Выщелачивание подготовленного сырья для получения первичного раствора извлекаемого компонента.

Очистка первичного раствора от примесей.

Получение из раствора металла или чистого соединения извлекаемого компонента.

Рабочей системой и продуктом процессов выщелачивания и осаждения реагентами является пульпа - суспензия твёрдых частиц в растворе.

Пульпа, как суспензия характеризуется соотношением масс твёрдой части и раствора ( Ж:Т) и составами жидкой и твёрдой составляющих.

В гидрометаллургии имеют дело с растворами самых разнообразных концентраций. В металлургии алюминия работают с растворами, содержащими сотни граммов в литре растворённых веществ и в том числе более 100 г/ литр извлекаемого металла.

Химические свойства

высокой чистоты = 2,6979 г/ см³

При Т = 1000⁰С плотность =2,289 г/ см³

В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы при литье. В твёрдом виде алюминий легко подвергается ковке, прокатке, волочению, резанию. Из него можно вытягивать тончайшую проволоку и катать фольгу. Пластичность алюминия возрастает по мере повышения его чистоты.

Алюминий имеет высокую теплопроводность и электропроводность.

Применение алюминия

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Это небольшая плотность, хорошая пластичность, достаточная механическая прочность, высокие тепло - и электропроводность. Нетоксичен, немагничен и коррозионно стоек к раду химических веществ. Благодаря этим своим свойствам он нашел огромное применение в самых различных областях промышленности.

Значительная часть алюминия используется в виде сплавов с: магнием, кремнием, цинком, никелем, титаном и другими. Сплавы повышают механическую прочность.

Важнейшие потребители алюминия и его сплавов:

Авто и авиа промышленность

Железнодорожный и водный транспорт

Машиностроение

Электротехническая промышленность и приборостроение

Промышленное и гражданское строительство

Химическая промышленность

Алюминий один из важнейших стратегических металлов, используется в, артиллерии, танкостроении, космической технике.

3. История развития алюминиевой промышленности

В настоящее время под металлургией в узком смысле этого слова понимают ту область науки и промышленности, которая занимается получением металлов и сплавов из руд и других металлов. Первым ученым металлургом был Агрикола (Бауэр) 1494-1555гг., изучавший металлургию на европейские заводах. В 1556г. вышла, написанная им книга по металлургии и горному делу, называлась она «De Re Metallica». Однако научный уровень, изложенных в ней вопросов металлургии был очень низкий. В таком положении металлургическая наука находилась на протяжении двухсот лет. Лишь открытие великим русским ученым Ломоносовым (1711-1765гг) закона «сохранения веса при химических реакциях» (1748г) позволило на его основе дать изложение способов извлечения металлов из руд на более высоком уровне, чем существующих до него руководствах по металлургии. Ломоносов стал основателем научной металлургии и автором первой на русском языке книги по металлургии. Он экспериментально доказал, что не материя сия, а воздух окисляет материалы. Это дало возможность правильно трактовать металлургические процессы с точки зрения взаимодействия руд и топлива с воздухом.

Конец XVIII и первая половина XIX вв. в России отмечены рядом крупных открытий и ценных исследований в области металлургии цветных и благородных металлов. Открытый Гессом закон « о постоянстве суммы тепла реакций» стал основой теоретической металлургии. В 1834г Фарадей открыл закон электролиза, явившегося основой процессов электролитического получения и рафинирования металлов. Большим достижением науки было создание в 1869г Д.И. Менделеевым периодической системы элементов. Русские ученые Бекетов. Федоров, Кузнецов. Жуковский и другие сделали ряд выдающихся исследований, которые сыграли большую роль в развитии мировой алюминиевой промышленности.

Открытый Байером в конце XVIII века щелочной метод получения глинозема из бокситов явился самым экологичным и экономическим способом производства алюминия.

