СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗОЛОТОСЕРЕБРЯНЫХ СПЛАВОВ ПУТЕМ ВАКУУМНОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2022 года по МПК C22B9/04 C22B11/00 F27D99/00 

Изобретение относится к цветной металлургии, металлургии благородных металлов, в частности к технологии разделения золотосеребряных сплавов и смесей методом вакуумной дистилляции, для получения металлов высокой чистоты.

Известен способ вакуумной дистилляции чернового золота (см. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. УДК 669.21`22 - 982 (043.3) Полиновский К.Д. Алматы, 1998 г.), при температуре дистилляции 1250°C и давлении остаточных газов 20 Па. При этом достигается высокое (от 78 до 97%) извлечение серебра в конденсат.

Недостатком известного способа является:

- низкая интенсивность процесса конденсации серебра при давлении остаточных газов 20 Па;

- камера, где находится основной испаритель, отделена от камеры конденсации только перегородкой без дополнительных устройств (насадки или насадок), направляющих парогазовый поток из испарительной камеры в камеру конденсации, что не препятствует парогазовому потоку переходить из камеры конденсации обратно в испарительную камеру и, таким образом, выравнивать давление насыщенных паров в обеих камерах, вследствие чего снижается интенсивность процесса конденсации и острота сепарации веществ.

Наиболее близким по технической сущности является способ разделения (очистки) металлов путем вакуумной дистилляции (см. статья «К вопросу о получении особо чистых металлов нанокристаллического уровня (состояния)», А.Н. Порядина, A.M. Апасов. Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 320. №2 на стр. 114-119), при котором в плавильном тигле исходное сырье нагревается до рабочей температуры, при которой с поверхности расплава испаряются легколетучие компоненты, парогазовая смесь передается по паропроводу в область расположения охлаждаемого конденсатора, паровая фаза переводится в твердое или жидкое состояние и конденсируется. Технологический процесс можно осуществлять в глубоком вакууме.

Недостатками известного способа являются:

- при разделении золота и серебра из золотосеребряных сплавов теплоотдача тигля с расплавом в окружающее пространство (без защитного керамического экрана) настолько значительна, что при наборе заданной технологической температуры и поддержании ее в ходе процесса вакуумной дистилляции конденсат на водоохлаждаемом конденсаторе образуется в очень незначительных количествах, за достаточно продолжительное время;

- тепловое воздействие большой удельной поверхности зеркала расплава на водоохлаждаемый конденсатор (хотя конденсатор располагается на значительном расстоянии от расплавленной поверхности металла) оказывает такое, что зародышевые центры кристаллизации на поверхности водоохлаждаемого конденсатора практически не образуются и процесса конденсации из-за перегретых паров металла, которые подпитываются новыми порциями перегретого пара, нет.

Известен аппарат вакуумной сепарации губчатого титана (см. патент РФ) №2258755, МПК С22В 34/12, С22В 9/04, з. 10.03.2004, оп. 20.08.2005), включающий реторту-реактор с донным патрубком и ложным дном, закрытую крышкой с центральным патрубком, закрытым легкоплавкой заглушкой, реторту-конденсатор с донным патрубком с заглушкой, кессон с распределителем воды, тепловой экран с легкоплавкой заглушкой, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен металлическим насадком, жестко установленным в центральном патрубке крышки под легкоплавкой заглушкой и выполненным в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к легкоплавкой заглушке, с входным и выходным отверстиями, металлической обечайкой, установленной в донном патрубке реторты-конденсатора и жестко соединенной с заглушкой, и жестко установленной с верхней частью кессона герметичной крышкой, под которой размещен донный патрубок реторты-конденсатора и распределитель воды.

Недостаток известного аппарата состоит в том, что для осуществления процесса вакуумной сепарации губчатого титана (4,3 т) установка требует монтажа и демонтажа, что усложняет процесс ее эксплуатации. Кроме того, конусная насадка выполнена из металла и при индукционном нагреве она может расплавиться, при этом процесс конденсации происходить не будет.

