Металлургия легких и тугоплавких металлов (стр. 6 )

В электронной книге представлены подробные комментарии к каждой вычислительной операции и сводным таблицам (рис. 1), позволяющие легко ориентироваться в расчетах и тексте.

Ячейки электронной таблицы, предназначенные для ввода исходных данных, окрашены в серый цвет (рис. 2). Навигация в электронной книге между отдельными листами осуществляется благодаря макросам, которые необходимо включить перед использованием данного продукта.

Рис.1. Фрагмент электронной книги

Рис.2. Фрагмент листа с исходными данными

Особенностью программы является наличие автоматического расчета плотностей алюминатного и оборотного растворов, позволяющего при вводе в соответствующие ячейки электронной таблицы значений концентраций Al2O3 и Na2O вывести значение плотности раствора с таким содержанием данных компонентов.

Разработанный продукт является интерактивным учебно-методическим пособием, позволяющим не только осуществлять расчеты материального баланса производства глинозема из боксита по параллельному варианту способа Байер-спекание, но и установить зависимость результатов процесса от тех или иных исходных данных, таким образом, оптимизировать цикл в целом.

ГЛИНОЗЕМНОЕ ПРОИЗВОДСТВО КАК ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

,

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» г. Екатеринбург

Бокситы в настоящее время являются основным сырьем для производства глинозема во всем мире. Они являются полиметаллическим сырьем, в котором содержится около 40 различных элементов Периодической системы . Комплексность использования бокситов составляет менее 10 %, по данным некоторых источников это значение не превышает 6÷7 %.

В течение многих лет ведутся исследования по повышению комплексной переработки бокситов по различным направлениям.

Первое направление связано с внедрением разработанных технологий попутного извлечения из бокситов некоторых редких элементов в действующие способы производства глинозема. Такие способы переработки бокситов требуют существенного усовершенствования в целях бережного и разумного использования сырья, сокращения отходов, загрязняющих окружающую среду. На некоторых заводах кроме глинозема из бокситов попутно извлекают галлий и ванадий. Все остальные элементы выбрасывают в составе красного шлама в отвал. Количество красного шлама превышает объем производимого глинозема. Целесообразно ли направлять в отвал то, что стоит больше, чем извлекаемый из боксита глинозем? Ответ на данный вопрос очевиден.

Второе направление связано с разработкой новых перспективных способов переработки бокситов без образования красных шламов, а также с приемами их использования. Это направление представляет большой практический интерес для черной и цветной металлургии.

Бокситы необходимо использовать комплексно. Их следует рассматривать как потенциальное сырье для получения редких металлов, например, таких как галлий и ванадий.

Так, для получения галлиевых концентратов из алюминатных растворов используют главным образом следующие способы:

1)  двухстадийная карбонизация;

2)  обработка растворов известью;

3)  электролиз с ртутным катодом;

4)  электролиз с твердыми катодами из нержавеющей стали, свинца, меди;

5)  электролиз с катодами из металла, в который диффундирует восстановленный галлий;

6)  комбинированные способы.

Также промышленное применение нашли следующие способы выделения галлия из щелочно-алюминатных растворов глиноземного производства:

1)  цементация амальгамой натрия, которая, в частности, образуется при электролизе алюминатных растворов с ртутным катодом;

2)  жидкостная экстракция с использованием различных эфиров, спиртов, кислородсодержащих органических соединений;

3)  сорбционные методы получения галлия.

Для выделения ванадиевого концентрата из алюминатных растворов наиболее распространен кристаллизационный способ, основанный на снижении растворимости соединений ванадия в щелочно-алюминатных растворах в зависимости от концентрации едкого натра и температуры.

При переработке бокситов разных мес­торождений по способу Байера образуются красные шламы, ко­торые выводятся из процесса в виде пульпы и складируются в шламохранилищах. Химический и минералогический состав та­ких шламов достаточно сложен. Он зависит от состава исходно­го боксита, а также от способа и условий переработки. На 1 т по­лучаемого глинозема образуется 0,8÷1,2 т красного шлама. Хи­мический состав байеровских красных шламов изменяется в сле­дующих пределах, %: 10÷20 А12О3; 4÷10 SiO2; 30÷40 Fe2O3; 5÷15 CaO; 3÷10 TiO2; 2÷5 Na2O; 5÷15 потери при прокаливании.

Красный шлам является техногенным отходом. На шламохранилищах Уральских алюминиевых заводов его накопилось огромное количество. С красным шламом потеряно более 6 млн. т оксида алюминия, существенное количество железа, оксидов натрия и титана, а так­же редких металлов.