5 мая 1922г был пущен в работу Каталинский (Кировоградский) медеплавильный завод на Урале. Эта дата считается днем рождения цветной металлургии в странах СНГ. В конце 1922г начал выдавать руду, концентраты, металлы, серную кислоту свинцово-цинковый завод в Алагире; завод электроцинка на Северном Кавказе. В течении 1924-1925гг вступили в строй Талды-Баймакский (в Башкирии), Алавердинский и Зангезурский (В Армении) и Карабашский (на Урале) медные заводы.

В России в 1929г были проведены опыты электролиза алюминия из отечественного сырья. Опыты были проведены на заводе «Красный выборжец» в Ленинграде.

В 1931 г был создан научно-исследовательский институт алюминиевой и магниевой промышленности. В нем была сосредоточена основная масса научно-исследовательских работ по производству алюминия и магния, сыгравшую огромную роль в создании и развитии алюминиевой промышленности в СНГ.

В 1932г был пущен Волховский алюминиевый завод (ВАЗ), в!933г Днепропетровский алюминиевый завод, основой которых является план ГОЭЛРО, в 1938г вступил в строй Тихвинский глиноземный завод, в 1939г Уральский алюминиевый завод, в 1942г Новокузнецкий алюминиевый завод; в 1950г - Канакерский, в 1951г - Кандалашский, в 1954г - Надвандский, в 1955г - Сумгаитский, 1959г - Волгоградский, в 1962г - Иркутский, в 1964г -Красноярский, в 1966г - Братский, Ачинский, в 1970г Николаевский, Таджикский, Кировобадский алюминиевые заводы.

За годы советской власти были построены и пущены в работу Лениногорский свинцово-цинковый комбинат; Усть-каменогорский свинцово-цинковый комбинат; Иртышский медеплавильный завод; Балхашский горно-металлургический комбинат; Джезказганский, Чимкентский свинцовые заводы и в 1964г Павлодарский алюминиевый завод.

Производство алюминия развивается исключительно быстрыми темпами. Быстрый рост производства объясняется прежде всего ценными его свойствами, разнообразием областей применения и большой распространенностью руд в природе. Алюминий один из важнейших стратегических металлов, используется в авиации, судостроении, артиллерии, танкостроении, космической технике.

4. Сырье для получения глинозема

Сырьем для получения глинозема является боксит, который представляет собой горную породу, состоящую в основном из гидроокиси алюминия, окислов железа, SiO2, TiO2 с примесью других минералов. Боксит получил свое название от города Бо (Bovx), где впервые был обнаружен в 1821 году. За последние годы во многих странах были найдены большие месторождения бокситов. Добыча бокситов ежегодно увеличивается на 10%. В настоящее время разведаны запасы примерно 10 млрд.тонн, при годовой добыче около 70 млн.тонн.

Различают бокситы: гиббсито-бемитовые, диаспоровые, гиббсито-диаспоровые. Тип боксита определяется возрастом породы, самые древние считаются диаспоровые, в них встречается корунд, а наиболее молодые бокситы - гиббситовые.

Бокситы Тургайского (Амангельдинской группы) месторождения относятся к гиббситовому типу и легко вскрываются при атмосферном давлении, кремневый модуль колеблется в широких пределах и в среднем составляет около 3-4 единиц. В северном Казахстане находится значительное число месторождений бокситов: Амангельдинская группа, Краснооктябрьская, Белинская, Аятское и другие.

Внешний вид бокситов разнообразен, чаще это красные, довольно твердые породы, нередко встречаются бокситы белые, желтые, темно-зеленые, серые. Красный цвет указывает на большое содержание железа, при малом содержании ее цвет боксита белый или серый. Чем выше кремневый модуль и большое содержание А12ОЗ, тем качественнее боксит.

Строение залегания бокситов Амангельдинской группы однотипные. Рыхлые и каменистые разновидности бокситов в разрезе рудников занимают верхние слои, а глинистые и сухаристые - нижние горизонты.

