Исследование влияния параметров хлорного аффинирования на показатели процесса

 

(2 часа)

 

Цель работы: Освоение методики изучения процесса хлорного аффинирования и определения уровня качества золота по содержанию менее ценных примесей. Исследование влияния параметров процесса хлорного аффинирования на качество и на извлечения металла из чернового сплава.

 

Теоретическая часть.

 

Аффинаж — разделение благородных металлов и получение их в чистом виде. Составы некоторых продуктов, поступающих на аффинаж, приведены в таблице 10. В металлургии благородных металлов концентрацию элемента в готовом металле принято выражать не в процентах, а в пробах: 1 проба = 0,1%.

 

Таблица 10

Химический состав сплавов, поступающих на аффинаж

 

Наименование сплава	Содержание, проб
	Au	Ag	Pt	Pd
Сплав медно-электролитных заводов (металл Доре)	20-100	850-950	0-1,5	0-3
Сплав свинцово-цинковых заводов	1-35	950-995	0-0,01	0-0,1
Лом, монета	0,1-1	500-850	-	-

 

Поступающие на аффинаж материалы подвергают приемной плавке с целью получения однородного по химическому составу сплава, опробования, частичного удаления нежелательных примесей и получения нужной формы сплава для его последующей переработки. Приемную плавку осуществляют в электрических индукционных печах.

Этапом первичной очистки является хлорное аффинирование. Аффинаж хлорированием дешевле электролитического процесса и пригоден для рафинирования золота любой чистоты. Основной недостаток его - получение недостаточно чистого золота, обычно 994—996-й пробы. К числу недостатков этого способа также сле­дует отнести существенные потери серебра и платиновых металлов (если они присутствуют в исходном металле), которые остаются в очищенном золоте. Сущность этого метода заключается в продувании газообраз­ного хлора через расплавленный рафинируемый металл. Хлор в первую очередь взаимодействует с неблагородными металлами и серебром; золото и металлы платиновой группы реагируют в по­следнюю очередь. Образующиеся расплавленные хлориды неблагородных ме­таллов и серебра не растворяются в металлическом золоте и, имея меньшую плотность, всплывают на поверхность. Отделение хлоридов от золота не представляет труда. Часть хлоридов не­благородных металлов переходит в газовую фазу. Примерное представление о порядке образования хлоридов можно составить на основе величин изменения изобарно-изотермического потенциала реакций образования хлоридов, приведен­ных ниже:

                                                                      DG₂₉₈⁰, ккал/моль

 

Zn + Cl₂ = ZnCl₂ …………………………………… - 88,3                    (1)

Pb + Cl₂ = PbCl₂ ……………………………………. - 75,0                   (2)

Fe + Cl₂ = FeCl₂ ……………………………………. - 72,2                    (3)

2Cu + Cl₂ = 2CuCl₂ ………………………………… - 56,4                   (4)

2/3Fe + Cl₂ = 2/3FeCl₃ ………………………………- 53,6                   (5)

2Ag + Cl₂ = 2AgCl …………………………………. - 52,4                   (6)

2Au + Cl₂ = 2AuCl₂ ………………………………… - 8,4                     (7)

2/3Au + Cl₂ = 2/3AuCl₃ ……………………………...- 7,7               (8)

 

 

Как видно из этих данных, в первую очередь следует ожидать образования хлоридов неблагородных металлов, затем - серебра и в последнюю очередь золота. Хлорный процесс ведут в графитовых тиглях с корундовой футеровкой в индукционной электрической печи. Емкость тигля зависит от масштаба производства и может достигать 470 кг (по золоту). Для образования тонкого слоя шлака в тигель загружают смесь буры и кварца.

 

Рисунок 22 Изменение содержания примесей в золоте при хлорировании

 

 

Через крышку тигля в расплав вводят трубку из огнеупорного материала (кварца, фарфора, шамо­та), по которой подают газообразный хлор. Про­цесс ведут при темпера­туре 1150°. С. Подачу газа регулируют таким образом, чтобы не было бурления расплава. Шлак периодически удаляют и заменяют свежей порцией буры и кварца по мере загущения шлака и насыщения его хлоридами.