Результаты нейтронно-активационного анализа бокситов и красных шламов Уральских алюминиевых заводов, проведенного сотрудниками кафедры металлургии легких металлов «Уральского государственного технического университета – УПИ», представлены в табл. 1.

Шламохранилища занимают большие земельные площади и являются источником щелочных шламовых вод. Требуются значительные затраты на эксплуатацию шламохранилищ и сис­темы гидротранспорта. Поэтому в разных странах проводятся многочисленные исследования по их утилизации и переработке.

Исследования и промышленные испытания на ряде заводов показали, что красные шламы могут быть эффектив­ной добавкой в шихту при агломерации железных руд. В доменном производстве использование такого агломерата приводит к повышению производительности доменных печей, экономии кокса, снижению содержания серы в металле.

Одной из перспективных областей использования красных шламов является производство строительной керамики, где он применяется в каче­стве сырьевого материала в смеси с пластичной глиной.

Большой интерес представляют способы использования красного шлама в дорожном строительстве, в частности для по­лучения прочного и дешевого заменителя асфальта.

Масштабные работы по использованию в сельском хозяйст­ве выполнены применительно к красным шламам Николаевско­го глиноземного завода. Эти исследования позволили сделать следующие основные выводы:

1)  красный шлам - комплексное минеральное удобрение, т. к. содержит в своем составе большой ассортимент необходимых для растений элементов минерального питания, которые находят­ся в подвижном состоянии и легко усваиваются растениями;

2)  красный шлам обладает высокой сорбционной способнос­тью, что повышает коэффициент использования азота;

3)  красный шлам повышает всхожесть семян различных сельскохозяйственных культур, увеличивает урожайность.

В настоящее время существуют следующие основные направления по переработке красных шламов:

1)  регенерация гидроксида алюминия;

2)  извлечение глинозема;

3)  извлечение железа с получение высоколегированного чугуна;

4)  получение редкоземельных и других металлов.

Таблица 1

Результаты нейтронно-активационного анализа бокситов и красных шламов уральских алюминиевых заводов

Продукт	Содержание редкоземельных элементов, %
La, 10-2	Th, 10-4	Yb, 10-4	Tb, 10-4	Sc, 10-3	Ce, 10-2
1. Боксит СУБРа	1,1	2,2	8,0	5,3	6,9	2,3
2. Боксит ЮУБРа	1,5	4,0	14	6,9	6,3	2,6
3. Красный шлам ветви гидрохимии (БАЗ)	2,0	3,9	24	13	13	4,3
4. Красный шлам ветви гидрохимии (УАЗ)	2,0	4,7	28	10	13	4,1
5. Красный шлам ветви спекания (БАЗ)	2,1	6,4	19	10,0	9,0	4,1
6. Красный шлам ветви спекания (УАЗ)	2,4	6,8	20	10	10,5	4,3

Приведен неполный перечень способов утилизации и переработки красных шламов. Однако многочисленные данные свидетельствуют о больших возможностях их использования. Следует подчеркнуть, что в настоящее время объ­ем применения красных шламов в различных областях составля­ет только небольшую часть от имеющихся и образующихся вновь отвалов.

Необходимо отметить, что применением различных технологических приемов сотрудникам кафедры металлургии легких металлов «УГТУ-УПИ» удалось получить красные шламы с повышенным содержанием оксидов железа и титана, а также РЗЭ. Выход данных шламов на 25÷40 % меньше их выхода на Уральских алюминиевых заводах. Таким образом, наметилась принципиальная возможность комплексной переработки бокситового сырья любого качества. Шлам, после промывки, рекомендуется отправлять в трубчатые вращающиеся печи с целью получения металлических окатышей, которые в дальнейшем целесообразно перерабатывать в высоколегированный чугун.

В заключении следует отметить, что данный метод переработки красных шламов является одним из наиболее перспективных и успешно опробованных в промышленности.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ

ШАМОЗИТ-БЕМИТОВЫХ БОКСИТОВ

, С.

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»,

г. Екатеринбург

Залежи низкокачественных бокситов, одной из крупнейшей в России бокситоносной провинции, находящейся в пределах Среднего Тимана, по своим существенным запасам алюминиевого сырья, несомненно, имеют большой практический интерес для развития действующих мощностей современного глинозёмного производства. Балансовые запасы бокситов этого региона превышают 250 млн. т.

