Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
Факультет металлургии, машиностроения и транспорта
Кафедра металлургии
Металлургия
ЛЕГКИХ металлов
методические указания к лабораторным занятиям
для студентов металлургических специальностей
Павлодар
УДК 669.2/8(07)
ББК 34.33 я 7
М 54
Рекомендовано ученым советом ПГУ им. С.Торайгырова
Рецензент: кандидат технических наук К. Б. Масенов
Составители: З. Б. Каршигина, Г. Б. Байдильдаева, А. Ж. Таскарина
М 54 Металлургия легких металлов. Методические указания к
лабораторным занятиям для студентов металлургических специальностей / сост. З. Б. Каршигина, Г. Б. Байдильдаева, А. Ж. Таскарина. – Павлодар : ПГУ им. С. Торайгырова, 2006. – 52 с.
Методические указания разработаны на основании Государственного общеобязательного стандарта образования РК 3.07.196 – 2001 специальности 240140 «Металлургия черных и цветных металлов» и ГОСО РК 3.07.444 – 2003 специальности 240740 «Металлургия цветных металлов» и ГОСО РК 3.08.335 – 2006 специальности 050709 «Металлургия».
УДК 669.2/8(07)
ББК 34.33 я 7
© Каршигина З. Б., Байдильдаева Г. Б., Таскарина А. Ж., 2006
©Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова, 2006
Введение
Металлургия легких металлов – отрасль металлургии, занимающаяся извлечением из руд металлов, которые характеризуются небольшой плотностью. Эти металлы характеризуются большой химической активностью; энергия образования их соединений с кислородом, галогенами, серой и углеродом очень велика; в ряду напряжений они занимают места наиболее электроотрицательных элементов.
Будучи весьма электроотрицательными и расположенными в ряду напряжений выше водорода, легкие металлы не могут быть выделены электролизом водных растворов их солей. На катоде в этом случае выделяется водород и образуются гидраты оксидов металлов. Поэтому получить легкие металлы в свободном виде электролизом можно только из электролитов, не содержащих ионов водорода. Такими электролитами являются расплавленные соли, электролиз которых и служит, по существу, основным (а иногда и единственным) промышленным способом производства легких металлов. В электролите не должно содержаться заметных примесей элементов более электроположительных, чем легкие металлы; ионы этих примесей будут в первую очередь разряжаться на катоде, загрязняя получаемый металл.
Требования высокой чистоты к исходным материалам, необходимым для получения легких металлов, обуславливают применение весьма сложной и разнообразной технологии их производства.
Современный промышленный способ получения алюминия основан на электролитическом разложении оксида алюминия (глинозема), растворенного в расплавленном криолите.
Глинозем получают преимущественно из бокситов, а в странах СНГ – из бокситов, нефелиновых руд и алунитов. Бокситы считаются тем качественнее, чем больше содержат глинозема и меньше кремнезема. Отношение содержания оксида алюминия к оксиду кремния по массе называют кремневым модулем боксита. Эта величина колеблется для бокситов от 3,5 до 20.
Промышленными способами производства глинозема являются:
– способ Байера, применяемый для переработки высококачественных малокремнистых бокситов с кремневым
модулем 6;
– способ спекания, применяемый для переработки высококремнистых бокситов с кремневым модулем < 6 и для переработки нефелинов;
– комбинированные способы Байер - спекания, применяемые для переработки высококремнистых бокситов с кремневым
модулем < 6;
– восстановительно-щелочной способ, применяемый для переработки алунитов.
Глинозем, полученный этими способами, служит исходным сырьем для получения алюминия электролитическим способом (электролизом криолит глиноземных расплавов).
Современное производство магния основано на двух способах: электролитическом и термическом. Наиболее распространен в настоящее время электролитический способ, по которому магний получают электролизом расплавленных хлоридов магния в электролите, состоящем их трех-четырех компонентов (MgCl2; KCl; NaCl; CaCl2). Безводные хлориды магния, необходимые для электролиза, получают из соединений магния: магнезита (MgCO3), доломита (CaCO3∙MgCO3), карналлита (KCl·MgCl2∙6H2O) и бишофита (MgCl2∙6H2O).