Наиболее близким по технической сущности является аппарат для разливки и разделения металлов дистилляцией в вакууме (см. заявку на изобретение №94030847, з. 19.08.1994, оп. 27.06.1996, МПК С21С 7/10, включающий подсоединенный к вакуумному насосу цилиндрический корпус, в котором размещены плавильный тигель с нагревательным элементом, конденсатор с ловушкой и кристаллизатор с изложницей, нагревательный элемент выполнен в виде индуктора, обмотка которого расположена вокруг тигля и подсоединена к генератору высокочастотного тока, тигель установлен в корпусе с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси корпуса, или вокруг оси корпуса и имеет механизм поворота, конденсатор снабжен несколькими ловушками, размещенными в одной плоскости на держателе, расположенном на валу под тиглем, причем ловушки конденсатора и изложницы кристаллизатора расположены на держателях на одинаковом расстоянии друг от друга и от валов держателей, а расстояние от осей ловушек до оси вала их держателя равно расстоянию от оси тигля до оси вала держателя ловушек, кроме того, конденсатор и кристаллизатор снабжены механизмами поворота держателей, расположенными снаружи корпуса и подсоединенными к валам этих держателей.

Недостатком известной установки является низкая производительность указанного аппарата. Без дополнительной конусной насадки и защитных экранов паровой поток попадает не только в ловушки конденсатора, но и на стенки камеры, что крайне затрудняет сбор возгонов и разделения их по типам металлов, испаряемых при процессе. Тигель стоит в индукторе, без какого-либо защитного экрана или керамической засыпки (для снижения потерь тепла при плавке и проведения вакуумной дистилляции) - это приводит к большим тепловым потерям и необходимости расходовать большое количество электроэнергии на разогрев и плавление металлов.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые технические решения, являлась разработка экологически чистого способа высокоэффективного разделения золота и серебра из золотосеребряных сплавов путем вакуумной дистилляции с высокой степенью интенсивности и реализующего этот способ устройства, которые позволили бы повысить скорость и эффективность процесса конденсации серебра путем образования зародышевых центров кристаллизации, благодаря формированию высокого давления парогазовых паров в области конденсации серебра и локализации самой области конденсации.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе разделения золотосеребряного сплава путем вакуумной дистилляции, включающем нагрев в плавильном тигле при глубоком вакууме золотосеребряного сплава до температуры испарения серебра с поверхности его расплава и конденсацию серебра из полученной парогазовой смеси в твердое состояние в зоне конденсации охлаждаемого конденсатора, конденсацию серебра из парогазовой смеси осуществляют с созданием условий для появления зародышевых центров кристаллизации путем локализации зоны конденсации в направлении движения потока парогазовой смеси из тигля в зону конденсации при повышении давления парогазовой смеси, с соблюдением соотношения:

Т_к.<Т_пл.,

где Т_к. - температура конденсации,

Т_пл. - температура плавления осаждаемого серебра.

Конденсация серебра из парогазовой смеси, происходящая в области охлаждаемого конденсатора, ограниченной дополнительно установленным ограничивающим экраном, позволяет сократить потери серебра.

Локальная зона конденсации охлаждаемого конденсатора, в которой происходит конденсация серебра из парогазовой смеси, формируется дополнительными защитными экранами, которые сокращают проникновение парогазовой смеси в окружающее пространство, теплоотдача разогретого тигля с расплавом в окружающее пространство значительно снижается, что при наборе заданной температуры и поддержанию ее в ходе процесса вакуумной дистилляции способствует быстрому росту конденсата на водоохлаждаемом конденсаторе, что приводит к увеличению интенсивности разделения золота и серебра из золотосеребряных сплавов.

Поступление парогазовой смеси в локальную зону конденсации охлаждаемого конденсатора для конденсации серебра происходит в строго направленном потоке парогазовой смеси из тигля в зону конденсации, что повышает давление парогазовой смеси.

При этом соблюдается следующее соотношение температур:

Т_к.<Т_пл.,

где Т_к. - температура конденсации,

Т_пл. - температура плавления осаждаемого металла.

Созданные условия направлены на появление зародышевых центров кристаллизации.

Способ осуществляется следующим образом. Золотосеребряный сплав с содержанием серебра от 1 до 90% загружается в графитовый тигель. Затем создается разрежение при помощи вакуумной системы до (1-6)×10^-4 мм рт.ст. Далее разогревается графитовый тигель до температуры 1220-1450°С, а конусная насадка до t=900-1200°С и проводится процесс дистилляции в вакууме. В процессе дистилляции серебра из паровой фазы конденсируются в виде твердых частиц металла на охлаждаемом конденсаторе.

Пример.

