автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Интенсификация подземного и кучного выщелачивания металлов из полиметаллических руд с использованием токов с прямоугольными импульсами переменной полярности

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований

1.1. Методы интенсификации подземного и кучного выщелачивания

1.2. Способы электромагнитной интенсификации подземного и кучного выщелачивания металлов

1.3. Интенсификация подземного и кучного выщелачивания металлов воздействием тока с прямоугольными импульсами переменной полярности

1.4. Задачи исследований

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Распределение токов и напряжений между минералом и электролитом при электрохимическом выщелачивании с учетом э.д рудных гальваничих микроэлементов

2.1. Схема электрической цепи гальванического полуэлемента при выщелачивании минералов руд

2.2. Дифференциальные уравнения для расчета распределения тока и напряжения вдоль контакта между минералом и электролитом

2.3. Распределение тока и напряжения вдоль контакта между минералом и электролитом при естественном выщелачивании

2.4. Распределение тока и напряжения между минералом и электролитом при наложении на естественное выщелачивание постоянного тока

2.5. Распределение тока и напряжения между минералом и электролитом при наложении на естественное выщелачивание постоянного, реверсируемого с инфранизкой частотой, тока

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Лабораторные исследования физико-химических свойств рудных минералов и выщелачивающих растворов

3.1. Физико-химические свойства сернокислотно-хлоридных растворов для выщелачивания полиметаллических руд

3.2. Электродный потенциал некоторых сульфидных минералов в сернокислотно-хлоридных растворах

3.3. Величина емкости двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности некоторых сульфидных минералов

3.4. Толщина пленок сернокислотно-хлоридных растворов на поверхности выщелачиваемого тела при пленочном режиме течения

3.5. Моделирование анодного растворения минералов при пленочном движении растворов и действии реверсируемого постоянного тока

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Электрохимическое выщелачивание полиметаллической руды под действием тока с прямоугольными импульсами переменной полярности

4.1. Описание установки и методика исследований

4.2. Экспериментальные исследования влияния частоты реверса постоянного тока на основные показатели выщелачивания

4.3. Электрохимическое выщелачивание под действием тока с прямоугольными импульсами переменной полярности

4.4 Кинетическое исследование электрохимического выщелачивания под действием тока с прямоугольными импульсами переменной полярности 4.5. Выводы по главе

Актуальность темы

Использование электроинтенсификаторов подземного и кучного выщелачивания, в том числе и реверсируемого с инфранизкой частотой постоянного тока, сдерживается высоким расходом электроэнергии. В связи с этим теоретические и экспериментальные исследования, ведущие к снижению энергозатрат на осуществление процесса, являются актуальными.

Цель работы

Разработка энергосберегающей технологии электроинтенсификации выщелачивания металлов из полиметаллических руд.

Основная идея работы

Использование тока с прямоугольными импульсами переменной полярности.

Методы исследования

Теоретическая часть исследования выполнена с использованием теории электрических цепей с распределенными параметрами. Экспериментальная часть проведена с применением методов математического планирования эксперимента, физической и аналитической химии. Идентификация математических моделей осуществлена с применением ЭВМ. Все уравнения регрессии адекватны экспериментальным данным с уровнем значимости 0,05.

Научная новизна

1. Аналитическим путем установлены закономерности распределения токов и напряжений между выщелачивающим раствором и рудными минералами с учетом э.д.с. рудных гальванических микроэлементов. Определены возможные способы управления процессом выщелачивания при использовании тока с прямоугольными импульсами переменной полярности.

2. Изучены некоторые физико-химические свойства сернокислотно-хлоридных растворов (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность), применяемых при выщелачивании металлов из полиметаллических руд.

3. Впервые экспериментально определены электрохимические потенциалы некоторых сульфидных минералов (галенита, пирита, сфалерита и халькопирита) и величины емкости двойного электрического слоя на их поверхности в сернокислотно-хлоридных растворах.

4. Создана математическая модель пленочного режима течения раствора по поверхности минералов как функции состава раствора, скорости его подачи и угла наклона поверхности минерала. Исследовано влияние толщины пленки раствора на анодное растворение металлических пластин как модели рудных минералов.