В лабораторных работах приводятся краткие сведения о теоретических основах и технологии промышленных способов получения глинозема из бокситов и нефелинов, алюминия и магния и даются методические указания к их воспроизводству в лабораторных условиях.
Лабораторная работа № 1 Получение глинозема из бокситов по способу Байера
Цель работы
Изучить физико-химические основы и технологию основных процессов переработки бокситов на глинозем способом Байера; воспроизвести в лабораторных условиях процессы выщелачивания боксита, разложения алюминатного раствора, кальцинации гидроксида алюминия.
-
Физико-химические основы производства глинозема по способу Байера
Сущность способа Байера заключается в обработке тонкоизмельченного боксита раствором едкого натра с переводом оксида алюминия в раствор в виде алюмината натрия. При создании определенных условий раствор алюмината натрия разлагается с выделением гидроксида алюминия в твердую фазу. Прокаливая полученный гидроксид алюминия при высокой температуре, получают безводный глинозем. Технологическая схема производства глинозема по способу Байера представлена на рисунке 1.
1.1.1 Выщелачивание боксита. Глинозем в бокситах может быть представлен в основном в виде минералов: диаспор – AlOOH, бемит – AlOOH и гидраргиллит – Al(OH)3.
Дробленный боксит подвергают мокрому размолу в мельницах, после чего выщелачивают крепким оборотным щелочным раствором, для первоначального цикла употребляют раствор едкого натра (каустическая сода).
Оксид алюминия, содержащийся в боксите преимущественно в форме гидроксидов, взаимодействуя с едким натрием, переходит в раствор в виде моноалюмината натрия
, (1)
. (2)
Свободный кремнезем реагирует с едким натрием, переходя в раствор в виде силиката натрия
. (3)
Силикат натрия, взаимодействуя в растворе с алюминатом натрия, дает нерастворимый гидроалюмосиликат натрия (ГАСН)
. (4)
Протекание реакции (4) приводит к потерям глинозема и щелочи в красный шлам в составе гидроалюмосиликата натрия (ГАСН), при этом на каждый килограмм SiO2 боксита теряется килограмм Al2O3 и 0,608 кг Na2O.
Исходя из (4) рассчитывается теоретическое (химическое) извлечение глинозема из боксита, т.е. количество извлеченного глинозема за вычетом потерь его со шламом
; (5)
или
, (6)
где a и s – содержание соответственно Al2O3 и SiO2 в боксите, %;
μSi – кремневый модуль боксита, равный Al2O3 : SiO2 (по массе).
По (5) или (6) можно рассчитать теоретический выход глинозема из бокситов различного состава и показать, что для бокситов с высоким содержанием SiO2 способ Байера неэффективен из-за низкого извлечения глинозема.
Условия выщелачивания бокситов различны. Легковскрываемые гидраргиллитовые бокситы выщелачивают при атмосферном давлении в мешалке при 105-1070С, трудновскрываемые бемитовые и диаспоровые бокситы – в автоклавах при 150-2400С. После выщелачивания получают вареную пульпу, состоящую из алюминатного раствора и твердого остатка – красного шлама.