Исходным материалом взяты золото-сплав отходы после приемной плавки от шлихового золота, содержащие Au - 68,27%, Ag - 29,15%, Pt - 0,15%, Pd - 0,07%, Ir - 0,01%, остальные примеси 2,35%. Весом 10268 г.

Исходный материал нагревают до температуры 1380°С. Вакуум 6×10^-4 до 8×10^-5 мм рт.ст. Время вакуумной дистилляции 42 минуты.

Химический анализ золотого слитка Au - 98,42%, Ag - 1,26%, Pt - 0,14%, Pd - 0,001%, Ir - 0,01%, остальные примеси 0,169%.

Химический анализ конденсата: металлический мелкодисперсный порошок, снятый с водоохлаждаемого конденсатора Ag - 99,16%, Au - 0,42%, Pd - 0,06%, остальные примеси 0,36%.

За сутки было переработано 104 296 г золотого сплава. Золотые слитки откованы на пневматическом молоте в аноды и направлены на золотой электролиз, а конденсат на пневматическом прессе спрессован в серебряные аноды и направлен на серебряный электролиз.

Выход годного продукта - 99,93%. Потери - 0,025%.

Поставленная задача относительно заявленного устройства для реалиации способа разделения золотосеребряных сплавов путем вакуумной дистилляции решается за счет того, что устройство для разделения золотосеребряного сплава путем вакуумной дистилляции, содержащее вакуумную камеру с размещенным в ней плавильным тиглем с поворотным устройством, выполненным с возможностью опрокидывания тигля, нагревательный элемент в виде индуктора, размещенный вокруг тигля, по крайней мере один охлаждаемый конденсатор с ловушками и изложницу,

дополнительно снабжено теплозащитным экраном, расположенным между обмоткой индуктора и тиглем, и конусной насадкой, установленной на тигле,

охлаждаемый конденсатор выполнен полусферическим,

конусная насадка выполнена из графита,

устройство дополнительно содержит ограничивающий экран, выполненный из тугоплавкого металла, в качестве которого использован титан,

ограничивающий экран выполнен в виде крышки с отверстием под конусную графитовую насадку,

теплозащитный экран выполнен керамическим,

внутри полусферического конденсатора от его середины к краям приварены штыри, расположенные в шахматном порядке для удержания конденсируемого серебра,

плавильный тигель выполнен из графита со сферическим дном,

теплозащитный экран установлен на керамическую подкладку,

ограничивающий экран, выполненный из титана, плотно прилегает к конденсатору и закреплен на нем.

Теплозащитный экран расположен между обмоткой индуктора и тиглем, и конусной насадкой, установленной на керамической подкладке, что в значительной степени снижает тепловые потери на графитовом тигле, в противном случае процесс конденсации серебра на конденсаторе значительно замедлен или невозможен.

Выполнение охлаждаемого конденсатора в виде полусферы облегчает обслуживание его при удалении сконденсированного на нем серебра.

Выполнение конусной насадки графитовой не допускает перегрева при индукционном нагреве и не нарушает работоспособности установки.

Ограничивающий, например титановый, экран, который надевается на конденсатор снизу, служит тому, чтобы паровой поток не покидал пределы замкнутого пространства (графитового тигля, конусной графитовой насадки и конденсатора) и чтобы до минимума снизить распыление парового потока в камеру, что снижает эффективность работы установки.

Конусная насадка обеспечивает строго направленное движение парогазового потока из тигля в зону конденсации, а в зоне конденсации создает повышенное давление паров, забирая на себя часть избыточной тепловой энергии, выполняя хорошо известный принцип Т_к.<Т_пл. (Т_к. - температура конденсации и Т_пл. - температура плавления осаждаемого вещества), что способствует появлению зародышевых центров кристаллизации и приводит к быстрому росту конденсата на конденсаторе.

При этом устройство снабжено тремя конденсаторами, что увеличивает производительность аппарата за счет дополнительных конденсаторов.

На фиг. 1 представлено устройство вакуумной дистилляции для разделения золотосеребряных сплавов.

Устройство вакуумной дистилляции для разделения золотосеребряных сплавов включает:

1. Плавильный тигель (испаритель).

2. Конусная графитовая насадка.

3. Теплозащитный керамический экран.

4. Нагревательный элемент (индуктор).

5. Подставка, на которой установлен теплозащитный экран 3.

6. Изложница графитовая.

7. Полусферический конденсатор.

