ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЦЕССА АППАРАТНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ ВОЛЬФРАМА В АВТОКЛАВАХ В МЕТAЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается процесс аппаратурного выщелачивания вольфрама в автоклавах, в частности, технология содового автоклавного выщелачивания. Описаны принципы работы вертикальных и горизонтальных автоклавов, а также основные этапы процесса, включая подогрев пульпы, поддержание давления и температуры, самоиспарение и фильтрацию. Проведен сравнительный анализ различных методов выщелачивания (HCl, NaOH, Na₂CO₃), выявлены их преимущества и недостатки. Показано, что содовое автоклавное выщелачивание является наиболее экономически эффективным и ресурсосберегающим методом, обеспечивающим высокую степень извлечения вольфрама (95-98%) при минимальных экологических рисках.

ABSTARCT

This article examines the process of apparatus washing of tungsten in autoclaves, specifically the technology of soda autoclave washing. The operating principles of vertical and horizontal autoclaves, as well as the main stages of the process, including pulp heating, maintaining pressure and temperature, self-evaporation, and filtration, are described. A comparative analysis of various leaching methods (HCl, NaOH, Na₂CO₃) was conducted, revealing their advantages and disadvantages. It has been shown that soda-based autoclave leaching is the most cost-effective and resource-saving method, ensuring a high degree of tungsten extraction (95-98%) with minimal environmental risks.

Ключевые слова: вольфрам, автоклавное выщелачивание, содовый метод, извлечение металлов, гидрометаллургия, переработка концентратов, ресурсосбережение, высокая температура, давление, химическая обработка.

Keywords: tungsten, autoclave leaching, soda method, metal extraction, hydrometallurgy, concentrate processing, resource conservation, high temperature, pressure, chemical treatment.

Введение. Работа автоклавов при 200-300°С и давлении 16-80 МПа в герметичных реакторах, обеспечивающих высокое давление аппаратного выщелачивания ускоряется окисление выделяемых компонентов воздухом за счет изменение нижеследующих параметров:

• изменение температура процесса,
• увеличение скорости,
• повышение степени разделения
• увеличение растворимости O₂ за счет повышения давления
• снижение расхода реагентов,
• сокращение продолжительности процесса

В отраслях промышленного производства выщелачивание осуществляется в трех типах содовых автоклавов:

1. Вертикальные автоклавы периодического или непрерывного действия с нагревом и перемешиванием пульпы острым паром;

2. Горизонтальные вращающиеся автоклавы с острым паровым отоплением;

3. Автоклавы с вертикальным смесителем и нагревом глухим паром [1].

Вольфрамовые руды: генетический тип и технологические характеристики. На данном этапе определяется или уточняется генетический тип рудопроявления вольфрамовых руд. Это основано на исследовании совокупности химических, физических, механических и других свойств отдельных минералов и их ассоциаций.

Ключевое значение имеют параметры, характеризующие условия образования руд — температура, давление, а также особенности минералообразующей среды, такие как вариации кислотно-основных и окислительно-восстановительных параметров, парциальное давление паров, состав растворов и расплавов. Такие свойства называются типоморфными признаками. Данный вопрос детально изучался в работах многих исследователей, включая Ф.Э. Апельцина, В.Ф. Барабанова, О.В. Брызгалина, И.В. Булдакова, В.К. Денисенко, Ю.Г. Иванова, Г.Ф. Ивановой и других.

С другой стороны, исследования Л.А. Барского, В.З. Блисковского, А.И. Гинзбурга, Ю.Г. Грекуловой, Н.В. Иванова, О.П. Иванова и их коллег показали, что химический состав минералов, концентрации микропримесей и физические свойства оказывают значительное влияние на оценку качества минерального сырья. Эти характеристики, наряду с изучением поверхности минералов, дефектности кристаллов и рудных ассоциаций, являются ключевыми при выборе методов рудоподготовки, обогащения и управления технологическими процессами.

Таким образом, комплексный подход к анализу вольфрамовых руд позволяет не только уточнить их генетическую природу, но и разработать наиболее эффективные методы их переработки [3, 6].

