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加工PCD刀具/PCBN刀具/钻石/工业陶瓷的陶瓷金刚石砂轮

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关于金刚石提纯新工艺技术的研究

2011.09.20  河南恒远超硬材料有限公司 www.kosuperhard.com  浏览次数:
本文通过对现行金刚石提纯的主流工艺的弊端分析,提出一个全新的金刚石提纯工艺流程图,并对其合理性进行论证。确认该项技术必将在短时间内,取代现行工艺流程,达到节约能源和资源,降低成本,改善环境的目标。新工艺流程可提高功效三倍,每吨金属节电3000—4000KWh。关于金刚石,工艺技术,金刚石提纯的信息

一、前言

现在金刚石行业迎来了大发展的机遇,但金刚石提纯工序却是制约企业发展的一颗“毒瘤”,必须对其作一大型手术,才能得到医治,得到新生。

现行金刚石提纯工艺的核心是“电解合成块”将金属触媒从石墨和金刚石中分离出来的技术。该技术是将合成柱破碎成一定粒度后(以不破坏金刚石晶粒为限)装入阳极布袋进行电解,电解液将合成块中金属溶解为金属离子后进入电解液,然后在阴极板上放电还原成金属,剩余的石墨和金刚石再经球磨(或辗压),过筛,筛上料约有10%左右再返回去二次电解,筛下料送摇床分选,使金刚石与石墨分离。这种工艺不成熟,不合理,以致于产生很多弊端。而成为企业中的一颗“毒瘤”,对人员,对环境造成极大的污染和伤害。现已到非彻底整治不可的时候了。

二、现行金刚石提纯工艺的主要问题

现行工艺的核心技术是“合成块的电解”它属于可溶阳极电解。该工艺的主要问题在于选择用“电解合成块”的方法回收金属。这是一个带有根本性的错误选择。合成块装入布袋中连同阳极板吊挂在电解槽中,是静止不动的,布袋中的物料和阳极板也是经压实是静止不动的。金属触媒是依靠电解液缓慢地进入布袋,渗透到合成块中与暴露出来的金属表面进行氧化反应,使金属以Fe2+、Ni2+、Co2+等形式进入电解液。对于经过高温高压作用后的料块,电解液是很难将金属快速溶解出来的,一般都需要5-8天时间,这么漫长的时间要消耗多少能源,浪费多少材料,对环境造成多大污染?所以一般金刚石合成企业都将这部分隐藏在偏僻的角落中,不易被人发觉。

选择电解工艺回收金属本是无可厚非,一个好的工艺如果放到一个极不合理的位置,它也无法发挥作用。下面举两个与“电解合成块”相类似的例子,进行一下对比,从中不难发现这种选择是否合理,是否科学。

(1)在铜电解精练方面:是将粗铜或铜合金铸成阳极板,在电解槽中进行电解,在阴极板上得到精练铜,其直流电耗仅为230-280KWh/吨铜。

(2)在铜矿浆电解方面:首先将黄铜矿磨细到10-65μm,然后装入阳极布袋进行电解,在阴极得到铜粉,其直流电耗仅为1000-1500KWh/吨铜粉,应该旨出,矿浆电解处理的是黄铜矿(硫化矿)而不是纯金属,其难度可想而知。

联想到“电解合成块”中金属是极分散的质点,被层层包裹,又不能磨得很细,还要装入布袋中,这又属于“隔膜电解”应用在本工艺,使阳极整体电压降占槽电压的70%以上,所以选择“电解合成块”在关键性的三个方面都处于劣势,是极不合理的选择。

综上所述,现行金刚石提纯工艺存在的主要问题是:

1、 电解周期漫长,一般为5-8天,一般合成金刚石从混料到压机合成仅需二天时间,而该工序就要这么长时间,不能不说是一种时间的浪费,时间就是钱呀!