Каустик Боксит
![](195383_html_57aed7ff.gif)
![](195383_html_57ae547.gif) ![](195383_html_6915e6bf.gif) Оборотный раствор Дробление
Мокрый размол
Выщелачивание
![](195383_html_m15f21a16.gif) Разбавление пульпы
Отделение шлама от раствора
![](195383_html_57aed7ff.gif)
![](195383_html_57aed7ff.gif) Алюминатный раствор Красный шлам
Контрольная фильтрация Промывка Вода
![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_4dc9a874.gif)
![](195383_html_57aed7ff.gif) Алюминатный раствор Красный шлам Промвода
![](195383_html_57aed7ff.gif)
Выкручивание Отвал
(декомпозиция)
Отделение гидрата от
![](195383_html_m629af88f.gif) маточного раствора
Маточный раствор Гидрат Затравка Вода
![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_9ad750c.gif) ![](195383_html_227d4936.gif)
![](195383_html_m61f75856.gif) ![](195383_html_m629af88f.gif) Упаривание Промывка и
![](195383_html_3e2e2dd9.gif) фильтрация
Оборотный Рыжая
раствор сода Маточный Товарный гидрат
![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_m1586c114.gif) раствор и промвода
![](195383_html_m457b3ce2.gif) Кальцинация
![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_m697b7f35.gif) Свежая сода Ca(OH)2 (прокалка)
Каустификация Шлам Глинозем
Слабый щелочной раствор
Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема производства глинозема по способу Байера
Важным показателем, характеризующим алюминатный раствор, является его каустический модуль – молярное отношение концентраций каустической щелочи и окиси алюминия
, (7)
где Na2Oк и Al2O3 – соответственно, концентрация каустической щелочи и оксида алюминия в растворе, г/дм3;
62 и 102 – молекулярные массы, соответственно, Na2Oк и Al2O3.
Растворы с αк = 3-4 стойкие и способны растворять гидроксид алюминия из боксита; растворы с αк= 1,6-1,8 – нестойкие и могут самопроизвольно разлагаться. Оборотный раствор, поступающий на выщелачивание, имеет αк = 3-3,8.
Дозировку оборотного раствора и боксита производят в таком соотношении, чтобы получить после выщелачивания алюминатный раствор с αк = 1,65-1,8, способный разлагаться при декомпозиции.
Расчет производят по формуле (7), учитывая в числителе количество молей Na2Ok, вводимых при выщелачивании с оборотным раствором за вычетом потерь Na2Ok с ГАСН (4), а в знаменателе – количество молей Al2O3, вводимых с бокситом и оборотным раствором за вычетом потерь Al2O3 с ГАСН
, (8)
где αа – каустический модуль алюминатного раствора после выщелачивания, равный 1,65-1,75 в лабораторной работе принимается равным 1,9-2,0);
α0 – каустический модуль оборотного раствора по анализу, обычно равен 3-3,8;
n – концентрация Na2Ok в оборотном растворе, кг/м3;
V – объем оборотного раствора на 1т боксита, м3;
a и S – содержание, соответственно, Al2O3 и SiO2 в 1 т боксита, кг;
и – количество, соответственно, Na2O и Al2O3 в
молях, вводимых на выщелачивание с
оборотным раствором;
– количество Al2O3 в молях, вводимое с 1 т боксита;
и – количество, соответственно, Na2Ok и Al2O3
в молях, теряемых в шлам, в составе
гидроалюмосиликата натрия (ГАСН).
Решая уравнение (8) относительно V, получим формулу (9) для расчета количества оборотного раствора на 1 т боксита
(9)
Так, для получения алюминатного раствора с αа = 1,9 при выщелачивании 100 г боксита, содержащего 50% Al2O3 и 5% SiO2, оборотным раствором с концентрацией Na2Ok – 240 г/дм3 и α0 = 3,5, необходимо взять по формуле (9) оборотного раствора.
Проверку результата расчета проводят по формуле (8). Полученный результат должен совпадать с заданным значением αа.
Тонина помола боксита: фракции + 110мкм не более 10%, фракции - 53 мкм не менее 70%.
Для повышения извлечения глинозема из трудновскрываемых бокситов при выщелачивании вводится добавка извести обычно 3-4% от массы боксита.
Одним из вариантов в способе Байера является высокотемпературное выщелачивание бокситов при t = 280-3100С, которое можно проводить в автоклавах или реакторах типа «труба в трубе». При таком режиме выщелачивания извлечение глинозема повышается на 2-4%, в 5-6 раз уменьшается продолжительность процесса; выщелачивание можно проводить при концентрации Na2Ok в оборотном растворе 140-200 г/дм3 вместо 240-300 г/дм3 при обычном автоклавном выщелачивании (2350С). Благодаря этому потребление пара в способе Байера снижается в 1,5-2 раза.