Основными разновидностями боксита Тургая, несмотря на весьма разнообразную окраску и достаточно пестрый химический состав являются каменистые, рыхлые, сухаристые, глинистые.

Каменистые бокситы не представляют собой монолитной сплошной массы, как предполагали раньше, а являются по существу рыхлыми бокситами с большим содержанием кусков и глыб различного размера.

Рыхлые бокситы представляют собой отдельные бобовины и плотные каменистые куски сцементированные обычно глинистыми разновидностями. Степень цементации различна, от слабой до весьма плотной.

Сухаристые бокситы представляют собой бобовую или безбобовую однородную каменистообразную породу с угловатыми изломами, значительная часть сухаристых бокситов является продуктом слабой дегидратации предыдущих типов, поэтому четкой границы между глинами и сухаристыми бокситами не наблюдается.

Глинистые бокситы представляют собой глинистую бобовую или реже безбобовую массу преимущественно гибситового состава с примесью коалинита. Основными материалами, входящими в состав боксита являются: гибсит; коалинит; глазурит; гидрослюда; гидроокислы железа - гематит, гидрогематит, гидрогетит, алюмогетит; в незначительных количествах в рудах присутствуют кварц, гибс, кальцит, полевые шпаты и др. Бокситоподобные породы и бокситы трудно отличить друг от друга и точно могут быть отличены по данным химического анализа.

Светлые, маложелезистые разновидности низкосортных бокситов и глины представляют собой огнеупорное сырье.

Бокситы Кустанайской области на сегодняшний момент представлены в основном тремя группами: Аятское, Белинское и Краснооктябрьское месторождения.

Помимо боксита в производстве глинозема используют и другие промышленные руды. Нефелин используется для получения глинозема, цемента, садово-поташной смеси удобрения. Крупные залежи на Кольском полуострове в виде аппетита нефелиновой породы. Обогащением руды аппатиты отделяются 3Ca3(PO4)2*CaF2, а в хвосты выделяется богатая нефелиновая фракция - нефелиновый концентрат, который является сырьем для производства глинозема.

Ачинская нефелиновая порода способом спекания непосредственно без обогащения перерабатывается на глинозем, цемент, соду и поташ.

Алуниты представляют интерес как комплексное сырье, из которого извлекается глинозем, серный ангидрит, калиевая и натриевая щелочь. Образуется алунит в результате воздействия гидротермальных сернокислых растворов на кислые и средние вулканические породы, содержащие калиевые шпаты, а также при действии сульфатных поверхностных вод на глиноземистые породы. Наиболее разведанным является Загликское месторождение в Азербайджане, в котором содержание алунитов составляет 55% среднего состава руды, А12ОЗ-22%,СО2 -20%, K2O*Na2O - 5%, SiO2 -41%,Fe-4%.

Глины - главные составляющие глинозема, содержащей породы является коалинит (A112O3*2SiO2*2H2O), который может перерабатываться на глинозем. Однако, и каменноугольные золы является менее выгодным с точки зрения организации глиноземного производства.

Средний состав Тургайского и Краснооктябрьского рудников по компонентам:

Среднее содержание глинистой фракции 36-46%;

Крупность боксита, поступающего с рудника - не более 300 мм. Удельный вес боксита - 2.6-2.8 т/м3; насыпной вес - 1.2-1.6 т/м3; влага - 17-21%.

Качественным показателем боксита является кремневый модуль. Это весовое отношение окиси алюминия в боксите к окиси кремния в боксите.

5. Глинозём

Глинозём - является основным исходным материалом для производства алюминия электролизом.

Химическая формула - Al2O3 - оксид алюминия.

Глинозём должен содержать минимальное количество влаги и иметь такую минералогическую форму, которая обеспечит ему достаточную негигроскопичность при длительном хранении. Получается в кристаллах и их сростках такой крупности, при которой бы он достаточно растворялся в электролите и мало распылялся при подаче на ванну.

Некоторые физико - химические свойства глинозёма.

