偶氮氯膦Ⅲ光度法快速测定球铁中的残余稀土

我国稀土电化学分析工作者利用极谱络合物吸附波测定稀土,形成了有中国特色的稀土电分析化学。用偶氮氯膦衍生物作显色剂光度法测定稀土的报道也曾有过,但用偶氮氯膦Ⅲ作显色剂测定残余稀土的方法尚未见报道。试验发现,稀土与偶氮氯膦Ⅲ在pH值为0.4~0.9的条件下可形成蓝色配合物,稀土含量在0.018%~0.058%范围内符合比耳定律。该方法灵敏度高,用于测定稀土球墨铸铁中的残余稀土,结果令人满意。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

722型分光光度计

溶样酸:硫酸+硝酸+水=25+4+471

过硫酸铵溶液:30%

偶氮氯膦Ⅲ溶液(0.02%):称取偶氮氯膦Ⅲ试剂0.2g,先用50mL水溶解后,再用无水乙醇稀至1000mL

1.2 实验方法

称取试样0.1000g,置于50mL钢铁量瓶中,分别加入溶样酸22mL、过硫酸铵(30%)溶液1mL,低温加热溶解,再加入过硫酸铵溶液1mL,煮沸,分解过量的过硫酸铵。如有水合二氧化锰沉淀生成,则滴加过氧化氢(3%)数滴,使沉淀溶解,继续煮沸20s。冷却至室温,以水稀至刻度摇匀,干过滤。

吸取此溶液20mL,置于50mL钢铁量瓶中,分别加入草酸(20%)溶液10mL、偶氮氯膦Ⅲ(0.02%)溶液10mL,以水稀至刻度,摇匀。每加一种试剂都要摇匀。以试剂空白为参比,用1cm比色皿,在波长670nm处测其吸光度。

2 结果与讨论

2.1 试剂与配合物的吸收光谱

按实验方法进行测定,配合物的最大吸收峰在670nm处。因此,本实验方法的测定波长选择λ为670nm。

2.2 溶样酸的用量

当溶样酸的用量控制在21~24mL时,显色液的pH值在0.47左右,此时配合物的吸光度最大且恒定。试验结果见表1。本试验溶样酸用量选用22mL。

表1 不同酸用量所对应配合物的吸光度

溶样酸用量/mL    15    18    20    21    22    24    26    28

吸光度A         0.16  0.24  0.26  0.27  0.27  0.27  0.22  0.19

2.3 显色剂偶氮氯膦Ⅲ用量

在试验条件下,为了提高方法的灵敏度,用无水乙醇溶解显色剂。试验发现,当显色剂偶氮氯膦Ⅲ用量在8~15mL时,配合物的吸光度最大且恒定。试验结果见表2。

本试验显色剂偶氮氯膦Ⅲ用量选用10mL。

表2 不同用量显色剂所对应配合物的吸光度

显色剂用量/mL     6     8     10     12     14     15     16

吸光度A         0.21  0.29   0.29   0.29   0.28   0.29   0.24

2.4 显色时间及配合物稳定性

试验发现,显色剂偶氮氯膦Ⅲ能够与稀土元素立即形成稳定的蓝色配合物。常温下,配合物放置4h吸光度不变。由于配合物稳定,4h已经能够满足生产的要求,所以没有试验更长的时间。

2.5 室温显色反应速度的影响

试验发现,当室温为13~35℃时,稀土元素能与显色剂偶氮氯膦Ⅲ迅速生成配合物,也就是说室温对显色反应没有影响。

2.6 比耳定律符合范围

研制的球铁QT400-18中残余稀土的含量要求控制在0.02%~0.04%范围内.为此,用含量为0.018%、0.034%、0.058%3个标样来确定该方法的线性范围。试验表明,稀土元素的含量在0.018%~0.058%范围内符合比耳定律。

2.7 样品的测定

称取0.1000g样品,置于50mL钢铁量瓶中,加溶样酸22mL。以下步骤按试验方法进行,测定5个试样,其测定结果与山东省黑色金属产品质量监督检验站用GB/T223.49-1994测定结果之差符合国标允许的误差要求。试验数据见表3。