На рисунке 22 показано изменение содержания примесей в рафинируемом золоте в процессе хлори­рования. Как видно из этих данных, в реальных условиях хлорного про­цесса порядок перехода примесей в хлориды, в общем, такой же, как это сле­дует из термодинамиче­ских расчетов. Некоторое повышение содержания серебра и цинка в золоте в начальный пе­риод процесса объясняется добавкой оборотного шлака, содержащего эти металлы

В зависимости от качества металла и порошков, содержания примесей при плавке добавляют смеси соды, буры и песка с различным соотношением компонентов. Соотношение компонентов для различных материалов представлено в таблице 11.

 

Таблица 11

Состав шлакообразующих смесей при хлорном аффинировании и при переплавке цианистых осадков

 

Характеристика осадка	Компоненты шихты, частей на 100 частей металла (осадка)
	сода	бура	песок	Плавиковый шпат
Чистый осадок с небольшим количеством примесей (кварц, глина)	4	50	3	-
Металл содержит много цинка и мало примесей (кварц, глина)	15	50	15	-
Металл содержит много примесей (кварц, глина, силикаты)	35	30	-	2

 

К концу процесса аб­сорбция хлора расплавом замедляется, поэтому скорость подачи хлора уменьшают. Конец процесса определяют по желтому налету золота на трубке, подводящей хлор, в крышке тигля. По окон­чании хлорирования шлак снимают, и очищенное золото переводят в миксер для разливки в слитки. Продолжительность процесса колеблется от 1 до 3 ч. Полученное золото имеет обычно 994 — 996-ю пробу.

Снятые хлориды содержат довольно значительное количество запутавшихся в них корольков золота. Для извлечения золота хлориды переплавляют в тиглях с добавкой 7% соды. При этом часть серебра восстанавливается по реакции:

 

2AgCl + Na₂CO₃ = 2Ag + 2NaCl + CO₂ + ½ O₂                                  (9)

 

Серебро, опускаясь на дно, увлекает большую часть золота, находяще­гося в хлоридах. При необходимости операцию повторяют не­сколько раз. Полученный серебряно-золотой сплав снова поступает на хлорирование вместе с новой партией золота.

Хлориды служат сырьем для получения серебра. По одному из вариантов измельченные хлориды помещают в мешки из филь­тровальной ткани и загружают в ванну, в которой находятся куски листового железа. Ванну заполняют слабым раствором сер­ной кислоты и нагревают паром до 90—100° С. Медь при этом це­ментируется на железе и осыпается на дно ванны. Серебро восста­навливается непосредственно в мешках. Длительность процесса составляет 1—2 суток. Восстановленное серебро промывают и плавят в слитки 994—996-й пробы. Возможны и другие методы переработки хлоридов, в частности переплавка их с содой с полу­чением металлического серебра.

В настоящее время хлорный процесс широко применяется в ЮАР. Металл, поступающий на аффинаж, содержит 88% золота 9% серебра, небольшое количество цинка, меди, железа и других примесей. Очищенное золото (чистотой 995—996 пробы) исполь­зуется в качестве валютного металла. Основная примесь в нем — серебро.

 

Экспериментальная часть.

 

Описание экспериментальной установки

 

Экспериментальная установка для изучения процессов хлорного рафинирования благородных металлов представлена на рисунке 23.

 

 

Рисунок 23 Экспериментальная установка для изучения процессов хлорного рафинирования благородных металлов

 

Хлор для хлорирования получают электролизом водного раствора хлорида натрия. В анодное пространство 7 и катодное 8 помещаются электроды 9, к которым подсоединены соответствующие потенциалы выпрямителя. В обеих емкостях 7, 8 налит 20% водный раствор хлорида натрия. Емкости соединены электролитическим ключом 10. Хлор осушается силикагелем или прокаленным хлоридом кальция в поглотителе 6. Расход хлора измеряется поплавковым расходомером и регулируется силой тока подаваемого на электролиз и величиной электродов. Тигель 3 с расплавленным металлом находится в печи Таммана 4. Температура в печи контролируется милливольтметром 1 в комплекте с термопарой 2. Хлор поступает в тигель с металлом по керамической трубке 11. Печь помещается под вытяжку.

 

Порядок выполнения работы.

 

1. Получить в установленном порядке черновое золото 200-800 пробы.

2. Подсоединить электролизер к выпрямителю и выдержать 20-25 мин до стабилизации выделения хлора. Установить расход хлора по заданию преподавателя. Керамическую трубку 11 расположить под вытяжкой.

