中国钨冶炼工艺发展历程及技术进步_万林生.docx
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1、第 24 卷第 5期 2009 年 10 月 China Tungsten Industry Vol 24, No 5 Oct 2009 文章编号 : 1009 0622(2009)05 0063-04 中国钨冶炼工艺发展历程及技术进步 万林生 1, 徐国钻 1, 严永海 2, 聂华平 1, 赵立夫 2, 肖学有 2 ( 1.江西理工大学 , 江西 赣州 341000; 2.章源钨业股份有限公司 , 江西 崇义 341300) 摘 要 : 全面阐述了中国钨冶炼诞生以来工艺发展的历程和经济技术指标 , 介绍了钨冶炼离子交换工艺的重大技术 创新 。 关键词 : 钨冶炼 ; 离子交换 ; 经济技术指
2、标 ; 技术创新 中图分类号 : TF841.1 文献标识码 : A 0 前 言 2009年 10 月 1 日是中华人民共和国 60 华 诞 , 与中国钨业 102 年的历史相比 , 年轻的中国钨冶炼 业仅走过了半个世纪的光辉历程 。 50 年 来 , 中国钨冶炼业从无到有 , 从 引 进 消 化 到技术创新 , 攻克了许多制约行业发展的技术难关 , 建立了屹立于世界民族之林的强大工业体系 。 20 世 纪 90 年代中期 , 中国钨冶炼技术在钨产业链中率先 达到世界先进水平 。 此后 , 又经过数年努力 , 总体经 济技术指标在 21 世纪初叶已处于国际领先水平 。 1 中国钨冶炼工艺发展历
3、程及技术水平 1.1 经典工艺 、 萃取工艺 、 离子交换工艺三个发展阶段 中国黑钨冶炼工艺经历了三个发 展 阶 段 : 1958 年由苏联引进的苏打烧结 ( 后为 NaOH 分解 ) - 净化 除杂 -沉白钨 - 酸 分 解 -氨 溶 -蒸发结晶生产仲钨酸 铵( APT) 的经典工艺 1, 在株洲硬质合金厂建成 。 由 于工艺流程长 , 金属收率低 , 腐 蚀 严 重 , 产 品 质 量 差 等工艺缺陷 , 经典工艺于 1990 年初基本退出生产领 域 。 1981 年 , 黑钨压煮 -净化除杂 -萃取 -蒸发结晶生 产 APT 的 萃 取 工 艺在株洲硬质合金厂投入生产 2。 1983 年
4、中国首创的离子交换工艺在 株 洲 钨 钼 材 料 厂 诞 生 1, 由于工艺流程短 , 金 属 收 率 高 , 辅 材 用 量 少 , 产品质量和环境条件好 , 操作简单等一系列优 点 , 从诞生开始就获得迅速发展 。 目前 , 应用面已占 钨冶炼业的 90 %, 成为我国 APT 生产的主流工艺 3。 经过近 30 年的努力 , 中国钨冶炼萃取工艺和离 子交换工艺技术和装备取得了长足的进步 。 与 30 年 前相比 , 离子交换法生产 APT 金属收率提高 8.0 % 8.5 %, 以 2007 年 可 比 价 格 计 算 , 生 产 加 工 成 本 ( 不 含钨矿 ) 下降 42 %, 劳
5、动生产率提高 10 倍以上 , APT 生产成本下降 10.37 %, 以年产 50 000 t APT 计算 , 每 年可节约钨精矿 6 070 t, 相当于两个特大型钨矿山的 产量 。 国内外黑钨矿生产 APT 总体经济指标见表 14, 无论从哪方面衡量 , 中国离子交换法和萃取法生产 表 1 国内外黑钨矿生产 APT 经济指标比较 厂 家 生产工艺 回收率 ( WO3) /% 加工成本 /元 劳动生产 率 /( t 人 -1 a-1) 美 Sylvania 碱压煮 -萃取 -结晶 95 96 不详 不详 美 Teledyne-Wahchang 碱压煮 -萃取 -结晶 96 97 不详 不
6、详 美 Amax 碱压煮 -萃取 -结晶 95.75 不详 不详 德 Hoffmann Stark 碱压煮 -萃取 -结晶 95 不详 不详 日本东芝 常压碱煮 -经典工艺 95 不详 不详 中国 1 厂 常压碱煮 -经典工艺 89.73 11 308 8 中国 2 厂 碱压煮 -萃取 -结晶 96 97 8 070 50 中国 3 厂 碱压煮 -离子交换 -结晶 97.5 98 6 538 85 收稿日 期 : 2009 08 28 作者简介 : 万林生 ( 1950-), 男 , 江西南昌人 , 教授 , 井冈学者 , 研究方向 : 钨钼冶金理论与新工艺 。 第 24 卷 64 工艺国别