8. Ограничивающий экран.

9. Удерживающие штыри.

10. Водоохлаждаемый шток.

11. Устройство для опускания и подъема штока 10.

12. Коаксиальный токоподвод.

13. Поворотное устройство опрокидывания.

14. Вакуумная камера, соединенная с высоковакуумными насосами (не показаны)

15. Дверь вакуумной камеры 14.

16. Подкладка керамическая.

17. Опорный ролик.

18. Направляющая штанга.

19. Устройство для перемещения штока 10 вокруг своей оси.

20. Прижимной зажим.

Вакуумная камера 14 соединена с высоковакуумными насосами (не показаны). Внутри вакуумной камеры 14 к коаксиальному токоподводу 12 крепится подставка 5, на которой установлен теплозащитный экран 3. Нагревательный элемент 4, выполненный в виде индуктора, обмотка которого подсоединена к генератору высокочастотного тока (не показан). В индуктор 4 на подкладку 16 ставится плавильный графитовый тигель 1 и вокруг него устанавливается теплозащитный керамический экран 3. На графитовый тигель 1 ставится конусная графитовая насадка 2 на одной вертикальной оси. Сверху над конусной графитовой насадкой 2 расположен ограничивающий титановый экран 8 и полусферический конденсатор 7. Конусная графитовая насадка 2 вставляется в титановый ограничивающий экран 8 и фиксируется керамическими прижимными зажимами 20.

При этом ограничивающий титановый экран 8 выполнен в виде крышки с отверстием под конусную графитовую насадку 2. Ограничивающий титановый экран 8 плотно прилегает к полусферическому конденсатору 7 и крепится на нем. На полусферическом конденсаторе 7 внутри сферы от его середины к краям приварены удерживающие штыри 9 (∅ - 4 мм и h - 6 мм), расположенные в шахматном порядке на расстоянии 10-15 мм друг от друга для удержания конденсируемого металла.

В конкретной заявляемой установке установлены три полусферических конденсатора 7, все они расположены на одном штоке 10 с водяным охлаждением, шток 10 имеет устройство для перемещения вокруг своей оси (привод) 19 в горизонтальной плоскости и устройство 11 (привод) для перемещения в вертикальной плоскости. Относительно друг друга эти полусферические конденсаторы 7 расположены под 120° и в одной горизонтальной плоскости. На всех трех полусферических конденсаторах 7 прикреплены ограничивающие титановые экраны 8, в которые снизу крепятся конусные графитовые насадки 2 при помощи прижимных зажимов 20.

Полусферические конденсаторы 7 размещены в одной горизонтальной плоскости над плавильным тиглем 1.

Параметры конусной графитовой насадки 2 должны удовлетворять определенным требованиям:

- отношение верхнего внутреннего диаметра конусной графитовой насадки 2 к посадочному внутреннему диаметру 0,61-0,65;

- отношение высоты конусной графитовой насадки 2 к посадочному внутреннему диаметру 0,58-0,64;

- отношение постоянного диаметра по высоте от верхнего внутреннего диаметра конусной графитовой насадки 2 к посадочному внутреннему диаметру 0,25-0,3.

Без конусной графитовой насадки процесс конденсации серебра значительно замедлен или невозможен.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Исходный материал – сплав, содержащий золото и серебро, например шлиховое золото, золотосеребряный сплав до 30 кг загружают в графитовый плавильный тигель (1), который предварительно устанавливают в теплозащитный керамический экран (3) на керамическую подкладку (16). Затем по направляющей штанге (18) при помощи роликов (17) закрывают дверь (15) вакуумной камеры (14). Опускают водоохлаждаемый шток (10) до плотного касания графитовой конусной насадки (2) с графитовым плавильным тиглем (1). После этого создают разрежение в вакуумной камере (14) при помощи вакуумной системы (не показана) до 1-6×10^-4 мм рт.ст., затем включают высокочастотный генератор и через коаксиальный токоподвод (12) подают напряжение на медный водоохлаждаемый индуктор (4). Разогревают графитовый плавильный тигель (1) до заданной температуры и проводят процесс дистилляции в вакууме. В процессе дистилляции легко летучие металлы (серебро) из паровой фазы в виде металла осаждаются на полусферическом конденсаторе (7) и удерживаются штырями (9).