В последние годы алюминиевые заводы Урала успешно осваивают среднетиманские бокситы. В составе бокситоносной толщи Среднего Тимана по физическим свойствам и по текстурным признакам выделены следующие литологические разновидности боксита: плотный маркий обломочный красный; плотный маркий обломочный или пелитоморфный белый; каменистый обломочный красный; каменистый обломочный зелёный; каменистый полосчатый красный или светлый (розоватый желтоватый). Перечисленные разновидности боксита несколько различаются по химическому и минеральному составу. Основным породообразующим минералом среднетиманских бокситов является бемит, иногда диаспор. Кроме того, для этих руд характерно присутствие шамозита до десятка процентов, а иногда и выше 30 %. Этим можно объяснить, что бокситы с содержанием закиси железа менее 1 % составляют 29,28 % от общей массы сырья, от 1 до 5 % FeО – 25,36 %, от 5 до 10 % FeО – 27,14 %, от 10 до 15 % FeО – 15,36 %, бокситы насыщенные более 15 % FeО составляют 2,86 % залежи.

Известно, что процесс разложения диаспоровых бокситов активизирует соединения двухвалентного железа, которые разлагаются в щелочных растворах с образованием оксида (II) железа. Источниками двухвалентного железа в бокситах являются минералы: сидерит, пирит, хлорит, мельниковит.

По данным одних авторов в процессе автоклавного выщелачивания хлориты, в частности, шамозиты полностью разлагаются с образованием гидроалюмосиликата натрия (ГАСН) и тонкодисперсного магнетита. Другие авторы утверждают, что железистые хлориты бокситов в процессе извлечения глинозёма алюминатным раствором с 200 г/л Νa2O при 220 ºС не разлагаются, а полностью переходят в красный шлам. Такие противоречия взглядов на растворимость шамозита можно объяснить исследованием различных по кристаллохимической природе шамазитов.

Известно, что в алюминиевом сырье Среднего Тимана обнаружена рентгеноаморфная фаза, обладающая переменным составом (от чистого кремнезёма до железистого алюмосиликата). Выявленная рентгеноаморфная фаза представляет собой продукт разрушения шамозита при его нагревании и является основным поставщиком активного кремнезёма, что способствует образованию гидроалюмосиликата натрия и, следовательно, существенным потерям глинозёма и каустической щёлочи с красным шламом.

Кроме того, известно, что в процессе автоклавного выщелачивания бокситов при взаимодействии каустической щёлочи с шамозитом образуются: натриевый алюмосиликат, мелкодисперсный магнетит и водород. Причём водород выделяется в эквивалентном количестве к содержанию двухвалентного железа. Высокое содержание последнего в бокситах может привести к значительному накоплению водорода в процессе вскрытия, и в результате – к внезапному самопроизвольному повышению давления в автоклавах и агитаторах варёной пульпы. Такое непредсказуемое нарушение процесса извлечения глинозёма из боксита может привести к чрезвычайным последствиям, в частности, к взрыву основного оборудования участка выщелачивания боксита.

Необходимость удаления из алюминиевого сырья алюмосиликатов и двухвалентного железа на стадии подготовки руды очевидна, так как в голове технологической схемы процесс кондиционирования боксита выполнить проще и дешевле.

Ранее нами был разработан способ обогащения сидеритизированных бокситов [1], которые имеют некоторую схожесть с бокситами Среднего Тимана, в частности, повышенную влажность (до 20 %), высокое содержание глинистых фракций и двухвалентного железа, неоднородность состава и острую необходимость довести их до требуемой нормы.

Учитывая результаты исследований таких низкокачественных бокситов, провели кондиционирование среднетиманского шамозит-бемитового боксита, по ранее разработанному способу [1] с некоторым дополнением технологической схемы обогащения, представленной на рис.1.

Результаты исследований предлагаемой безотходной технологии обогащения боксита показали возможность комплексного использования шамозит-бемитового сырья.

Исследуемую безотходную технологическую схему обогащения бокситов предлагаем применить непосредственно на месторождении в регионе Среднего Тимана, что позволит предприятиям чёрной и цветной металлургии:

- получить на месте добычи руды дополнительные сырьевые продукты для производства чёрных металлов, в частности, попутный металл в виде передельного чугуна;

- получить качественный бокситовый концентрат;

- полностью использовать Al2O3 боксита в глинозёмном производстве при минимальных потерях с красным шламом;

- существенно снизить транспортные расходы по доставке качественного сырья на заводы чёрной и цветной металлургии.

Рис. 1. Технологическая схема обогащения шамозит-бемитовых бокситов

В технологическую схему обогащения низкокачественных бокситов предлагаем включить: дробление, сухую и мокрую классификацию с выделением крупного твёрдого каменистого продукта и смеси мелкого каменистого продукта с тонкодисперсной глинистой фракцией, измельчение и магнитную сепарацию твёрдого продукта в сильном магнитном поле при напряжённости 2500 – 3500 Э, с выделением бокситового концентрата и шамозит-бемитового продукта, последний соединить с подрешётной смесью, добавить восстановитель с известняком и подвергнуть восстановительной плавке при температуре 1450 – 1500 ºС, с получением попутного металла и алюмокальциевого шлака. Алюмокальциевый шлак и бокситовый концентрат направить в процесс Байера глинозёмного производства.

