冷凝在挥发物收集槽，锑则以金属锑的形式冷凝在石墨坩埚内，没有废水废渣产出，无二次污染。
实施例1.所用原料为一种锑砷合金，其主要化学成分为锑和砷，有少量的铅，成分见表1，主要技术参数：蒸馏温度950℃，保温时间30min，真空度500Pa。
具体实施步骤如下：
（1）加料：取上述锑砷合金物料300g加入炉内的石墨坩埚中，盖上炉盖，密封炉体；
（2）抽真空：打开真空泵抽真空，待炉体内真空度达500 Pa时加热，继续抽真空；
（3）升温：打开水冷系统，在真空泵运行的同时给炉体升温，使炉内温度达950℃，继续抽真空；
（4）保温：在炉内温度达到950℃后，调整加热功率，保温30 min，继续抽真空；
（5）降温：在所述步骤（4）完成后关闭加热电源，直至炉内温度降到室温；
（6）卸料：关闭真空泵，打开放气阀，关闭水冷系统，打开炉盖，砷集中在挥发物收集槽中，锑留在坩埚内，分别取出。
因合金中杂质砷量少且易挥发，只对蒸残物进行称量、化验，结果见表2结果分析表， 由结果可知，一次蒸馏后锑合金中砷含量由6.44%降低到了0.87%，锑回收率96.45%，分离效果较好。
实施例2.所用原料同实例1，主要技术参数：蒸馏温度900℃，保温时间90min，真空度300Pa。
具体实施步骤如下：
（1）加料：取上述锑砷合金物料300g加入炉内石墨坩埚，盖上炉盖，密封炉体；
 （2）抽真空：打开真空泵抽真空，待炉体内真空度达300Pa时打开加热系统，继续抽真空；
（3）升温：打开水冷系统，在真空泵运行的同时给炉体升温，使炉内温度达900℃，继续抽真空；
（4）保温：在炉内温度达到900℃后，调整加热功率，保温60 min，继续抽真空；
（5）降温：在所述步骤（4）完成后关闭加热电源，直至炉内温度降到室温；
（6）卸料：关闭真空泵，打开放气阀，关闭水冷系统，打开炉盖，砷集中在挥发物收集槽，锑留在坩埚内，分别取出。
  因合金中杂质砷量少且易挥发，实例2只对蒸残物进行称量、化验，结果见表3，由结果可知，经一次蒸馏后锑合金中砷含量由6.44%降低到了0.49%，锑回收率98.58%，分离效果较好。
实施例3.所用原料同实例一，见表1。主要技术参数：蒸馏温度800℃，保温时间90min，真空度300Pa。
具体实施步骤如下：
（1）加料：取上述锑砷合金物料300g加入炉内石墨坩埚，盖上炉盖，密封炉体；
（2）抽真空：打开真空泵抽真空，待炉体内真空度达300 Pa时打开加热系统，继续抽真空；
  （3）升温：打开水冷系统，在真空泵运行的同时给炉体升温，使炉内温度达800℃，继续抽真空；
（4）保温：在炉内温度达到800℃后，调整加热功率，保温90 min，继续抽真空；
（5）降温：在所述步骤（4）完成后关闭加热电源，直至炉内温度降到室温；
（6）卸料：关闭真空泵，打开放气阀，关闭水冷系统，打开炉盖，砷集中在挥发物收集槽，锑留在坩埚内，分别取出。
因合金中杂质砷量少且易挥发，实例3只对蒸残物进行称量、化验，结果见表4，由结果可知，一次蒸馏后锑合金中砷含量由6.44%降低到了0.93%，锑回收率99.72%，分离效果较好。
本发明可实现锑砷合金中有害元素砷的去除，粗锑中砷经一次蒸馏即可降到1%以下，且锑回收率较高，分离效果明显。采用本发明的方法和装置处理含砷较多的锑砷合金物料，无有害废水废渣产生，处理过程节能、环保。

Claims (5)

1.一种处理锑砷物料的装置，其特征在于，它包括炉体（1）、炉盖（2）、炉身（3），炉体（1）内设有筒形耐火材料层（5），所述耐火材料层（5）的中心放置有石墨坩埚（6），耐火材料层（5）顶部放置有挥发物收集槽（4），挥发物收集槽（4）位于石墨坩埚（6）的顶部外侧，挥发物收集槽（4）与石墨坩埚（6）之间留有间隙，耐火材料层（5）的底部通过真空泵管（10）与真空泵连接，石墨坩埚（6）与耐火材料层（5）之间设有加热系统，炉盖（2）和炉身（3）之间设有密封圈（11）。
2.根据权利要求1所述的一种处理锑砷物料的装置，其特征在于：所述炉盖（2）和炉身（3）带有夹套，夹套内设有水冷却管（12），水冷却管（12）接水冷系统。
3.根据权利要求1或2所述的一种处理锑砷物料的装置，其特征在于：所述石墨坩埚（6）的底部设有测温热电偶（8）。
4.根据权利要求3所述的一种处理锑砷物料的装置，其特征在于：所述加热系统为加热电阻丝（7）。
5.一种处理锑砷物料的方法，其特征在于它包括以下步骤：
（1）加料：将待处理锑砷物料加入炉内石墨坩埚（6），盖上炉盖（2），密封炉体；
（2）抽真空：将炉体紧固密封，打开真空泵抽真空，待炉内真空度达300Pa-500Pa时，加热系统进行加热，边加热边抽真空；
（3）升温：打开水冷系统，在真空泵运行的同时给炉体升温，使炉内温度介于800℃-950℃，继续抽真空；
（4）保温：保持温度800℃-950℃，调整加热功率，保温30—90 min，继续抽真空；
（5）降温：在所述步骤（4）完成后，关闭加热电源，直至炉内温度降至室温；
（6）卸料：关闭真空泵并打开其放气阀，关闭水冷系统，打开炉盖，分别取出挥发物收集槽中的挥发物和石墨坩埚内的蒸残物。
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