1.1.2 Разбавление вареной пульпы и ее отстаивание. Разбавление производится I-й (крепкой) промводой от промывки красного шлама. Разбавленная пульпа (примерно в 2 раза) отстаивается в сгустителях при t=980С. Для интенсификации процесса отстаивания в пульпу вводят коагулянт (муку, крахмал) или синтетические флокулянты. После отстаивания получается два промпродукта – слив сгустителя (алюминатный раствор) и красный шлам.
1.1.3 Разложение алюминатного раствора (декомпозиция). Алюминатный раствор после контрольной фильтрации и охлаждения до 65-700С подвергается разложению (выкручиванию), при котором в осадок выделяется кристаллический гидроксид. Разложение алюминатных растворов происходит в условиях, когда снижается концентрация или активность ионов ОH- в растворе, в результате чего равновесие реакции (1) сдвигается в сторону образования Аl(OH)3
. (10)
Для ускорения этого процесса в раствор вводят большое количество затравки свежеосажденного гидроксида алюминия.
Отношение (по массе) Al2O3 в затравке к Al2O3 в растворе называется затравочным отношением (З.О.). З.О. на различных глиноземных заводах составляет 1,5-2,8.
Разложение алюминатного раствора зависит от многих факторов: каустического отношения и концентрации алюминатного раствора, температуры процесса, количества и качества затравки; перемешивания и чистоты разлагаемого раствора. Разложение раствора проводится в политермическом режиме снижения температуры от 65-70 до 45-500С.
Выходом глинозема при разложении называется отношение глинозема, выделившегося в осадок, к глинозему, содержащемуся в исходном разлагаемом алюминатном растворе.
Степень разложения раствора определяется по формуле
или , (11)
где С1 и С2 – концентрация глинозема в исходном алюминатном (С1) и в маточном после разложения (С2) растворах, г/дм3;
αа и αм – каустическое отношение в исходном алюминатном (αа) и в маточном после разложения (αм) растворах.
Процесс декомпозиции осуществляют непрерывно в батареях декомпозеров (10 и более) емкостью от 800 до 3000 м3 каждого.
1.1.4 Кальцинация гидроксида алюминия. Кальцинация – завершающий передел всех способов производства глинозема, заключается в прокалке гидроксида алюминия при 1100-13000С и получении технического оксида алюминия – глинозема. В процессе прокалки происходят следующие структурные превращения гидроксида алюминия
. (12)
Процесс кальцинации проводится во вращающихся барабанных печах или в печах кипящего слоя. Высокоэффективными являются схемы с печами кипящего слоя, циклонной подготовкой влажного материала и циклонным охлаждением горячего глинозема холодным воздухом.
В этих схемах системы циклонов являются высокоэффективными утилизаторами отходящих газов печных установок.
Производительность печей в таких схемах повышается на 20-25%, расход тепла снижается с 1300-1400 до 760-780 ккал / 1 кг Al2O3.
Товарный выход глинозема – важнейший показатель, характеризующий эффективность технологии по уровню потерь и полного извлечения глинозема из боксита
(%), (13)
где ηт – товарный выход глинозема, %;
q1 – количество извлеченного глинозема из единицы массы
боксита, кг;
q2 – количество глинозема в единице массы боксита, кг.
1.2 Методические указания к проведению работы
1.2.1 Материалы и аппаратура:
– материалы: бокситы – малокремнистый, высококремнистый, гидраргиллитовый; известь (реактив); оборотный раствор (исходный).
– аппаратура: установка для безавтоклавного выщелачивания боксита; установка для автоклавного выщелачивания боксита (рисунок 2): сушильный шкаф, аппарат Кипа, установка для фильтрации пульп, печь для кальцинации, алундовые тигли, весы технические, колбы, мензурки, мерные цилиндры.