Полиморфизм.

Для безводной окиси алюминия имеется несколько полиморфных разностей.

а- глинозём или корунд - единственная форма безводной окиси алюминия, встречающаяся в естественных горных породах в виде бесцветных кристаллов.

y - глинозём. В природе не встречается и образуется при обезвоживании трехводной окиси алюминия ( гидраргелита ) в температурном интервале 500-900⁰С. Характеризуется большой дисперсностью и гигроскопичностью. При нагревании выше 900⁰С.

y - глинозём начинает превращатся в а - глинозём, и полностью

переходит при Т=1200⁰С.

Водная окись алюминия известна в виде следующих стабильных форм:

Диаспора

Бемита

Гидраргелита

1и2 являются полиморфными разностями одноводной окиси алюминия и отвечают химическому составу метаалюминиевой кислоты. (НАlО2)

Аl2О3 *Н2О = 2 АlООН =2 НАlО2

3 - или его ещё называют гиббсит - является единственной формой трехводной окиси алюминия. Полиморфной разности не имеет. Отвечает химическому составу ортоалюминиевой кислоты (Н3АlО3)

Аl2О3 *3Н2О = 2 Аl(ОН)3 =2Н3АlО3

а- ряд у -ряд

Отсутствует Аl(ОН)3 Гидраргелит Аl(ОН)

Диаспор АlООН Бемит АlООН

Корунд а- глинозём y - глинозём

Термические свойства.

Т- плавления - 2050⁰С

Т - кипения - 2980⁰С

Химические свойства.

Глинозём - амфотерное химическое соединение,которому присущи как основные так и кислотные свойства. Так как гидроокись алюминия существует и в трех водной и в одноводной форме, то её можно рассматривать как ортаалюминиевую кислоту (Н3АlО3) и метаалюминиевую кислоту или основание НАlО2 или АlООН.

Благодаря своим амфотерным свойствам глинозём может растворятся как в кислотах, так и в щелочах. В растворах кислот гидроокись алюминия ведет себя как основание, образуя алюминиевые соли соответствующих кислот:

2 Аl(ОН)3 + 3Н2SO4 = Аl2(SO4)3 + 6H20

В растворах оснований гидроокись алюминия проявляет себя как кислота, образуя щелочные соли этой кислоты - алюминаты:

Аl(ОН)3 +NaOH = Na АlО2 + 2H20

Аl(ОН)3 +КOH = К АlО2 + 2H20

Вспомогательное сырьё.

На приготовление шихты для печей спекания используется известняк Керегетасского месторождения, который находится в 120 км от завода. Транспортировка известняка производится железнодорожным транспортом в полувагонах.

Известняк состоит в основном из кальцитов (95 - 98 %) с примесью глины, доломита, кремнезема, окислов железа.

Физические свойства известняка:

- удельный вес от 2,5 до 2,7 т/м³

- насыпной вес от1,5 до 1,7 т/м³

- влажность от 2 до 10 %

- крупность материала должна быть не более 300мм

Перед использованием в производстве производится входной контроль качества.

Таблица 1 Химический состав известняка (среднее значение ) :

Сода кальцинированная (техническая, из нефелинового сырья) поступает от Стерлитамакского и Ачинского комбинатов железнодорожным транспортом в спецвагонах-цементовозах и используется для приготовления шихты.

Физические свойства соды технической:

Удельный вес ---- 2,5т/м³

Насыпной вес ---- от 0,9 до 1,18 т/м³

Содержание влаги ---- до 1 %

Химический состав соды кальцинированной :

Содержание углекислого натрия ( Na₂CO₃) - от 91,7 до 99,7 %

Содержание углекислого калия ( K₂CO₃ ) - от 0,78 до 2,77 %

Содержание сернокислого калия ( K₂SO₃ ) - от 0,94 до 4,08 %

В качестве топлива для печей спекания используется уголь Шубаркольского месторождения. Перевозка производится железнодорожным транспортом в полувагонах. Уголь марки ''Д'', длиннопламенный, пожароопасен.