2、 电能消耗过高,由于电流效率低下,仅为53-65%,槽电压过高造成电能消耗过高,一般直流电耗为6000-9000KWh/吨金属,是名符其实高耗能工程。

3、 浪费很多原材料,电解液的单价就是10000元/吨,其他材料也很贵重,增加金刚石的制造成本

4、 有些企业对电解设备的选型很不合理,给设备正常运行带来很多困难。

5、 三废排放不达标,严重污染环境,损害了操作人员及周围居民的健康。

鉴于存在的上述问题,我们不能不说这属于应该淘汰的落后的工艺技术。

三、新的金刚石提纯工艺流程图

现行金刚石提纯工艺有很多弊端,究其根本原因是所选择的工艺流程不合理,所选择的设备也不合理造成的。金刚石合成工艺是一个很年青的专业,需要借鉴和学习其他专业,其他行业的行之有效的专业技术,电解过程是一个纯电化学工艺过程,对行业内的人来说还是很陌生的,电解工艺是化工、冶金工业经常用到的成熟技术,它有很多种,就看你能否选的正确,选的合理。

本文提出新的工艺流程,主要是解决化学反应或电化学反应的速度问题,使其更符合化学反应动力学的要求。新的金刚石提纯工艺流程图请见下图。

关于金刚石提纯新工艺技术的研究

金刚石提纯工艺流程图

四、新的金刚石提纯工艺的合理性

1、选用反应釜作为金属的溶出设备,这是最好的选择

反应釜是化工生产的最成熟设备之一,是破解石墨——触媒的有效手段,大型反应釜有一次可装数吨物料,该釜有电加热器,可用来控制最适宜的反应温度,有机械搅拌器,可使合成块和酸液在釜中不断的摩擦运动,不断地暴露出新的反应界面,同时H2SO4、HNO3还能使石墨酸化,形成可膨涨石墨,使石墨膨涨细化,将金属暴露出来。由于反应釜可以控温,可以搅拌,还可以在0.1-1.0Mpa下加压,提高反应速度,这些都是化学反应动力学的必要条件。

在日常工作,经常会遇到处理金刚石合成小样,即将小样适当破碎,然后用H2SO4、HNO3混合液浸泡,一般1-2小时就可将金刚石分离出来,而现行提纯工艺却需要5-8天的时间,真是不可思议的事情。

用反应釜浸出金属仅需10-15小时就已足够了(装料量可在1-3吨左右),可见反应釜是一个高效率的反应容器,完全能满足本工艺要求。

2、新工艺选择湿法冶金中水溶液电解工艺,该工艺是有色冶金中最成熟的电化学提取冶金技术,其电流效率可达到98%以上,直流电耗在3000-4000KWh/吨金属,一个电解周期仅用24小时就够了,贫化的电解液经简单处理再返回到反应釜进行下一轮的浸出,从而实现快速电解,节约电能的目标。

3、金属回收率高

保证回收率高的第一点是金属的溶浸条件优越,第二点是水溶液电解是一个最强的氧化——还原过程,由元素的电化学电极电位顺序可知,Ni、Co的电极电位。

触媒元素的电化学数据

元素 原子量 化合价 密度g/cm3 电化学量g/Ah 电极电位V
Fe 55.85 +2 7.866 1.0416 -0.44
+3 0.694
Ni 55.89 +2 8.90 1.095 -0.276
+3 0.730
Co 58.94 +2 8.83 1.099 -0.287
+3 0.733
Mn 54.93 +2 7.3 1.025 -1.18
+3 0.386

均较Fe为正,所以优先在阴极板上还原沉积,这就保证了有价金属的回收率。

因此,新工艺选择反应釜溶出金属,选择水溶液电解提取金属,这属于强强联合,这是新工艺的两大亮点,是一个保证产品多、快、好、省和环境友好的工业设计。

五、结论:

现行金刚石提纯工艺已经完成其历史使命,已经不能满足当前经济社会发展的需要,我们应转变经济发展方式,与时俱进,不断创新,大力推进新工艺的推广应用。

新的工艺流程图是一个科学地、合理的组合,不仅仅能给企业带来经济效益,环境效益,而更重要的是改变了企业中最为薄弱的环节,使企业走上节约资源、节约能源、环境友好、可持续发展的健康道路。

作者简介:张戈,高工,毕业于东北大学有色冶金系,先后从事电解铝、电解镁、电解铜粉、镍粉、铅粉等技术工作,2005年进入金刚石合成行业,从事合成金刚石原材料的研究工作。

来源: 中国超硬材料网   网络文档由陶瓷结合剂金刚石砂轮整理

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