1.2.2 Порядок выполнения работы. Провести выщелачивание по Байеру малокремнистого и высококремнистого (для сравнения) бокситов. Приготовить оборотный раствор с концентрацией 150-300 г/дм3 Na2Ok. Конкретные условия указываются преподавателем. Оборотный раствор готовится путем разбавления исходного крепкого раствора с концентрацией Na2Ok – 400г/дм3 и α0 – 3,5-4. Количество воды, которое надо добавить при разбавлении, рассчитывается по формуле
, (14)
где Vв – количество воды, которое надо добавить к 1 дм3 раствора исходной концентрации С1, чтобы получить раствор с концентрацией С2.
По составу боксита и расчетному составу оборотного раствора рассчитать по формуле (9) навеску боксита на 50 см3 раствора, а для безавтоклавного выщелачивания на 100 см3 раствора, приняв αа = 1,9. Расчет проверить по формуле (8).
Выщелачивание гидраргиллитового боксита проводят при 20, 50 и 1000С в течение 2 ч; трудновскрываемых бокситов в автоклавах при t=50, 100, 120, 160, 200, 2400С. Высокотемпературное выщелачивание проводят при 2900С в течение 5, 10, 60 и 120 мин.
Конкретные условия выщелачивания задаются преподавателем. В некоторых опытах вводится добавка извести ~ 4% от массы боксита.
Навеску боксита поместить в автоклав (рисунок 2), залить 50 см3 оборотного раствора и тщательно перемешать стеклянной или металлической палочкой. Автоклав закрыть и установить в раму термостата. После окончания опыта автоклав хорошо охладить проточной холодной водой и открыть.
Содержимое автоклава размешать палочкой и отфильтровать под вакуумом на воронке Бюхлера. Красный шлам промыть 0,25 дм3 горячей воды, промводу смешать с фильтратом.
В способе Байера алюминатный раствор разлагают выкручиванием. Из-за длительности этого процесса (60-100 часов) в лабораторных работе он заменен карбонизацией. Методика карбонизации описана в работе № 2.
Выделившийся при карбонизации гидроксид алюминия отфильтровать, промыть 0,25дм3 горячей воды, высушить в течение 1 часа в сушильном шкафу при 1100С, а затем прокалить в течение 1 часа в печи при 10000С. Полученный глинозем взвесить и рассчитать товарный выход по (13). Сравнить результаты переработки малокремнистого и высококремнистого бокситов.
1.2.3 Порядок записей и обработка данных. Записываются минералогический и химический составы бокситов, расчетный состав оборотного раствора, рассчитываются навески боксита на 50 см3 оборотного раствора и товарный выход глинозема после кальцинации.
1.2.4 Указания по технике безопасности. Необходимо выполнять дополнительные меры по технике безопасности при работе с автоклавами:
– не допускать перегрева автоклава выше заданной температуры;
– открывать автоклав после полного охлаждения проточной холодной и только в присутствии преподавателя;
– при открытии автоклава пользоваться щитком и накрывать автоклав полотенцем.
При кальцинации помещать в печь хорошо просушенные и подогретые тигли, извлекать их из печи щипцами и в перчатках.
Не допускать попадания воды на раскаленные предметы.
1.2.5 Требования к отчету по работе. Отчет по работе выполняется в соответствии со стандартом предприятия (ПГУ) СТП СК-03-02.
Приводится минералогический и химический составы боксита и по этим данным обосновывается выбор способа Байера для переработки данного вида сырья.
Дается краткое изложение теоретических основ способа Байера и описание технологических операций, обосновывается выбор режима выщелачивание боксита, описывается лабораторная установка для выщелачивания и дается ее эскиз.
Приводятся результаты опытов и выводы по переработке малокремнистого и высококремнистого бокситов способом Байера.
1 – воздушный термостат; 2 – рама; 3 – автоклав; 4 – вал; 5 – электромотор; 6 – редуктор; 7 – шкив; 8 – подшипник; 9 – термометр; 10 – термопара; 11 – нагреватель; 12 – асбест; 13 – крепление автоклава; 14,15 – программное регулирующее устройство для нагрева автоклавов в заданном режиме
Рисунок 2 – Лабораторная установка для автоклавного выщелачивания бокситов
Лабораторная работа № 2 Получение глинозема из бокситов способом спекания
Цель работы
Воспроизвести в лабораторных условиях основные технологические операции способа переработки высококремнистого боксита спеканием.