表3 两种方法测定试样的结果对比%

试样编号   本法测定值    GB/T223.49测定值     允许误差

11-27-1          0.041                0.045                  ±0.005

12-19-1         0.036                0.040                   ±0.005

12-19-2      0.036                   0.040                  ±0.005

12-30-1      0.031                   0.033                  ±0.005

12-30-2      0.031                   0.033                 ±0.005


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稀土金属地理分布

我国稀土矿产资源分布广泛,目前已探明有储量的矿区193处,分布于17个省区,即内蒙古、吉林、山东、江西、福建、河南、湖北、湖南、广东、广西、海南、贵州、四川、云南、陕西、甘肃、青海。稀土储量分布,据《中国矿产》专著(中国建材工业出版社,1993)统计:内蒙古占全国稀土总储量的96%、贵州占1.5%、湖北占1.3%、江西占0.6%、广东占0.4%。下表示出了我国主要稀土矿床及其开发利用情况。

表  稀土原生矿床和淋积型矿床(一)

(一)稀土原生矿床和淋积型矿床

编号

矿产地名称

矿床类别

储量规模

(大、中型)

稀土

类型

利用

情况

备注

原生矿

(O)

淋积型

(V)

RE2O3

ΣCe2O3

ΣY2O3

1

内蒙古白云鄂博主、东、西矿

 

超大型

 

 

轻稀土

已用

共伴

生矿

2

白云鄂博主东矿底盘

 

超大型

 

 

轻稀土

未用

共生矿

3

白云鄂博都拉哈拉

 

超大型

 

 

轻稀土

未用

共生矿

4

内蒙古扎鲁特旗“八○一”

 

 

大型

大型

重、轻稀土

未用

共生矿

5

吉林大栗子铁矿红旗区

 

 

 

 

重稀土

未用

伴生矿

6

山东微山

 

 

中型

 

轻稀土

已用

 

7

江西七〇一矿

 

V

 

 

大型

重稀土

已用

 

8

江西七二一矿

 

V

 

大型

 

轻稀土

已用

 

9

江西八〇七矿

 

V

 

大型

 

轻稀土

已用

 

10

湖北竹山庙垭

 

 

大型

 

轻稀土

未用

 

11

湖北应山广水

 

 

 

中型

重稀土

未用

 

12

湖南江华

 

V

 

中型

 

轻稀土

已用

 

13

广东新丰

 

V

 

中型

 

重、轻稀土

已用

 

14

广东粤东北地区若干矿点

 

V

 

 

 

重、轻土

已用

 

15

福建闽西南若干矿点

 

V

 

 

 

重、轻土

已用

 

16

四川冕宁牦牛坪

 

 

大型

 

轻稀土

已用

 

17

贵州织金新华

 

 

大型

 

轻、重稀土

未用

 

 

续表  稀土原生矿床和淋积型矿床(二)

(二)独居石、磷钇矿、褐钇铌矿矿床

编号

矿产地名称

矿床类别

储量规模(大、中型)

稀土

类型

利用

情况

备注

原生矿

(O)

淋积型

(V)

RE2O3

ΣCe2O3

ΣY2O3

1

江西上犹长岭

风化壳砂矿

特大型

独居石

已用

 

2

湖南岳阳筻口

河流冲击砂矿

大型

独居石

未用

 

3

湖南华容三郎堰

河流冲击砂矿

大型

独居石

未用

 

4

湖南湘阴望湘

河流冲击砂矿

大型

独居石

未用

 

5

湖南平江南江桥

河流冲击砂矿

中型

独居石

未用

 

6

湖北通城隽水

河流冲击砂矿

中型

独居石

已用

 

7

海南万宁保定

海滨砂矿

中型

独居石

已用

共生矿

8

广东阳西南山海

海滨砂矿

大型

独居石

已用

 

9

广东电白电城

海滨冲级砂矿

中型

独居石

已用

共生矿

10

广东电白博贺

海滨冲击砂矿

中型

独居石

已用

 