Объект и методы исследования. Пульпа, нагретая острым паром в агитаторах, опускается в автоклав и подается в автоклав с помощью насоса для поддержания давления и температуры, а также для дополнительного перемешивания. После окончания выщелачивания пульпа самопроизвольно поступает в испаритель, где пар отделяется от пара в пароотражателе и направляется на фильтрацию. Первым экономическим достижением является направление выделившегося остаточного пара в процесс предварительного нагрева пульпы перед ее выщелачиванием.

Рисунок 1. Автоклавная установка с горизонтально вращающимся автоклавом:

1 – автоклав; 2 – загрузочная труба для пульпы (по ней же вводится пар); 3 – пульповой насос; 4 – манометр; 5 – реактор-подогреватель пульпы; 6 – самоиспаритель; 7 – каплеотделитель; 8 – ввод пульпы в самоиспаритель; 9 – отбойник из броневой стали; 10 – труба для отвода пульпы; 11 – сборник пульпы.

Исходная пульпа, подаваемая в автоклавы с помощью насоса, нагретого паром до 80-100°C, нагревается острым паром до 200-225°C. Давление поддерживается путем выпуска пульпы через дроссель (калиброванную шайбу из твердого сплава) в автоклаве, и пульпа самопроизвольно поступает в испаритель при давлении до 0,15-0,2 МПа, что обеспечивает быстрое охлаждение в результате интенсивного испарения, отделение пара и поступление в сборник.

Технически совершенным способом организации процесса выщелачивания богатых концентратов (более 58% WO₃) является двухстадийная противоточная выщелачивание с барботажным перемешиванием, высокое извлечение вольфрама в растворе - 95-98%, что обеспечивает высокую производительность и снижение расхода соды [1-2].

После предварительного выщелачивания пульпа сгущается и переходит в твердую фазу, процесс завершается после репульпации, и на втором этапе выщелачивания отходы первого выщелачивания, содержащие 15-20% вольфрама по сравнению с исходным, обрабатываются новым раствором, содержащим большое количество соды. Полученный в результате этого процесса раствор без дополнительного упрочнения направляется на первую стадию выщелачивания и по окончании стадии направляется на очистку от примесей и концентрирование вольфрама.

Параметры выщелачивания

• температура,
• концентрация соды,
• использование системы автоматического регулирования плотности пульпы позволяет использовать оборудование на высоком уровне и утилизировать тепло.

В данной статье, учитывая небольшую производительность, то есть периодический режим и небольшой размер аппарата, был выбран вертикальный автоклав с мешалкой и электронагревателем:

• расчёт материальных потоков основан на законе сохранения масс.
• расчет тепловых балансов осуществлялся на основе закона сохранения энергии, тепловые эффекты химических реакций выполнялись методом Тимкина-Шварцмана.

В качестве объекта исследования, полученного в статье, был использован цех выщелачивания вольфрамового концентрата в содовом автоклаве с использованием методологии теоретических исследований, заключающейся в ознакомлении с научными работами, проведенными в этой области по извлечению вольфрама, для накопления достаточной теоретической базы [2].

Таблица 1.

Химический состав и технологические параметры вскрытия вольфрамового концентрата

Рисунок 2. Состав вольфрамового концентрата

Данные использовались в качестве исходной базы для проведения необходимых расчетов и последующего проектирования. В статье приведены технологические и экономические расчеты автоклава, освещены вопросы строительства и организации работы цеха выщелачивания вольфрамового концентрата в содовом автоклаве. Также были рассмотрены вопросы охраны окружающей среды и труда.

Таблица 2.

Сравнение технологий переработки вольфрам содержащего сырья

Анализ конкурентоспособных технических решений с точки зрения ресурсоэффективности и ресурсосбережения позволяет оценить сравнительную эффективность научной разработки с существующими аналогами и определить направления ее дальнейшего совершенствования. Для анализа были выбраны три технологии переработки вольфрамосодержащего сырья [2, 4].

Таблица 3.