3. Поместить золото в тигель и расплавить при температуре 1100-1200⁰С с добавкой соды и буры в соотношениях по заданию преподавателя. Погрузить керамическую трубку в тигель.

4. Периодически 1 раз в 20-30 минут производить съем шлака и наводить новый. Перед наведением шлака отобрать ложкой пробу золота, взвесить ее.

5. Провести анализ металла на содержание золота. Для этого пробу металла поместить в стакан и залить избытком концентрированной азотной кислоты (в вытяжном шкафу). Дождаться когда пройдет реакция, отогнать из раствора на плитке остатки окислов азота. Чистое золото 999 пробы останется в виде бурого порошка. Раствор осторожно декантировать. Раствор сдать. Несколько раз промыть осадок дистиллированной водой, декантируя. Отфильтровать промытый осадок золота. Переплавить осадок и взвесить полученный слиток.

6. Опыт проводить до достижения качества золота 995-997 пробы. Все результаты записывать в таблицу 12

7. Провести опыт по хлорному аффинированию с различным отношением массы шлакообразующих к массе рафинируемого металла М_ш, при различном времени между наведением и удалением шлака t_ш, при разных температурах и расходах хлора в единицу времени на единицу аффинируемого металла Q (Cl₂)_уд

 

Обработка экспериментальных данных

 

1. Рассчитать концентрацию золота С_Au в отобранных пробах как отношение массы чистого золота 999 пробы к массе отобранной пробы металла. Построить график зависимости концентрации золота в металле от времени. В нескольких точках построить касательные к кинетической кривой и найти скорость реакции w_Au как тангенс угла наклона касательной.

 

Таблица 12

Условия и результаты хлорной аффинирующей плавки

 

Условия опытов					Время, мин	СAu, в долях	Результаты опытов
Мш, г/г	Q (Cl2)уд, г/мин*г	tш, мин	Au, в долях	Т, 0С			wAu	ХAu, %	Au аф, в долях

 

 

2. Рассчитать удельный расход шлакообразующих за весь период аффинирующей плавки как отношение всей массы шлакообразующих к массе полученного металла.

3. Рассчитать массу выделившегося хлора за закону Фарадея:

 

M _Cl2 = Э_Cl2 * I * Dt,                                                                               (10)

 

где: Э_Cl2 – электрохимический эквивалент хлора = (70,8/2) / 96500 = 0,000366 (70,8 г/моль – молярная масса эквивалента хлора, 2 – число участвующих электронов, 96500 Кулон – число Фарадея)

I – сила тока, А

Dt – время электролиза, сек

 

4. Рассчитать удельный расход хлора на аффинирующую плавку по формуле:

 

Q (Cl₂)_уд = M _Cl2 / t * М_Au                                                             (11)

 

 где: t - время аффинирующей плавки, мин

М_Au – масса аффинируемого металла, грамм

 

5. Рассчитать степень извлечения золота по формуле:

 

Х_Au = (М_Au^аф * Au ^аф / М_Au * Au) * 100%                                                   (12)

 

где: М_Au^аф - масса металла после аффинирования, г

Au ^аф, Au – доля золота в металле в после и до аффинирования соответственно

 

6. Рассчитать удельный расход шлакообразующих как отношение массы шлакообразующих к массе металла после аффинирования.

7. На основе полученных экспериментальных данных при помощи математического пакета статистической обработки данных вывести многофакторную зависимость типа: Х_Au = f (t_ш, Q (Cl₂)_уд, М_ш, Т), время аффинирования = f ((t_ш, Q (Cl₂)_уд, М_ш, Т)

 

Вопросы допуска

 

1. Какова цель работы?

2. Ход выполнения работы?

3. Какие закономерности исследуются в данной работе?

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое аффинаж? Какой химический состав сплавов, поступающих на аффинаж? В каких единицах измеряется концентрация драгоценных металлов в сплавах?

2. В чем заключаются хлорное аффинирование золота?

3. Какие химические реакции протекают при хлорном аффинировании?

4. Как изменяется концентрация элементов при хлорном аффинировании? Подтвердите термодинамическими данными?

5. Что используется в качестве шлакообразующих добавок при аффинировании золота и в каких соотношениях?

6. Опишите технологию хлорной аффинирующей плавки золота?

7. Как перерабатываются хлориды, получаемые при хлорном аффинировании?

8. Какие были установлены закономерности и сделаны выводы?

 

Лабораторная работа № 6