2.1 Физико-химические основы производства глинозёма по способу спекания
Сущность способа заключается в спекании высококремнистого боксита с содой и известняком при высокой температуре, при которой оксид алюминия связывается в водорастворимое соединение – алюминат натрия (Na2O·Al2O3), а кремнезем – в малорастворимый двухкальциевый силикат (2CaO·SiO2). При последующем выщелачивании алюминат натрия извлекается из спека в раствор, а двухкальциевый силикат остается в нерастворимом твердом остатке (шламе).
Для выделения гидроксида алюминия из алюминатного раствора его обрабатывают газами, содержащими двуокись углерода (СО2) (операция карбонизации) (рисунок 3).
-
Приготовление бокситовой шихты. Бокситовую шихту готовят из трех компонентов: боксита, известняка и соды. Кроме того, на приготовление шихты поступают оборотные продукты: оборотный содовый раствор и белый шлам от обескремнивания алюминатного раствора.
Шихту составляют из расчета на получение следующих молярных отношений
, (15)
. (16)
Такая шихта, называемая насыщенной, обеспечивает максимальное извлечение Al2O3 и Na2O3 при выщелачивании спека. Для маложелезистого сырья (например, нефелинов) применяют ненасыщенную шихту, т.е. R2O рассчитывают только на связывание Al2O3 шихты (R – Na, K).
Тщательно измельченная и хорошо перемешанная мокрая бокситовая шихта с влажностью 37-42% направляется на спекание.
2.1.2. Спекание бокситовой шихты, взаимодействие компонентов шихты при спекании. Бокситовую шихту спекают при температуре 1200-12500С во вращающихся трубчатых печах. Шихту в печь подают распылом с помощью пульповых форсунок.
В процессах, протекающих при спекании бокситово-содово-известняковой шихты, участвуют следующие основные компоненты: Al2O3, Na2CO3, Fe2O3, SiO2, CaCO3, TiO2 и др.
Взаимодействие глинозема с содой начинается при 7000С и завершается при 11500С
. (17)
Реакция между окислом железа и содой протекает по реакции
. (18)
Этот процесс заканчивается при 10000С, конечным продуктом его является метаферрит натрия (Na2O∙Fe2O3).
При недостатке соды выше 9000С оксид алюминия начинает вытеснять оксид железа из феррита натрия по реакции
. (19)
Реакция между SiO2 и Na2CO3 весьма энергично протекает при 800-8200С с образованием метасиликата натрия
. (20)
Метасиликат натрия вступает во вторичную реакцию с алюминатом натрия, образуя алюмосиликат натрия Na2O∙Al2O3∙2SiO2 с температурой плавления 15200С, что нежелательно. Однако, в присутствии оксида кальция образуются силикаты кальция, в основном ортосиликат кальция 2СаО∙SiO2 при любом соотношении СаО и SiO2
. (21)
Оксид титана взаимодействует с содой и известью и при высокой температуре, образуя титанаты (Na2O∙TiO2 и СаО∙TiO2), связывая соответствующие количества щелочи и окси кальция.
Таким образом, основными составляющими спека являются химические соединения: метаалюминат натрия Na2O∙Al2O3, метаферрит натрия Na2O∙Fe2O3 и двухкальциевый силикат 2СаО∙SiO2. Метаалюминат и метаферрит натрия образуют в спеке непрерывный ряд твердых растворов.
В результате отклонений состава шихт от стехиометрических отношений в процессе спекания могут образовываться и другие соединения, например алюминаты кальция, алюмосиликаты кальция, натриево-кальциевые силикаты и др.
