Введение к работе
Актуальность работы. Нефелины являются важнейшим сырьевым источником Российской Федерации для производства глинозёма и попутной продукции. В настоящее время из этого сырья производится около 40% отечественного глинозёма и планируется дальнейшее увеличение этой составляющей в структуре алюминиевой отрасли. Обязательным элементом уникальной технологии комплексной переработки нефелинов является глубокое разделение алюминия и кремния в щелочных растворах, которое полностью обеспечивает потребности отрасли и требования ГОСТа по качеству производимой продукции. Существенный вклад в создание современной технологии обескремнивания алюминатных растворов внесли разработки институтов ВАМИ, МИСИС, УПИ, ИМЕТ РАН, СПГТИ (ТУ), СПГГИ (ТУ) и ряда других организаций. Это позволило внедрить на предприятиях отрасли передовые технические решения, обеспечивающие возможность производства высококачественной продукции и расширить ассортимент попутно производимых материалов. Эти разработки были подготовлены исследованиями, выполненными под руководством ведущих специалистов отрасли проф. Лайнера А.И., проф. Смирнова М.Н., проф. Абрамова В.Я, проф. Певзнера И.З., проф. Мальца Н.С, проф. Сизякова В.М. и других крупных учёных, что обеспечило развитие научного потенциала значительного количества технологических решений и формирование современной научной школы в области производства глинозёма и попутной продукции. При этом были определены приоритетные направления дальнейшего совершенствования технологии производства глинозёма, связанные с использованием ресурсосберегающих технологий.
Не смотря на высокие производственные показатели современной технологии обескремнивания, часть используемых технологических операций связана с применением высокотемпературных обжиговых процессов и технически сложных автоклавных установок, что оставляет резерв для дальнейшего совершенствования технологии разделения алюминия и кремния в производстве глинозёма.
Исследования выполнялись в рамках госбюджетной тематики НИР СПГГИ (ТУ) по проекту № 1.3.08 «Развитие физико-химических основ ресурсосберегающих процессов и технологий при комплексной переработке сырья цветных металлов» и в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» по проекту № 2.1.2/5161 «Развитие фундаментальных основ синтеза метастабильных соединений в области технически значимых систем алюминиевой промышленности».
Цель работы. Разработка технологии процесса низкотемпературного обескремнивания алюминатных растворов при комплексной переработке Кольских нефелиновых концентратов.
Идея работы. С целью снижения температуры первой стадии обескремнивания и достижения ресурсосберегающего эффекта на стадии глубокого обескремнивания алюминатных растворов следует применять в качестве затравки активированный нефелиновый концентрат и известковый шлам от операции каустификации соды при синтезе карбоалюминатного реагента.
Основные задачи исследования:
Научное обоснование и выбор способа активации затравочных материалов различной природы, обеспечивающих интенсивный режим безавтоклавного обескремнивания алюминатных растворов.
Методическая проработка и экспериментальное исследование технологии механической и механохимической активации затравочных материалов для использования на первой стадии обескремнивания алюминатных растворов при комплексной переработке Кольских нефелиновых концентратов.
Экспериментальное исследование и оптимизация технологического режима первой стадии обескремнивания алюминатных растворов.
Научно-технологическое обоснование безобжигового синтеза обескремнивающего реагента высокой активности для глубокого выделения кремния из алюминатных растворов.
Разработка рациональной аппаратурно-технологической схемы низкотемпературного процесса обескремнивания алюминатных растворов адаптированной к существующей схеме производства глинозёма высокого качества при переработке Кольских нефелиновых концентратов.
Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием термодинамического анализа многокомпонентных систем и кинетического анализа массопереноса в многофазных системах. Для изучения свойств и составов жидких и твердых технологических продуктов использовались физические и физико-химические методы: рентгенофазовый, микроскопический, термолюминесцентный, виброситовой и лазерного рассеяния для определения фракционного состава. Химические анализы выполнялись с использованием титрометрического и фотоколориметрического методов по известным отраслевым методикам. При выполнении экспериментальных исследований применялся метод математического планирования, крутого восхождения и методы математической статистики. На всех этапах обработки данных использованы стандартные программные пакеты.