5. Исследовано влияние частоты реверса постоянного тока и скважности прямоугольных импульсов тока переменной полярности на выщелачивание бедных полиметаллических руд. Установлено, что оптимальная частота реверса тока находится в пределах 0,28 - 0,34 Гц, а скважность - 3,22 - 3,26. При этой скважности удельный расход энергии снижается в 2,33 раза, а суточное извлечение металлов - только в 1,16 раза по сравнению с использованием реверсируемого с инфранизкой частотой постоянного тока.

6. Произведен кинетический анализ экспериментальных данных. Установлено, что при использовании тока с прямоугольными импульсами переменной полярности скорость выщелачивания незначительно ниже скорости процесса при воздействии реверсируемого постоянного тока.

На основе теоретических разработок и экспериментальных исследований создано изобретение, на которое выдан патент РФ №2116440.

Практическое значение работы

1. На основе полученных математических моделей распределения токов и напряжений в системе минерал-раствор могут быть определены оптимальные параметры токового воздействия для руд любого месторождения.

2. Проведенными исследованиями доказано, что использование тока с прямоугольными импульсами переменной полярности позволяет существенно снизить удельный расход энергии на выщелачивание по сравнению с реверсируемым с инфранизкой частотой постоянным током.

3. Определены оптимальные области технологических параметров.

4. Разработанный способ интенсификации выщелачивания с использованием тока с прямоугольными импульсами переменной полярности испытан в лабораторных условиях и дал положительные результаты.

Положения, выносимые на защиту

1. Аналитические выражения распределения тока и напряжения в системе минерал-раствор при естественном выщелачивании, воздействии постоянного тока или реверсируемого с инфранизкой частотой постоянного тока с учетом э.д.с. рудных гальванических микроэлементов, а также способы управления процессом выщелачивания при использовании тока с прямоугольными импульсами переменной полярности, следующими с инфранизкой частотой.

2. Математические модели:

• плотности, вязкости, поверхностного натяжения и электропроводности сернокислотно-хлоридных растворов от их состава и температуры;

• электрохимических потенциалов и величины емкости двойного электрического слоя на поверхности галенита, пирита, сфалерита и халькопирита в сернокислотно-хлоридных растворах;

• толщины пленки раствора, протекающего по поверхности минералов, от состава и скорости подачи раствора и отклонения поверхности от вертикали;

• влияния толщины пленки раствора на анодное растворение металлических пластин как модели рудных минералов.

3. Регрессионные зависимости влияния частоты реверса постоянного тока и скважности прямоугольных импульсов тока переменной полярности, следующих с инфранизкой частотой, на основные показатели выщелачивания бедной полиметаллической руды: суточное извлечение металлов, удельный расход энергии и выход по току.

4. Кинетические модели кумулятивных показателей выщелачивания -извлечения металлов и выхода по току.

Апробация работы

Положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГТУ (г. Владикавказ) в 1997 - 1999 гг.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях и одном патенте РФ на изобретение (№2116440).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, библиографического списка из 72 наименований и содержит 129 стр. машинописного текста, 51 рисунок и 28 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнено теоретико-экспериментальное исследование по подземному и кучному выщелачиванию полиметаллических руд цветных металлов при воздействии на рудную массу тока с прямоугольными импульсами переменной полярности, следующими с инфранизкой частотой.

2. Получены математические модели распределения токов и напряжений между выщелачивающим раствором и рудными минералами вдоль поверхности последних с учетом э.д.с. рудных гальванических микроэлементов для естественного выщелачивания, выщелачивания с наложением постоянного и реверсируемого с инфранизкой частотой постоянного тока.

3. Определены возможные способы управления процессом выщелачивания при использовании тока с прямоугольными импульсами переменной полярности.

4. Физико-химические свойства сернокислотно-хлоридных электролитов (вязкость, плотность, поверхностное натяжение) впервые изучены на многокомпонентных системах. Установлено определяющее влияние концентрации хлорида натрия, содержание серной кислоты сказывается в меньшей степени. По степени влияния на электропроводность электролитов исследованные параметры располагаются в следующей последовательности: концентрация хлорида натрия - температура - концентрация серной кислоты.