7、成 分 Mo P As Fe Ca Si Na K Cu Mn Mg Al Ni Co Cr V Ti S Cd Pb Bi Sn Sb NH3 美国碳化物公司 10 10 21 10 20 30 10 10 2 10 50 5 10 10 10 10 10 10 1 10 1 5.4 中国经典工艺 18 4.4 5 10 5 10 8 8 5 5 5 5 5 10 10 10 10 7 1 1 1 1 1 5.5 中国萃取工艺 18 6 9 9 9 9 9 9 3 5 5 5 5 5 5 5 5 7 1 1 1 1 2 中国离子交换工艺 5 5 8 5 5 5 3 3 1 5 3 4 3 4
8、 4 4 4 5 1 1 1 1 5 萃取工艺 钨酸钠结晶 萃取 APT 的工艺已相当成熟和完善 , 居世界领先水平 。 1.2 白钨矿酸法工艺向碱法工艺转变 表 3 黑白钨混合冶炼工艺适用的矿物成分和后续工艺 钨矿成分 /% 1970 年 , 采用盐酸分解 -氨溶净化 -蒸发结晶工 黑白钨混合矿分解工艺 黑钨 白钨 后续适用工艺 艺生产 APT 的白钨酸法冶炼厂 , 在中国自贡硬质合 金厂诞生 5。 由于环境污染大 , 设 备 腐 蚀 严 重 , 氨 溶 渣和结晶母液处理的副流程长 , 产品质量相对较差 , 2004 年后陆续关闭 。 2003 年后 , 由于白钨矿高碱 ( NaOH) 分解
9、以及高 高碱 ( NaOH) 分解 0 30 0 70 离子交换工艺 - 高压低碱 -活化分解 0 100 0 100 离子交换工艺 1.4 高品位低杂质原料向中低品位高杂质原料的转变 由于钨钼分离技术及钨矿物分解等重大创新技 术的发明 , 1989 年后 , 中国钨冶炼原料逐步由高品 压低碱 -活化分解技术的成熟 6-7, NaOH 分解 -离子交 位低杂质向中低品位高杂质钨矿转变 。 不同时期主 换 -结晶 APT 工艺实现大规模工业化生产 。 与酸法工 艺相比 , 白钨矿碱法 -离子交换工艺回收率提高 1 个 百分点 , APT 加工成本 ( 不含钨矿 ) 降低 2.32 %, 劳动 生
10、产率提高 35 %。 主要经济指标见表 2。 表 2 白钨矿酸法工艺和碱法工艺生产 APT 的经济指标 流冶炼企业采用的钨矿物经济成分见表 4。 表 4 不同时期冶炼企业采用的钨矿物经济成分 w/% 成 分 时间 WO3 Mo Sn Sb Ca 1958-1988 年 65 0.02 0.4 0.04 1 1989-2009 年 50 1 不限 0.04 不限 厂 家 生产工艺 回收率 ( WO3) /% 加工 成本 /元 劳动生产率 / ( t 人 -1a-1) 中国 4 厂 HCl 分解 -氨溶净化 95.5 8 370 55 中国 5 厂 NaOH 分解 -离子交换 96.5 8 176
11、 85 1.3 黑白钨矿单一冶炼工艺向混合冶炼工艺转变 由于强碱性阴离子交 换 除 杂 -转型技术以及钨 矿物分解等关键技术获得突破 , 1990 年后 , 中国黑 白钨矿单一冶炼工艺实现了 向混合冶炼工艺的 转 变 。 目前 , 混合冶炼工艺适用的黑白钨成分和后续工 艺见表 3。 1.5 APT 化学质量提高 , 由不稳定向稳定转变 中国钨冶炼离子交换工艺具有磷 、 砷 、 硅 、 金 属 阳离子除去率高 、 产品质量好的优点 。 1994 年 , 解吸 剂由工业氯化氨改用精制氯化铵 , 以及 2000 年广泛 采用选择性除钼技术后 , APT 中钠 、 钾和钼等杂质含 量大幅降低 , 产品
12、质量不断提高 , 实现了由不稳定向 稳定的转变 。 美国碳化物公司 8( 1985 年 )、 中国经典 工 艺 8 ( 1985 年 )、 萃 取 工 艺 4 ( 1996 年 ) 和 离 子 交 换 工艺( 2007 年 ) 的典型 APT 杂质含量见表 5。 表 5 国内外不同冶炼工艺 APT 杂质含量比较 110-4% 1.6 APT 物理性能由不可控向可控转变 1994 年 以 前 , 中 国 APT 产品的平均粒度 、 粒 度 分布 、 松装密度 、 流动性以及晶体形貌基本处于不可 控的状态 。 经过 此 后 10 多年的研究开发 , 在 探 明 APT 结晶动力学的 基 础 上 9