11

广东广宁513

风化壳砂矿

中型

独居石

已用

伴生矿

12

广东广宁512

风化壳砂矿

中型

独居石

已用

伴生矿

13

广东新兴社墟

河流冲击砂矿

中型

独居石

未用

共生矿

14

广西上林水台

冲洪积砂矿

大型

独居石

已用

共生矿

15

广西钟山花山

风化壳砂矿

中型

独居石

已用

伴生矿

16

广西北流五二〇

风化壳砂矿

大型

独居石

未用

伴生矿

17

广西北流石玉

河流冲击砂矿

中型

独居石

未用

伴生矿

18

广西陆川白马

风化壳型

大型

独居石

已用

共生矿

19

云南勐海勐往

河流冲击砂矿

大型

独居石

未用

共生矿

20

江西上犹长岭

风化壳砂矿

大型

磷钇矿

未用

 

21

广东新丰雪山

风化壳砂矿

大型

磷钇矿

已用

共生矿

22

广东惠阳沙尾

风化壳砂矿

中型

磷钇矿

已用

 

23

广东广宁513

风化壳砂矿

中型

磷钇矿

已用

 

24

广东广宁512

风化壳砂矿

中型

磷钇矿

已用

 

25

广西北流五二〇

风化壳砂矿

大型

磷钇矿

已用

共生矿

26

广西北流石玉

风化壳砂矿

中型

磷钇矿

已用

共生矿

27

广西陆川白马

风化壳砂矿

大型

磷钇矿

已用

共生矿

28

湖南江华姑婆山

风化壳砂矿

大型

褐钇铌矿

已用

 

29

湖南江华河路口

河流冲击砂矿

中型

褐钇铌矿

已用

 

30

广西贺县姑婆山

风化壳砂矿

大型

褐钇铌矿

已用

共生矿



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硅热还原法制取稀土硅铁合金的反应机理

硅热还原法制取稀土硅铁合金过程,由于稀土金属及其化合物的热力学数据不足,含稀土炉渣熔体和RE-Si-Fe系合金熔体中有关元素的活度数据缺乏,从而造就了利用热力学数据计算实际冶炼过程的困难。但可以利用冶金热力学的基本原理,结合生产实践,对冶炼过程可能发生的化学反应进行推断,从而进一步加深对反应机理的认识。

炉料熔化期的化学反应

熔化期是指从开始加入稀土原料和石灰到加硅铁之前的冶炼阶段,其任务是熔化炉料形成渣相。使用稀土富渣或稀土精矿渣作原料 [其矿物组成有铈钙硅石、枪晶石、萤石和硫化钙等,稀土元素存在于铈钙硅石矿物(3CaO·Ce2O3·SiO2)中],当冶炼温度达到1100~1200℃时,熔化的炉渣和石灰发生化学反应,并促进了石灰的熔化,这时有下列反应发生。

①铈钙硅石分解:

3CaO·Ce2O3·2CiO2+CaO====Ce2O3+2(2CaO·SiO2)        (1)

②枪晶石分解:

3CaO·CaF2·2SiO2+CaO====CaF2+2(2CaO·SiO2)          (2)

③在有充足的CaO条件下:

2CaO·SiO2+CaO====3CaO·SiO2                       (3)

还原期的化学反应

还原期为加入硅铁到合金出炉的冶炼阶段。随着硅铁的熔化,在炉内出现了两相,即熔融的渣相和合金相。此时的化学反应由以下三部分组成:两相界面上进行的还原反应、渣相中的造渣反应和合金相中的合金化反应。

(1)硅还原稀土氧化物  由于溶渣中有大量的游离RE2O3出现,硅铁中有大量的游离硅存在,在两相界面上RE2O3被硅还原[反应式(-1)]。

物相分析结果表明[13],合金中的稀土以硅化物的形态存在,渣中SiO2以硅酸盐形态存在。从而证明,被还原出来的稀土金属和硅发生合金化反应形成稀土硅化物存在于合金相中:

[RE]+[Si]====[RESi]                     (4)

[RESi]+[Si]====[RESi2]                   (5)

还原生成的SiO2与渣中CaO反应生成硅酸钙存在于渣中:

(CaO)+(SiO2)====(CaO·SiO2)                (6)

2(CaO)+(SiO2)====(2CaO·SiO2)                (7)

3(CaO)+(SiO2)====(3CaO·SiO2)             (8)