Оценочная карта для сравнения конкурентных технологий переработки вольфрамсодержащего сырья

На основании оценочной карты можно сделать вывод, что технология выщелачивания в содовом автоклаве более конкурентоспособна по сравнению с кислотным (хлоридным) и щелочным (NaOH) методами растворения.

Основные преимущества этой технологии:

• Регенерация реагента, используемого в процессе выщелачивания, снижает себестоимость продукта.
• Технология позволяет эффективно перерабатывать богатые вольфрамом (45-64% WO₃) и низкосортные (5% WO₃) концентраты.
• Нет необходимости доводить низкосортные концентраты до кондиционных концентратов путем дополнительного обогащения (процесс, требующий больших затрат).
• Реагент, используемый в процессе выщелачивания, довольно дешевый.

Хотя основным сложным аспектом технологии содового автоклава является необходимость работы под высоким давлением, этот фактор не снижает эффективность технико-экономических показателей.

Заключение.

В данной статье рассматривается процесс аппаратного выборочного выщелачивания вольфрама в автоклавах. Основное внимание уделено технологии содового автоклавного выборочного выщелачивания, которая позволяет повысить эффективность извлечения вольфрама, снизить расход реагентов и минимизировать потери.

Применение автоклавов при температуре 200–300°С и давлении 16–80 МПа увеличивает растворимость кислорода, что способствует ускорению окислительных процессов. Сравнительный анализ трех методов переработки вольфрамсодержащего сырья (HCl, NaOH, Na₂CO₃) показал, что технология содового автоклавного выборочного выщелачивания обладает рядом конкурентных преимуществ. В частности, она обеспечивает регенерацию реагента, снижая себестоимость производства, а также позволяет эффективно извлекать вольфрам из как богатых, так и бедных концентратов (до 5% WO₃). Кроме того, применение данной технологии устраняет необходимость в дорогостоящем предварительном обогащении бедного сырья [1, 2, 5-6].

Несмотря на необходимость работы при высоком давлении, данная технология демонстрирует высокие технико-экономические показатели.

Список литературы:

1. Гартман А. Ю. Физическое осаждение карбоната натрия в технологическом процессе получения вольфрамсодержащей продукции / А. Ю. Гартман; науч. рук. Ю. В. Передерин // Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени профессора Л.П. Кулёва, посвященной 120-летию Томского политехнического университета, 17-20 мая 2016 г., г. Томск. –Томск: Изд-во ТПУ, 2016. – [С. 407-408].
2. Гартман А.Ю. Физическое осаждение карбоната натрия в технологическом процессе получения вольфрамсодержащей продукции / А. Ю. Гартман, А.Н. Дьяченко, Р.И. Крайденко, Ю.В. Передерин// Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине: сборник тезисов докладов VIII Международной научно-практической конференции, г. Томск, 1-3 июня 2016 г. – Томск: Изд-во ТПУ, 2016. – [С. 131].
3. Turobov, S. N., Boymurodov, N. A., & Xo‘jakulov, A. M. (2024). TEXNOGEN CHIQINDILARDAN VOLFRAMNI CHUQUR BOYITISH TEXNOLOGIK USULLARI VA SAMARADORLIGINI TADQIQ QILISH. Sanoatda raqamli texnologiyalar, 2(4-1), 26-30.
4. Khojakulov, A., Ruziyev, U., Boymurodov, N., Shernazarov, I., Mashaev, E., & Shoyimova, K. (2024). Research and determination of parameters for extracting valuable components from technological waste. In BIO Web of Conferences (Vol. 149, p. 01049). EDP Sciences.
5. Хасанов, А. А., Туробов, Ш. Н., Боймуродов, Н. А., & Хужакулов, А. М. (2024). СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ ВОЛЬФРАМОВЫХ РУД ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОБЫЧИ. Universum: технические науки, 2(10 (127)), 24-27.
6. Пирматов, Э. А., Шодиев, А. Н. У., & Боймуродов, Н. А. (2023). ИЗУЧЕНИЕ РАСТВОРИМЫХ ФОРМ ВОЛЬФРАМА И УСЛОВИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ШЕЕЛИТА И ВОЛЬФРАМИТА. Universum: технические науки, (11-2 (116)), 15-19.