13、-12, 实 现 了 APT 物 性 可 控的目标 13-15, 并制取出了晶体特性 优 良 的 单 晶 、 球 形 、 超细 APT 粉体 , APT 物理性能对比见表 6。 1.7 冶炼废水废气超标排放向达标排放转变 中国钨冶炼离子交换工艺具有一系列优点 , 但也 存在着废水排放量大的缺点 。 1990 年前 , 交换废水和 结晶氨尾气 pH 值和氨氮一直超标排放 。 经过近 20 年 的努力 , 研发出高效低碱分解 、 APT 结晶母液和氨尾 气高效闭路循环技术 , 目前已实现全工艺达标排放 。 不同时期废水和废气环境检测数据见表 7 和表 8。 表 6 国内外 APT 物理性能对比 产
14、品内容 产品形态 松装密 度 /( g cm-3) 费氏粒度 /m 霍尔流动 性 /( s 50g-1) 单晶率 /% 球化率 /% 美国碳化物公司 国内普通 APT 多晶团聚 多晶团聚 1.6 2.0 1.6 1.98 28 36 33 38 50 60 无流动性 国内单晶 APT 国内球形 APT 国内超细 APT 单晶 球形 超细 1.5 3.0 1.5 3.0 0.5 0.6 30 60 30 50 1 5 30 50 30 40 95 60 95 时间 As Cu Cd Pb Ni 氨氮 pH值 COD 生物输氧量 /L 悬浮物 1990 年前 2.5 0.26 0.04 0.5 0
15、.16 354 11.61 16 2 192 2007 年 0.2 0.006 0.016 0.068 0.054 8 8.24 15 2 68 1990 年前 2.157 5 215 11.25 28 4.9 2007 年 0.410 5 170 2.12 28 4.9 3- 第 5 期 万林生 , 等 : 中国钨冶炼工艺发展历程及技术进步 65 表 7 不同时期钨冶炼离子交换工艺废水排放监测结果 mg/L 表 8 APT 结晶氨尾气排放监测结果 上述两项技术结束了白钨矿酸法分解严重污染 时间 氨气浓度 / 尾气排放量 / 氨气排放量 / 排气筒 允许排放 环境的历 史 , 使采用离子交换法
16、处理白钨矿成为可 ( g m-3) ( m3 h-1) ( kg h-1) 高 度 /m 量 /( kg h-1) 能 , 降低了钨冶炼适用矿物的经济品位 , 提高了钨选 冶综合回收率 , 大幅度节约了中国的钨资源 。 2 离子交换工艺的技术进步 20 多年来 , 中国钨业科技工作者针对我国黑钨 资源几近枯竭 , 白钨已成为我国钨产业主要原料的 现状 , 围绕严重制约钨冶炼产业持续发展的重大关 键问题 , 为使离子交换工艺成为先进成熟且符合国 家环保要求的工业化生产技术 , 展开了全面持续的 研究攻关 。 中南大学和江西理工大学等单位研发出 了 “ 白黑钨矿高效碱分解 ” 、 “ 模 糊 交
17、换 -超 解 吸 ” 、 “ 钨钼深度分离 ” 、 “ APT 物 性 控 制 ” 、 “ 结 晶 母 液 和 氨 尾气高效闭路循环 ” 等多项核心技术 , 在国内外率先 实现了钨的工业化 “ 绿 色 冶 炼 ” , 有效地解决了我国 钨冶炼产业持续发展问题 , 使我国白钨冶炼总体技 术处于世界领先地位 , 有力地促进了我国钨及其相 关产业的技术进步 。 现对推动我国钨冶炼业持续发展起了重大作用 的关键技术作一简要介绍 。 2.1 白 ( 黑 ) 钨矿高效碱分解技术 2. 1. 1 白钨 矿 及黑 钨 白钨 混 合矿 的 NaOH 分 解 技 术 7-8 中南工业大学通过基础研究 , 一方面采
18、用较高 碱浓度和适当高温以保证正反应的进行 , 另一方面 在反应完全后的排料和稀释过程中 , 加入少量 PO4 ( 为使反应 生 成 的 Ca(OH)2 转 化 为 Ca3 (PO4)2 所 需 的 3 5 )或 F-, 使 Ca(OH)2 表面因生成 Ca3 (PO4)2 或 CaF2 薄 膜 而 钝 化 , 抑制了逆反应的进行 , 从 而 在 工 业条件下处理各种钨矿物原料 ( 含白钨精矿 、 黑钨白 钨混合的难选钨中矿 ) 时 , 渣含 WO3 都保持在 2.5 左右 。 2. 1. 2 白黑钨矿低碱高效分解技术 江西理工大学利用 “ 离子活化 ” 和 “ 晶格活化 ” 手 段 , 采用
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- 中国 冶炼 工艺 发展 历程 技术进步 万林生
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