稀土硅化物和硅酸钙的生成,大大降低了合金中稀土的活度和渣中SiO2的活度,使反应式与下式能够顺利进行。

2

(RE2O3)+[Si]

====

4

[RE]+(SiO2)

 

3

3

(2)硅钙还原稀土氧化物  为了进一步探索稀土氧化物的还原机理,研究工作者按硅热法制取稀土硅铁合金的实际条件,配制成不含稀土的合成渣,其组成见表1。合成渣熔融后,用75硅铁还原,冶炼过程中合金含钙量和含硅量随时间的变化如表2所示。

表1  合成渣的组成

组成

CaO

SiO2

CaF2

Al2O3

S

含量/%

48.97

14.53

28.14

3.20

0.82

表2  合金中钙和硅的含量变化

时间/min

0

2.5

5

10

15

30

40

50

75

120

合金含钙量/%

0.39

15.93

 

21.53

21.15

22.33

21.87

21.30

19.05

15.20

合金含硅量/%

75.70

67.50

59.10

 

56.10

56.10

 

55.70

55.80

57.00

从表1可见,用硅铁还原不含稀土的合成渣,可以获得含钙量22.33%的硅钙合金,但在相同的条件下用硅铁还原稀土炉渣,最终稀土硅铁合金的含钙量不大于5%。在冶炼稀土硅铁合金过程中,取样分析硅钙变化情况,证实被还原出来的钙或硅钙参与了稀土氧化物的还原,有下列反应存在:

(RE2O3)+[CaSi] === 2[RE]+(CaO·SiO2)                  (9)

[RE]+[Si] === [RESi]                           (10)

因此,渣中CaO被硅还原,对稀土氧化物的还原是有利的。

辅助反应

在冶炼稀土硅铁合金过程中,电弧炉有大量的烟气逸出,随着温度的升高,还会产生熔体的沸腾现象,这是由于电弧炉采用碳素炉衬和石墨电极,其中的碳也可以参与还原反应,例如:

(FeO)+C === [Fe]+CO↑                     (11)

(MnO+C)=== [Mn]+CO↑                     (12)

(SiO2)+C === SiO↑+CO↑                     (13)

炉渣中有大量子的CaF2存在,并与SiO2作用:

2(CaF2)+2(SiO2) === (2CaO·SiO2)+SiF↑          (14)

炉渣中SiO2与合金中Si反应:

(SiO2)+[Si] === 2SiO↑                      (15)

上述反应产生的气体使熔体沸腾,起到了搅拌作用,使熔融渣相和合金相的接触条件得到改善,也有利于反应物的扩散,改善了还原反应的动力学条件。

总之,根据多年的试验和生产实践,可以推断硅热还原法制取稀土硅铁合金的反应,是在大量石灰参与反应的条件下,硅首先将石灰还原成钙形成硅钙合金,硅钙再将稀土氧化物还原成稀土金属,也不排除硅直接将稀土氧化物还原成稀土金属的可能性。稀土金属进一步与硅合金化,以硅化物相存在于合金中。这是一个相当复杂的氧化还原反应过程,因此,通过控制冶炼工艺条件,如炉料配比、还原温度和时间等可以有效控制合金组成。


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碳热还原法制取稀土硅铁合金的基本原理

现生产中广泛使用的碳热还原法制取硅铁合金工艺特点是:可使用价格比较便宜的含有高于55%REO的氟碳铈精矿;采用优先强化经焙烧的氟碳的氟碳铈矿中稀土的碳化过程,改善假炉衬的绝缘性能;使用较低的操作电压和较高的极心圆功率;在冶炼过程中选择适宜的配料组成,亏碳操作,使电极深插入炉料中,保证炉底具有较高的温度,防止炉底碳化物的生成和集结,达到了炉况顺行、炉底不上涨、无渣冶炼的效果;产品合金成分均匀,不夹渣,不粉化;稀土还原进入合金的收率高于95%;含有30%稀土金属的稀土硅化物合金每吨工艺电耗低于9500kW·h,与生产一吨FeSi75合金电耗相当。