- коэффициент размолоспособности - 1,3 ;

- влажность до 13,8 %;

- удельный вес от 1,3 до 1,5 т/м3;

- насыпной вес от 0,8 до 1,0 т/м³.

Химический состав угля:

- зольность (Ad) - 10,6 %

- выход летучих веществ (Vdaf) - 43,55 %

- сера (Sd) - 0,40 %

- низшая теплота сгорания (Qi) - 5316 ккал/кг

- высшая теплота сгорания (Qdaf) - 7229 ккал/кг

6. Основные гидрометаллургические переделы производства глинозема по способу Байера

Боксит перед выщелачиванием подвергают крупному дроблению на руднике и затем усредняют, среднему и мелкому дроблению и мокрому помолу - на металлургическом заводе. Твердый боксит дробят на заводе в две-три стадии, а рыхлый - в одну-две стадии.

Выщелачивание боксита

Выщелачивание боксита должно осуществляться в условиях максимального извлечения окиси алюминия в раствор при минимальных затратах. На скорость и степень выщелачивания бокситов оказывают влияние следующие основные факторы: температура, концентрация щелочи и каустический модуль оборотного раствора, крупность измельченного боксита, скорость перемешивания пульпы.

Основным фактором, влияющим на этот процесс, является температура. Вскрытие гиббситовых бокситов с приемлемой для практики скоростью осуществляется в настоящее время при 95-100^о С.

Легковскрываемые гиббситовые бокситы измельчают перед выщелачиванием до крупности менее 0,2-0,5 мм (иногда до - 1 мм); трудновскрываемые измельчают до зерен менее 0,07-0,08 мм. Выщелачивание - это процесс извлечения Al из боксита раствором щелочи с получением алюминатного раствора. Основная реакция выщелачивания получение алюминатного раствора.

Al(OH)₃ + NaOH --- NaAl(OH)₄

Основная примесь Fe. Соединение Fe, содержащееся в боксите, не взаимодействует с раствором щелочи и остается в твердом виде. Однако с повышением содержания железа в бокситах увеличивается количество воды, подаваемой на промывку красного шлама, что ведет к дополнительным потерям щелочи.

Соединения Si, содержащиеся в боксите, взаимодействуют с раствором щелочи с образованием силиката натрия.

SiO₂ +2NaOH --- Na₂SiO₃ + H₂O

В результате этой реакции кремний переходит из боксита в раствор загрязняя его. Образующийся силикат натрия взаимодействует с алюминатным раствором с образованием мало растворимого соединения гидроалюмосиликата натрия:

2NaAl(OH)₄ +2Na₂SiO₃ --- Na₂O + Al₂O₃ +

+ 2SiO₂ + 4 NaOH

Эта реакция называется обескремниванием раствора. В результате этой реакции происходит очистка раствора от кремния, но в то же время теряется глинозем и щелочь.

Карбонаты Са и Mg взаимодействуют с раствором щелочи с образованием кальцинированной соды.

СаСО₃ +2NaOH --- Na₂CO₃ + Ca(OH)₂

MgCO₃ +2NaOH --- Mg(OH)₂ + Na₂CO₃

Соединения Ti, содержащиеся в боксите, взаимодействуют с раствором щелочи с образованием метатитаната натрия.

TiO₂ + NaOH --- NaHTiO₃

В бокситах содержится незначительное количество ценных металлов - галлия и ванадия. В бокситах галлий содержится в виде одноводного оксида. При взаимодействии с раствором щелочи образуется в растворе галлат натрия.

При разложении алюминатного раствора галлат натрия не разлагается, он накапливается в маточных и оборотных растворах. Эти растворы используются ХМЦ (химико-металлургическим цехом) для получения из них галлия.