По прошествии определенного технологического времени, не прерывая процесса дистилляции, водоохлаждаемый шток (10) поднимается вверх устройством для перемещения штока (11) и при помощи устройства для перемещения штока вокруг своей оси (19) перемещается на 120°. При помощи устройства (11) шток 10 опускается до плотного касания графитовой конусной насадки (2) с графитовым тиглем (1).

Через определенное время, необходимое для осаждения конденсата серебра на конденсаторе, также устанавливают третий конденсатор.

После окончания процесса вакуумной дистилляции шток (10) поднимается вверх, при помощи устройства опрокидывания (13), плавно наклоняется тигель (1) и производится разливка металла в изложницу (6).

После остывания графитового плавильного тигля (1) в вакуумную камеру (14) производится запуск воздуха и открывается дверь (15) при помощи роликов (17) по направляющей штанге (18). Отстегиваются прижимные зажимы (20), производится съем серебряного конденсата с трех полусферических конденсаторов (7) и трех графитовых конусных насадок (2). Из графитовой изложницы (6) вынимается золотой анод, загружается новая порция металла в графитовый тигель (1) и процесс повторяется.

Использование заявленного способа разделения золотосеребряных сплавов путем вакуумной дистилляции и установки для его реализации позволяет в значительной степени увеличить производительность устройства, повысить эффективность (чистоту) разделения металлов, снизить время технологического цикла. Установка проста в эксплуатации, а процесс вакуумной дистилляции проходит без выделения вредных и опасных веществ в окружающую среду.

Изобретение относится к металлургии благородных металлов с получением металлов высокой чистоты. Способ разделения золотосеребряного сплава путем вакуумной дистилляции включает нагрев в плавильном тигле при глубоком вакууме золотосеребряного сплава до температуры испарения серебра с поверхности его расплава и конденсацию серебра из полученной парогазовой смеси в твердое состояние в зоне конденсации охлаждаемого конденсатора. Конденсацию серебра из парогазовой смеси осуществляют с созданием условий для появления зародышевых центров кристаллизации путем локализации зоны конденсации в направлении движения потока парогазовой смеси из тигля в зону конденсации при повышении давления парогазовой смеси. При этом должно соблюдаться соотношение: Т_к.<Т_пл., где Т_к. и Т_пл. - температура конденсации и температура плавления осаждаемого серебра. Способ позволяет увеличить производительность устройства без выделения вредных и опасных веществ в окружающую среду и повысить чистоту разделения металлов, а также снизить время технологического цикла. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения золотосеребряного сплава путем вакуумной дистилляции, включающий нагрев в плавильном тигле при глубоком вакууме золотосеребряного сплава до температуры испарения серебра с поверхности его расплава и конденсацию серебра из полученной парогазовой смеси в твердое состояние в зоне конденсации охлаждаемого конденсатора, отличающийся тем, что конденсацию серебра из парогазовой смеси осуществляют с созданием условий для появления зародышевых центров кристаллизации путем локализации зоны конденсации в направлении движения потока парогазовой смеси из тигля в зону конденсации при повышении давления парогазовой смеси, с соблюдением соотношения:

Т_к.<Т_пл.,

где Т_к. - температура конденсации,

Т_пл. - температура плавления осаждаемого серебра.

2. Устройство для разделения золотосеребряного сплава путем вакуумной дистилляции, содержащее вакуумную камеру с размещенным в ней плавильным тиглем с поворотным устройством, выполненным с возможностью опрокидывания тигля, нагревательный элемент в виде индуктора, размещенный вокруг тигля, по крайней мере один охлаждаемый конденсатор с ловушками и изложницу, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено теплозащитным экраном, расположенным между обмоткой индуктора и тиглем, и конусной насадкой, установленной на тигле.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что охлаждаемый конденсатор выполнен полусферическим.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что конусная насадка выполнена из графита.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит ограничивающий экран, выполненный из тугоплавкого металла, в качестве которого использован титан.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что ограничивающий экран выполнен в виде крышки с отверстием под конусную графитовую насадку.

7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что теплозащитный экран выполнен керамическим.

8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что внутри полусферического конденсатора от его середины к краям приварены штыри, расположенные в шахматном порядке для удержания конденсируемого серебра.

9. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что плавильный тигель выполнен из графита со сферическим дном.

10. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что теплозащитный экран установлен на керамическую подкладку.

11. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что ограничивающий экран, выполненный из титана, плотно прилегает к конденсатору и закреплен на нем.