碳热还原法制取稀土硅铁合金的基本原理

金属氧化物与碳相互作用的还原机制是复杂的,甚至对一种金属来说,在不同的条件下和反应的不同阶段,其主要反应就不同,往往几种还原机制同时存在。一般说来,碳热还原的主要过程不外乎以下三个过程:气相参加的相互作用;固相的相互作用;液相反相互作用。在稀土中间合金熔炼过程中气相参加的反应可能有着重要意义。也就是说凝集的氧化物和气态还原剂,气态氧化物和凝集的还原剂以及气态氧化物和气态还原剂之间的相互作用都是可能的。

碳热还原制取稀土中间合金的主要反应可以表达为:

MxOy+C ====MxOy-1+CO↑                     (1)

MxOy+(z+y)C ====MxCz+yCO↑                    (2)

zMxOy+yMxCz ==== x(z+y)M+xyCO↑               (3)

式中,M为稀土,硅、钙等合金元素。低氧化物可进一步还原,直至形成金属。中间产物碳氧化物也是存在的。它可进一步与氧化物和碳反应,最终形成金属。以研究得比较充分的碳从二氧化硅中还原出硅的过程为例,可以简单列成下式[18]:

SiO2(s)

C

SiO(g )

C

SiC(s)

SiO2,SiO

Si(1)

SiO2

SiO(g)

 

 

(4)

>1600℃

<1800℃

1800~1580℃

>1850℃

对Si-O-C-Ce(Y)体系的热力学和动力学研究表明,下列反应是存在的:

Ce2O3+7C ==== 2CaC2+3CO↑            (5)

Y2O3+7C ==== 2YC2+3CO↑             (6)

SiC+SiO ==== 2Si+CO↑               (7)

SiC+SiO2 ==== Si+SiO+CO↑             (8)

CeC2+2SiO ==== CeSi2+2CO↑             (9)

SiC+CeO ==== CeSi+CO↑              (10)

当温度高于1600℃时,最初将还原出硅,同时有中间产物SiO、SiC和稀土碳化物等生成。而还原稀土金属则需要更高的温度(高于1800℃)。

还原硅和稀土金属的中间凝聚产物是碳化物,它们可与一氧化硅或二氧化硅相互作用而分解。在其余条件相同的情况下,生成碳化硅比生成稀土碳化物容易;随着稀土硅化物的形成,稀土碳化物比碳化硅更容易分解。碳化硅等的聚集,若不及时分解,极易造成炉底堆积,形成炉瘤,在碳热还原过程的实际条件下生成和分解的稀土金属和硅的数量比将由热力学和动力学因素的总和决定。

与碳热还原时总要配入大量的硅石,一方面还原产物硅可以与稀土、钙形成稳定的硅化物,降低了这些难过原元素的起始还原温度;另一方面不可避免地将产生稳定的硅酸盐和其他复杂氧化物,这些氧化物恶化了还原元素的热力学和动力学条件。

用碳热还原法生产稀土硅化物合金的基本原理,主要包括二氧化硅被碳还原为硅和一氧化硅及稀土化合物碳化生成碳化物和稀土物被一氧化硅还原为稀土金属这两部分。当然还有其他一些副反应和中间反应,如碳化硅的生成和破坏,硫酸钡的分解与还原,杂质钙、铝化合物的还原,还有稀土金属与硅生成稀土硅化物等。

(1)碳还原二氧化硅的基本化学过程  用碳还原二氧化硅的基本化学理论,自硅铁合金问世和工业硅生产以来,已经有很多学者进行过充分的研究,已是比较成熟的理论,现归纳为以下几个基本化学反应。

SiO2+2 C ==== Si+2CO                      (11)

SiO2+C ==== SiO+CO                       (12)

SiO+2C ==== SiO+CO                    (13)

2SiO ==== Si+SiO2                               (14)

2SiC+3SiO2 ==== Si+4SiO+2CO              (15)

式(11)为总反应式。在碳量不足的条件下,二氧化硅的反应进行得不充分,可大量生成一氧化硅[式(12)];在碳量过剩的条件下,会大量生成碳化硅[式(13)]。事实上,在矿热炉中,一氧化硅生成经炉料过滤与焦炭跌碳反应首先生成的是SiC[式(13)],这些碳化硅再被分解和还原生成硅。式(14)为一歧化反应,有很多学者证明这个反应在炉中存在。