5. Впервые изучено влияние состава растворов на электродный потенциал минералов (галенита, пирита, сфалерита, халькопирита). Наибольшее влияние на потенциалы первых трех минералов оказывает концентрация хлорида натрия, влияние содержания серной кислоты менее заметно. Для потенциала халькопирита отмечено обратное влияние составляющих компонентов растворов.

6. Впервые получены результаты измерения величины емкости двойного электрического слоя, возникающего на поверхности перечисленных сульфидных минералов. Установлены зависимости величины емкости ДЭС от состава раствора. Наибольшее влияние на эту величину оказывает содержание хлорида натрия в растворе.

7. Толщина пленок сернокислотно-хлоридных растворов впервые исследована как функция состава и скорости подачи растворов, а также угла отклонения поверхности минерала от горизонтали. Установлено, что толщина пленок в первую очередь зависит от скорости подачи растворов, а затем - от угла отклонения поверхности. Влияние состава или плотности раствора малозаметно.

8. Доказана корректность использования металлических пластин как модели для изучения анодного растворения минералов. Установлено, что увеличение толщины пленок растворов на поверхности выщелачиваемого (растворяемого) тела приводит к уменьшению выхода по току, т.е. снижению скорости процесса. Влияние частоты реверса постоянного тока на выход по току имеет экстремальный характер с максимумом, приходящимся на частоту, значение которой хорошо согласуется с теоретическими исследованиями и данными литературы.

9. Проведено исследование электрохимического выщелачивания сульфидной полиметаллической свинцово-цинковой руды с использованием тока с прямоугольными импульсами переменной полярности.

10. Изучено влияние скважности импульсов тока на основные показатели выщелачивания. Установлено, что при оптимальной скважности 3,24 (коэффициент обратной скважности к = 0,3085) снижение удельного расхода энергии в 2,01 раза выше по сравнению с уменьшением суточного извлечения металлов.

11. Проведено кинетическое исследование выщелачивания с использованием тока с прямоугольными импульсами переменной полярности. Сопоставление результатов кинетического анализа указанного токового воздействия с показателями, достигаемыми с применением реверсируемого постоянного тока, показало незначительное снижение скорости процесса.

1. Подземное и кучное выщелачивание металлов./Лисовский Г.Д., Лобанов Д.П., Назаркин В.П. и др. (Под ред. Волощука С.Н.) //М.: Недра, 1982 113 с.

2. Калабин А.И. Добыча полезных ископаемых подземным выщелачиванием и другими геотехнологическими методами. М.: Атомиздат, 1981. 304 с.

3. Строительство и эксплуатация рудников подземного выщелачивания. /Мосинец В.Н., Тедеев М.Н., Лобанов Д.П. и др. Под ред. проф. Мосинца В.Н. /1М.: Недра, 1987.-304 с.

4. Халезов Б.Д., Павличенко Г.А., Храменкова Д.П., Борисков Ф.Ф. /Интенсификация выщелачивания металлов из руд углесодержащими добавками// Там же. С. 13 14.

5. Бейсембаев Б.Б., Катков Ю.А., Говядовская О.Ю., Сысалова Л.В. Перко-ляционное выщелачивание сульфидной свинцово-цинковой руды // Там же. С. 80.

6. Дикарев Н.Л., Кузнецов Г.В., Моисеев Н.М., Яковенков А.Г. Подземное выщелачивание медно-колчеданного месторождения //Там же. с. 153 155.

7. Махмудбекова Н.И., Зайналова Э.Н., Касимова A.A., Межлумова М.Р., Аветисян Е.Е. //Там же. с. 177 181.

8. Халезов Б.Д. Состояние и перспективы развития кучного и подземного выщелачивания цветных металлов из руд //Там же. С. 117-118.

9. Исследования по применению электрических полей для выщелачивания медных руд /Отчет о НИР, научн. рук. Озолин JI.T.//M.: МГИ, 1973. 89 с.

10. Озолин JI.T., Русихина Л.П. Физико-химические методы добычи полезных ископаемых. Уч. пособие /М.: МГИ, 1975. 152 с.

11. Мосинец В.Н. Геотехнологические методы добычи цветных и редких металлов //Цветная металлургия. ЦНИИ ЭИЦМ. 1992. №2. С. 24 30.

