Производство песочного глинозема при комплексной переработке Кольских нефелиновых концентратов

Мировая алюминиевая промышленность базируется преимущественно на переработке высококачественных бокситов наиболее простым гидрометаллургическим способом Байера. В России из-за отсутствия такого сырья в сферу производства широко вовлекаются щелочные алюмосиликаты нефелинового состава. Переработка нефелинового сырья техногенного происхождения внастоящее время относится к приоритетным направлениям развития металлургического комплекса1 Северо-Западного региона, что позволяет обеспечить потребности государства в разнообразных продуктах металлургического, химического и строительного назначения. При. этом необходимо * обеспечить конкурентоспособность всех видов продукции по сравнению с аналогами, производимыми из других видов сырья и по иным технологическим схемам. Современная технология переработки' щелочного алюмосиликатного сырья обладает высокими технико-экономическими показателями* и обеспечивает производство глинозема, не имеющего по химическому составу мировых аналогов. Тем не менее, в этой технологии возникают значительные сложности с обеспечением требуемых физических свойств металлургического глинозёма.

Существенный прогресс в улучшении физико-химических свойств отечественного глинозёма достигнут благодаря работам С. И. Кузнецова, В. А. Деревянкина, Н. И. Еремина, М. Н. Смирнова, В. М. Сизякова, творческих коллективов ВАМИ, УАЗа, БАЗа, ПГЗ и ряда других организаций. Работами научной школы кафедры металлургии цветных металлов СПГТУ намечены перспективы дальнейшего улучшения свойств глинозёма, которые имеют существенное значение при последующем электролитическом получении алюминия. Однако формирование требуемых физических характеристик глинозёма (крупности, текучести, прочности, и как следствие малого пыления, и высокой скорости растворения в электролите алюминиевых электролизёров) в сочетании с высоким выходом продукции такого качества остаётся нерешённым вопросом переработки нефелинового сырья.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «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», и в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на! 2009;2013 годы по Росконтракту № 14.740:11.0146 «Синтез лигатур, сплавов, оксидных и металлических композиций цветных металлов, обладающих объёмнойили поверхностной упорядоченностью структуры на микрои наноразмерном уровне».

Цель работы: Научное обоснование и разработка технологических решений, обеспечивающих увеличение выхода глинозёма песочного типа при комплексной переработке Кольских нефелиновых концентратов.

Идея работы: С целью увеличения выхода глинозёма песочного типа выделение гидроксида, алюминия следует проводить при пониженных пересыщениях алюминатных растворов от переработки нефелиновых концентратов, что обеспечивает условия послойного роста затравочного гидроксида алюминия.

Задачи исследований:

• Анализ известных технологических решений формирования крупнокристаллического гидроксида алюминия и производства глинозёма песочного типа.

• Физико-химический анализ технологических систем, используемых для осаждения гидроксида алюминия и термодинамических особенностей системы Ма20-К20-А120з-Н20.

• Экспериментальное определение показателей разложения алюминатных растворов в системе ЫагО-КзО-АЬОз-НгО.

• Экспериментальное исследование зависимости фракционного состава осадка А1(ОН)3 от ведущих технологических факторов процесса и решение задачи оптимизации разложения алюминатных растворов для синтеза крупнокристаллического гидроксида алюминия при переработке нефелинового сырья.

• Анализ известных аппаратурно-технологических решений для разложения алюминатных растворов глинозёмного производства и разработка технологических решений адаптированных к существующим производственным схемам переработки нефелинов.

Научная новизна работы:

• Установлена зависимость растворимости А1203 в системе Ма20-К20-А120з-Н20 от мольной доли К20;

• Разработана термодинамическая модель равновесия в частных разрезах системы Ыа20-К20-А120з-Н20, учитывающая наличие двух форм алюминатных ионов (мономеры и димеры) в растворах технологических концентраций;

• Теоретически обосновано снижение метастабильной устойчивости алюминатных растворов при переходе от системы Ыа20-А120з-Н20 к системе К20-А120з-Н20.

• Экспериментально установлена зависимость показателей декомпозиции алюминатных растворов в системе Ма20-К20-А1203-Н20 от мольной доли К20 в растворе.

• Экспериментально установлена зависимость выхода фракции +45 мкм гидроксида алюминия в режиме последовательной декомпозиции и карбонизации алюминатных растворов от продолжительности декомпозиции, температуры раствора и концентрации затравки.

Основные защищаемые положения:

1. Для обеспечения условий послойного роста затравки гидроксида алюминия при переработке растворов от выщелачивания нефелиновых спёков, следует проводить их разложение методом декомпозиции с соблюдением величины относительного пересыщения системы на единицу поверхности твёрдой фазы.

2. С целью увеличениям выхода гидроксида алюминия крупных фракций и глинозёма, марки ГК при комплексной переработке Кольских нефелиновых концентратов разложение алюминатных растворов следует проводить сочетанием последовательноосуществляемой: декомпозициии- карбонизации, в содовой" и содо-щелочной ветви производственного ' потока при соблюдении установленных режимных параметровведения' процесса (продолжительность декомпозициитемпература’раствора, концентрация затравки).

Практическая значимость:

• Установлен технологическийрежим" разложения: алюминатных растворов глинозёмного производстваобеспечивающий увеличение выхода крупных фракцийгидроксида алюминия и глинозёма марки ГК, с высокой степенью адаптации к существующей производственной схеме переработкщнефелиновых руд и концентратов.

• Научные и практические результаты работы вошли в лекционные курсы по дисциплинам «Основы металлургии лёгких металлов», «Новые и перспективные процессы? вметаллургии цветных металлов"^ „Организация экспериментальных, исследований“ для подготовки студентов по специальности 110 200 „Металлургия цветных металлов“ и магистров по направлению 550 500,""Металлургия».

Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались, на, международном конгрессе «Цветные Металлы Сибири-2010» (Красноярск 2010), на 60 и 61 международной' научной конференции воФрайбергской горной академии, (Фрайберг 2009, 2010) — на международной научно-технической конференции «Металлургия лёгких и тугоплавких металлов» (Екатеринбург 2008), на ежегодной научной конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» в СПГГИ (ТУ) (СПб 2007, 2008, 2009).

Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и библиографического списка, включающего 180 наименования. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 40 таблиц и 90 рисунков.