(2)稀土精矿在炉中的化学反应  氟碳铈矿的化学式原则上可写为REFCO3,为稀土碳酸盐和稀土氟化物的复合矿物,在自然界以晶体存在。在一定的温度条件下,稀土碳酸盐发生分解,生成稀土氟氧化物[19~21]。

REFCO3====REFO+CO2

(16)

式(17)便是稀土碳化反应的化学方程式。

在矿热炉中,实际存在的体系为Si-O-C-RE体系,会有以下主要反应发生[22~26]:

REFO+3C ==== REC2+CO+[F]                   (17)

1

REC+SiO

====

1

[RE]si+CO

(18)

2

2

至于式(17)中的稀土碳化反应是生成REC2还是生成RE2C3或者是生成REC,有待进一步去研究和确认,但稀土合物与碳反应生成碳化物已是被实践所证明的事实。

还原出的稀土金属与硅生成稀土硅化物合金,氟则与二氧化硅或一氧化硅化合生成氟硅化物随炉气排出。

在稀土精矿入炉之前,要进行焙烧,分解放出二氧化碳[式(16)],增加稀土化合物的活性;同时避免了所制稀土球团入炉后,由于氟碳铈矿剧烈分解放出二氧化碳而使球团粉碎。

为了加速实现稀土碳化物的生成,在稀土精矿制团时,加入高活性还原剂-焦炭粉和木炭粉,使得稀土化合物充分与碳接触,在炉中的高温下,使稀土首先生成碳化物[式(17)]。为了强化稀土在团块中生成碳化物的过程,在将稀土焙烧矿与碳还原剂一起制团时,所配入碳量为稀土化合物完全转变为稀土碳化物(REC2)所需碳量的1~3倍。

从反应[式(18)]的要求出发,要在炉中造成生成足够SiO的条件,以利于稀土碳化物被一氧化硅所还原。要造成SiO气氛,必须在碳量不足的条件下,这便是工艺中要求亏碳操作的基本化学原理。当然,在炉中,稀土氧化物被硅还原的反应也会存在,但不构成主反应。



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1.24:稀土原料价格持稳废强磁市场交易逐渐活跃

今日稀土市场较平稳,市场价格变动不大。据了解,随着春节的临近,一些下游深加工企业已经停止接受新单。一位宁波强磁企业告诉,现在强磁相关的其他加工厂都已经停产或快要停产,自己公司现在已经不对外报价了,等处理一些尾货后也将于一周后放假。下游加工企业已经于前期补了一定库存,年前由于即将停产,很难再对稀土原材料有过多需求。而原材料市场方面,稀土厂家、贸易商库存消耗较明显,由于库存现货较少,一些厂家和贸易商报价较坚挺。

市场活跃度较高的氧化物报价均平稳,今日氧化镨钕含税31-32万元/吨,氧化钆含税14万元/吨,氧化镝含税210万元/吨左右,不含税175-180万元/吨,氧化铕含税530万元/吨,氧化铽含税420万元/吨。报价维稳已经有一段时间,年前这短暂的十几天里报价难有变化,成交更难见增长。

废强磁市场今日价格平稳,因为之前有较大的回收商微微提高了废电机的报价,江浙地区中小个人回收也提高了一块左右。废强磁市场各地回收价格相仿,据了解,一些活跃的回收商们现在均比较忙,交易比1月初要明显增多。有个体回收商透露,等正月底有计划要出货,现在在积极囤货中。

近两日,关于稀土整合的消息又再兴起。工信部相关人士表示,国家相关部门将适时批准成立大型稀土企业集团。在辞旧迎新的这个时点上,国家再一次提稀土整合,对2013年的稀土市场是利好的消息。2012年稀土市场整合步伐明显加快,各省内部整合基本完成,央企与地方企业合作也有推进。2013年稀土市场的进一步整合将有利于稀土市场的稳定和健康发展,最重要的是可以给价格回暖带来一定的保障,但不是主要动力。2013年将稀土市场整合为只有2-3家大型稀土企业集团的大目标可能暂难实现。稀土市场产能严重过剩,如果整合后的龙头企业们都能像包钢稀土连续停产那样适度控制产量,加上经济的微复苏,稀土价格可能会稳中缓慢回升。


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