гидрометаллургический боксит алюминий глинозём раствор

GaOOH + NaOH + H₂O --- NaGa(OH)₄

При производстве глинозема по способу Байера алюминатно-щелочной раствор проходит следующие основные переделы: выщелачивание, разбавление, декомпозицию и выпарку. На каждом переделе у алюминатных растворов изменяется температура, концентрация и иногда каустическое отношение, что существенно влияет на насыщенность их глиноземом и на стойкость. Умелое управление насыщением алюминатных растворов - важнейшее условие успешного ведения процесса производства глинозема

Обескремнивание алюминатного раствора

Условия выщелачивания боксита должны обеспечивать не только максимальное извлечение окиси алюминия из сырья в алюминатный раствор, но и необходимую степень его обескремнивания, чтобы получить в дальнейшем хорошего качества гидро-окись алюминия.

Кривая для Al₂O₃ сначала круто поднимается, поскольку глинозема больше всего растворяется за первый час варки, а через 2-3 ч его содержание в растворе становится почти постоянным. Содержание SiO₂ за первый час варки нарастает еще резче, чем Al₂O₃, но до некоторого максимума, а затем почти также быстро убывает, после чего кривая медленно приближается к горизонтали.

По достижении некоторой предельной метастабильной концентрации SiO₂ обескремнивание раствора идет значительно быстрее растворения кремнезема, а к концу выщелачивания в растворе кремневый модуль (_Si)увеличивается до 100-150, оставаясь в 1,5-2 раза меньше, чем допустимо для декомпозиции. При разбавлении пульпы растворимость алюмосиликата уменьшается и _Si повышается до 200-250 .

Обескремнивание алюминатных растворов в автоклавах

Приведена примерная аппаратурно-технологическая схема операции обескремнивания в автоклавах. Схема предусматривает обескремнивание без добавок. Однако характер ее не изменится, если обескремнивание будет производиться в присутствии добавок, например извести; потребуется лишь установить мерники для дозировки известкового молока в автоклавы.

Подлежащий обескремниванию раствор поступает в бак, откуда центробежным насосом подается в автоклавы.

Автоклавы подогреваются острым паром, который служит также для перемешивания содержимого автоклава. Подвод пара в автоклавы осуществляется через барботеры, вмонтированные в нижний конус автоклава. Как указывалось, обескремнивание можно производить и в автоклавах с механическим перемешиванием, обогреваемых через поверхность нагрева (змеевики или иной формы греющие устройства. Обескремненный раствор вместе с белым шламом (автоклавная пульпа) вытесняется из автоклава в самоиспаритель. Здесь он охлаждается за счет испарения, вызываемого снижением давления до 1,5--1,7 ат (температура порядка 105°), и проходит далее под существующим в самоиспарителе давлением в специальный уравнительный бачок. Из бачка пульпа перетекает в мешалку, откуда забирается центробежным насосом 8 и подается в отстойники белого шлама, где частично осветляется. После этого раствор самотеком поступает в сборник. Окончательное осветление раствора происходит на фильтре, например на фильтр прессе; подача раствора фильтр осуществляется центробежным насосом. осветленныи раствор самотеком поступает в соответствующий сборник.

С белым шламом поступают по-разному, в зависимости от принятого способа дальнейшего его использования в производстве. В этой имеется в виду использовать белый шлам в непромытом виде для приготовления мокрой шихты. В этом случае шлам с фильтрпрессов, после продувки паром для более полного отделения крепкого раствора, сбрасывается на поддон; сюда же поступает маточный раствор после карбонизации, который смывает шлам в мешалки. В мешалке периодически, по мере накапливания, смывается также шлам из отстойника. Из мешалок смесь маточного раствора с белым шламом передается на приготовление мокрой шихты; для транспортировки белого шлама предусматривается кольцевая коммуникация, предотвращающая забивание трубопровода.

Выделяющийся в самоиспарителе вторичный пар должен быть использован; для этого его обычно направляют на подогрев воды, идущей на выщелачивание

Размещено на Allbest.ru