Восстановительную плавку по предлагаемой технологической схеме используем как способ обогащения шихты, состоящей из шамозит-бемитового продукта, мелкого каменистого продукта, тонкодисперсной глинистой фракции, восстановителя и известняка. Этот пирометаллургический процесс позволит восстановить все железосодержащие минералы до металла с получением пригодных для дальнейшего использования двух готовых продуктов – попутного металла (передельного чугуна) и безжелезистого саморассыпающегося алюмокальциевого шлака.

Установлено, что саморассыпающийся алюмокальциевый шлак не содержит шамозита и алюмосиликатных соединений. Шихта для выплавки шлака рассчитана на образование ортосиликата кальция 2СаО·SiO2 и двенадцатикальциевого семиалюминта (12СаО·7Аl2O3).

С целью существенного повышения качества исходного алюминиевого сырья часть алюмокальциевого шлака предлагаем объединить с бокситовым концентратом из расчёта 5 % содержания СаО в разубоженном продукте. То есть, увеличить в исходном сырье для процесса Байера содержание Аl2O3 и СаО, а также снизить в составе этой смеси массу шамозита, алюмосиликата и соединений железа, что существенно уменьшает получение и выход отвального красного шлама и содержание глинозёма в последнем. Кроме того, снижаются потери каустической щёлочи с гидроалюмосиликатом натрия (ГАСН). Этому способствует снижение содержания продуктов образования ГАСН, шамозита и алюмосиликата, а также появление в исходной, для переработки в процессе Байера, глинозёмсодержащей смеси, соединений оксида кальция, которые взаимодействуют с ГАСН и образуют гидрогранат кальция.

Такую глинозёмсодержащую смесь необходимо подвергать автоклавному выщелачиванию в процессе Байера.

Другую, большую часть алюмокальциевого шлака, предлагаем выщелачивать в содовом растворе при атмосферном давлении, с температурой 70 ºС и продолжительности процесса 30 – 60 минут.

Результаты разработанной технологической схемы обогащения боксита приведены в табл. 1.

По разработанной технологической схеме обогащения боксита получается три готовых продукта. Два из которых, бокситовый концентрат с содержанием, %: 52,7 Аl2O3, 1,6 FеO и алюмокальциевый шлак с содержанием, %: 31,63 Аl2O3 и 0,13 FеO – являются качественным исходным продуктом для получения глинозёма методом Байера. Третий конечный продукт обогащения – попутный металл с содержанием, %: 96,37 Fe, 1,56 Si и 1,91 С можно успешно использовать в чёрной металлургии при производстве ферросплавов, что существенно снизит себестоимость получения качественного глинозёмсодержащего сырья, без потерь основного компонента (Аl2O3) для алюминиевой подотрасли.

Таблица 1

Результаты обогащения шамозит-бемитового боксита

По- зи- ция	Продукт, (класс крупности, мм)	Выход %	Содержание, %	Крем-ниевый модуль ед.	Извлечение, %
Al2O3	SiO2	Fe2O3	FeО	Al2O3	FeО
1.	Исходный боксит	100,0	48,87	7,04	27,94	2,58	6,94	100,0	100,0
Продукты обогащения
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.	Кл. кр. +300 Кл. кр. -300+0 Кл. кр. -300+2 Кл. кр. -2+0 п.2+п.4 н. ф. м. ф. п.8+п.5	11,6 88,4 20,13 68,27 31,73 21,22 10,51 78,78	50,2048,70 49,07 48,59 49,48 52,70 43,00 47,84	6,60 7,10 7,20 7,07 6,98 7,00 6,89 7,05	28,2227,90 28,31 27,78 28,28 24,30 36,30 28,92	2,402,60 2,26 2,70 2,31 1,60 3,77 2,84	7,61 6,86 6,82 6,87 7,09 7,53 6,24 6,79	11,9288,08 20,20 67,88 32,12 22,88 9,24 77,12	10,79 89,21 17,76 71,45 28.55 13,16 15,39 86,84
10. 11. 12. 13.	Исходные и готовые продукты плавки
п.9 + СаСО3 5 % угля от массы п.9 Алюмокальцие-вый шлак Попутный металл	62,75% 37,25%	23,32 31,63	3,44 4,32	14,09 -	1,38 0,13	6,78 7,32	82,86 СаСО3 или 46,4 СаО 62,75 % СаО
96,37 % Fe; 1,56 % Si; 1,91 % С.

Литература