Научная новизна:
Установлены различия в природе механической и механохимической активации нефелинового концентрата, связанные с возникновением долговременных объёмных дефектов в первом случае и активных участков свежеосаждённого гидроалюмосиликата натрия (ГАСН) во втором.
Определены технологические равновесия алюминатных растворов по концентрации SiO2 и кинетика их достижения в присутствии активированного нефелинового концентрата в зависимости от температуры процесса, концентрации алюминатного раствора и способа активации. Показана возможность описания скорости осаждения ГАСН в широком временном интервале с помощью уравнения кинетики топохимических процессов. Установлено, что скорость осаждения в основном периоде кристаллизации ГАСН описывается уравнением первого порядка для обратимого химического взаимодействия.
Экспериментально установлена зависимость технологической растворимости ГАСН в щелочных алюминатных растворах при введении гидрокарбоалюмината кальция (ГКАК) от его дозировки и температуры раствора. Показано, что в присутствии ГКАК равновесие устанавливается на новом, более низком уровне концентрации SiO2, что объясняется изменением фазового состава осадка ГАСН.
Определены термодинамические условия многофазного равновесия системы CaCO3 –NaAl(OH)4–NaOH–H2O при участии ГКАК и установлена зависимость его выхода от фракционного состава исходного карбонатного материала (CaCO3) и продолжительности процесса. Установлена диффузионная природа лимитирующей стадии синтеза ГКАК в указанной системе.
Защищаемые положения.
Для интенсификации первой стадии обескремнивания алюминатных растворов и возможности осуществления этого процесса при атмосферном давлении и пониженных температурах следует использовать нефелиновый концентрат, активированный с применением физических и физико-химических методов.
При разработке аппаратурно-технологической схемы низкотемпературного процесса обескремнивания алюминатных растворов применительно к существующей переработке нефелиновых концентратов необходимо выделение потока активированного нефелинового концентрата в качестве затравки для осаждения ГАСН и использование химически активного известкового шлама при синтезе ГКАК.
Практическая значимость работы:
Предложено конкурентоспособное технологическое решение по применению процесса низкотемпературного обескремнивания, которое позволяет исключить автоклавную технологию и упростить аппаратурное оформление переработки алюминатных растворов в производстве глинозёма из нефелинового сырья.
Использование известкового шлама от операции каустификации содовых растворов в качестве исходного материала для синтеза ГКАК позволяет улучшить показатели этого процесса, сократить расход известняка и повысить активность получаемого реагента, используемого на стадии глубокого обескремнивания алюминатных растворов.
Научные и практические результаты работы вошли в лекционные курсы по дисциплинам «Основы металлургии лёгких металлов», «Новые и перспективные процессы в металлургии цветных металлов», «Организация экспериментальных исследований» для подготовки студентов по специальности 110200 «Металлургия цветных металлов» и магистров по направлению 550500 «Металлургия».
Степень обоснованности и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации подтверждается всесторонним информационным анализом объекта исследования, использованием современных методов исследований и обработки данных, а так же соответствием полученных экспериментальных результатов теории и практике разделения алюминия и кремния в щелочных растворах глинозёмного производства.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на международном конгрессе «Цветные Металлы Сибири-2009» (Красноярск 2009), «Цветные Металлы Сибири-2010» (Красноярск 2010), на XLVIX международной научной конференции в Краковской горно-металлургической академии (Краков, 2009), на ежегодной научной конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» в СПГГИ (ТУ) (СПб, 2009, 2010).
Личный вклад автора состоит в анализе существующих способов разделения алюминия и кремния в щелочных растворах глинозёмного производства, постановке цели и задач исследований, проведении лабораторных исследований, обработке полученных данных, подготовке статей и материалов для участия в конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 28 таблиц и 73 рисунка. Библиография включает 134 наименования.