12. A.c. 815059 СССР. Способ выщелачивания сульфидных руд и концентратов/Рыбаков Ю.С., Перов Н.В., Ермилов В.И., Зорихин Н.П. //Открытия. Изобретения. 1981, № 35.

13. Кондратьев Ю.И., Кондратьев Д.Ю. Способы подземного и кучного электрохимического выщелачивания металлов из руд //Владикавказ. Труды СКГТУ.1997. вып. 3. С. 29 32.

14. Технико-экономическое обоснование применения электрических полей для интенсификации процессов выщелачивания меди из медных руд /Отчет о НИР. Научн. рук. акад. Мельников H.B. //М.: МГИ, 1969.

15. Исследования по применению электрических полей для выщелачивания медных руд /Отчет о НИР. Научн. рук. Озолин Л.Т. //М.: МГИ, 1975. 72 с.

16. Исследования по применению электрических полей для интенсификации выщелачивания медных руд /Отчет о НИР. Научн. рук. Озолин JI.T. //М.: МГИ, 1976. 89 с.

17. Халезов Б.Д., Перов Н.В. Руденко Н.К., Озолин JI.T. Исследование интенсификации процесса выщелачивания меди из руд в электрических полях высокой частоты. //Тр. УНИПРОМеди, т. 16. Свердловск, 1973. С. 165 171.

18. Руденко Н.К. Исследование интенсификации процесса выщелачивания меди из руд воздействием внешнего высокочастотного электромагнитного поля. //Физика горных пород и процессов. М.: 1971. С. 295 296.

19. Пути интенсификации подземного выщелачивания. /Кошколда К.Н., Пименов М.К., Атакулов Т. и др.; под. ред. Чеснокова Н.И. М.: Энергоатомиздат,1983. 224 с.

20. Пюшнер Г. Нагрев энергией СВЧ. М.: Энергия, 1968.

21. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термическое и комбинированное разрушение горных пород. Киев: Наукова думка, 1978.

22. A.c. 1197536 СССР. Способ подземного выщелачивания металлов из руд. Воронин П.А., Кондратьев Ю.И., Алкацев М.И., Келин В.Н., Хулелидзе К.К.1984.

23. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1973. 286 с.

24. Черненко В.П., Рысаков A.A., Пристинская З.И. //Электрохимия. 1968. т.4.№5. С. 519-524.

25. Гусельников Г.М., Черкасов И.Л., Хан O.A., Девчич И.И. //Цв. металлы. 1978. №9. С. 32-34.

26. Аксельруд Г.А., Молчанов А.Д. Растворение твердых веществ. М.: Химия, 1977. 272 с. с ил.

27. А.С. 934719 СССР. Способ выщелачивания свинца и цинка из сульфидых руд / Келин В.Н., Остроушко Р.И., Хулелидзе К.К., Остроушко И.А., Арене В.Ж., Долгорев А.В.// 1982. В откр. печати не публ.

28. Valorizacija olova i srebra iz hidrometalizske proizvodje cinka postupkom luzenja otpadnich taloga v rastvoru kalcium hlorida. /Stanojevic D., Sinadovich D., Todorovij M., Vidakovich N. // Югославия, Belgrad, Tehnika, 1994, № 8 9, C. 11-15.

29. An investigation of the electrochemical nature of the ferric chloride leaching of sphalerite /Jin Z.M., Warren G.W., Henein H. Hint. J. Miner Process, 1993, 37, № 3-4, C. 223-238.

30. A critical review of the ferric chloride leaching of galena. //Kobayashi M., Dutrizac J.E., Toguri J.M. //Can Met Guart, 1990, 29, № 3, C. 201, 205 211.

31. А.с. 1486534. Способ селективного извлечения меди и цинка из пиритно-го огарка. /Перетрутов А.А., Ким П.П., Никандров И.С., Ксандров Н.В. и др.

32. A model for the chemical kinetics of in situ leaching of a sulphide ore. /Chang S.S., Prosser A.P .//Austral Inst. Minning and Met, Adelaide, 1987, C. 129 -135.

33. Hypochlorous acid leaching of sulphide minerals. /Cho Bung //J. Metals, 1987, 39, №1, C. 18-20.

34. A.c. 1766994 СССР. Способ переработки полиметаллического сульфидного сырья /Новоселов Р.И., Кузнецов J1.H., Чучалин JI.K., Макотченко Е.В.

35. Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия. Д.: Химия, 1974.

36. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. М.: Металлургия. 1972. 544 с.

37. Алкацев М.И. Процессы цементации в цветной металлургии. М.: Металлургия. 1981. 116 с.

38. Алкацев М.И. Теоретические основы процессы цементации. Владикавказ: Терек, 1993. 71 с.

39. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. Учеб. пособие для университетов /М.: Высшая школа. 1975. 295с. с ил.

40. Богецкий B.C. Основы электрохимии. М.: Химия. 1988. 400 с. с ил.

41. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука. 1966. 624с. с ил.

42. Основы теории цепей: Учебник для вузов /Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, A.B. Нетушил, C.B. Страхов. 5-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с. с ил.

43. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники: В 2-х т. Учебник для вузов. Том 1. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1981. - 536 с. с ил.

44. Теоретические основы электротехники. В 3-х ч. Ч. 1. Атабеков Г.И. Линейные электрические цепи: Учебник для вузов. 5-е изд., испр. и доп. - М.: Энергия, 1978. - 592 с. с ил.

45. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учебник для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. 9-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1996. - 638 с. с ил.

46. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. Изд. 6-е, доп. и испр. М.: Госиздат физ-мат. литературы, 1962. 870 с.

47. Лузин H.H. Интегральное исчисление. Учебник для вузов. Изд. 2-е. М.: Советская наука, 1949. 420 с.

48. Кондратьев Ю.И. Распределение напряжения на пограничном слое электролита при прохождении электрического тока преимущественно вдоль выщелачиваемого тела. /Изв. вузов. Цветная металлургия. 1991. №6. с. 70 -74.

49. Воронин П.А., Кондратьев Ю.И., Алкацев М.И. Распределение напряжения на пограничном слое электролита при прохождении тока преимущественно вдоль выщелачиваемого тела в переходных режимах. /Изв. вузов. Цветная металлургия. 1992. № 1-2. С. 75 84.

50. Патент РФ на изобретение №2116440. Способ подземного и кучного выщелачивания металлов. /Ю.И. Кондратьев, П.А. Воронин, М.И. Алкацев, Д.Ю. Кондратьев//Изобретения. 1998. №21.

51. Кондратьев Д.Ю., Алкацев М.И., Воронин П.А., Кондратьев Ю.И. Некоторые физико-химические свойства сернокислотно-хлоридных растворов // Владикавказ. СКГТУ. НТК к 60-летию НИСа (сборник статей). 1999.

52. Практикум по физической химии. Под ред. Кудряшова И.В. М.: Высш. школа. 1986.

53. Свешников Г.Б. Электрохимические процессы на сульфидных месторождениях. Л.: ЛГУ. 1967. 160 с.

54. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. JL: Химия, 1982.

55. Кондратьев Д.Ю., Алкацев М.И., Воронин П.А., Кондратьев Ю.И. Моделирование анодного растворения минералов при пленочном движении растворов и действии реверсируемого тока // Владикавказ. СКГТУ. НТК к 60-летию НИСа (сборник статей). 1999.

56. Феттер К. Электрохимическая кинетика. М.: Химия. 1967.

57. Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. 520 е., ил.

58. Кондратьев Ю.И., Воронин П.А., Алкацев М.И., Кондратьев Д.Ю. Влияние частоты реверсирования постоянного тока на электрохимическое выщелачивание металлов из полиметаллической руды. //ЦНИИЭИЦветмет. 1997. №23. С.27-28.

59. Ерофеев Б.Д. ДАН СССР. 1946. т. 52. С. 515 518.

60. Сакович Г.В. Научные труды /Томский государственный университет. Томск. 1955. т. 26. С. 103 110.

61. Кондратьев Ю.И. Разработка технологии интенсивного подземного и кучного выщелачивания полиметаллических руд с использованием токов ин-франизкой частоты /Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук //Владикавказ. 1994. 167 с.

62. Кондратьев Д.Ю., Алкацев М.И., Воронин П.А., Кондратьев Ю.И. Результаты полупромышленных испытаний электрохимического выщелачивания руд // СКГТУ. Владикавказ. 1998. Вып. 4.