С ода Боксит Известняк
![](195383_html_57aed7ff.gif)
Дробление Дробление
![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_21e856f6.gif) ![](195383_html_m2a7690f7.gif)
![](195383_html_11c3f11f.gif) Приготовление ш ихты
спекание газ (СО2)
![](195383_html_m14bd9a29.gif)
спек
Д![](195383_html_2a2b9d6e.gif) робление спека
![](195383_html_m3ded7190.gif) ![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_m3afb3f91.gif) ![](195383_html_bd91d0a.gif)
Выщелачивание
![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_m5dd20787.gif) ![](195383_html_m919db75.gif) ![](195383_html_m2a7690f7.gif)
А люминатный раствор Красный шлам
Обескремнивание Отвал
С гущение и фильтрация
Б елый шлам Алюминатный раствор
газ (СО2)![](195383_html_m2e03db1c.gif)
К арбонизация
![](195383_html_57aed7ff.gif)
Сгущение и фильтрация
Вода![](195383_html_57aed7ff.gif)
С![](195383_html_57aed7ff.gif) одовый раствор Гидрат
![](195383_html_57aed7ff.gif) ![](195383_html_4641c3ba.gif) Выпарка Промывка
Промвода
A![](195383_html_57aed7ff.gif) l(OH)3
Кальцинация
Глинозем
Рисунок 3 – Принципиальная технологическая схема переработки бокситов способом спекания
-
Выщелачивание спека. Выщелачивание дробленного спека можно осуществить водой, содовым и слабо щелочным раствором.
Основными полезными реакциями при выщелачивании спеков являются реакции растворения алюмината натрия
. (22)
и гидролиза феррита натрия
. (23)
Благодаря гидролизу метаферрита натрия в осадок переходит оксид железа, а щелочь переходит в раствор, повышая его каустический модуль (αк).
Двухкальциевый силикат практически не растворяется при выщелачивании, однако постепенно подвергается гидратации и разложению щелочными и особенно содовыми растворами
, (24)
. (25)
В результате разложения двухкальциевого силиката по реакциям (19) и (20) протекают вторичные взаимодействия, приводящие к потерям оксида алюминия и щелочи в шлам
(26)
и
. (27)
Растворимость гидроалюмосиликата натрия (ГАСН) в алюминатном растворе возрастает с повышением концентрации раствора. При нормально идущем процессе выщелачивания реакции (24) и (25) протекают в незначительной степени и в результате выщелачивания в раствор переходит, главным образом, алюминат натрия и некоторое количество кремнезёма.
После выщелачивания спека остается твердый нерастворимый остаток – шлам, который состоит, главным образом, из следующих компонентов: 2СаО∙SiO2, Na2O∙Al2O3∙1,7SiO2∙H2O, Fe2O3∙хH2O, небольшого количества Na2O∙TiO2 и гидрограната.
На выщелачивание спека оказывают влияние многие факторы: толщина помола спека, концентрация раствора, применяемого для выщелачивания, каустическое отношение получаемого алюминатного раствора, температура, продолжительность операции, тип аппаратуры и т.д.
В зависимости от типа аппаратуры после выщелачивания получается алюминатный раствор с αк = 1,4-1,8 и концентрацией Al2O3 = 80-280г/дм3. Температура процесса 70-950С при продолжительности от 0,33 до 3,5 часов. Выщелачивание спека проводят в различных аппаратах: диффузорах, трубчатых выщелачивателях и др.
2.1.3 Обескремнивание алюминатных растворов. Алюминатные растворы после выщелачивания значительно загрязнены кремнезёмом и имеют кремниевый модуль µSi = 20-240.
Обескремнивание заключается в связывании растворенного в алюминатном растворе кремнезёма в нерастворимые соединения и их осаждении. Достигнуть этого можно двумя путями:
– связывание кремнезёма в гидроалюмосиликат натрия (ГАСН) по реакции (27) в условиях, способствующих этому процессу (повышение температуры, ввод затравки и др.). Этим способом содержание SiO2 снижают с 2 + 4 до 0,2-0,4 г/дм3;
– связывание кремнезёма в гидрогранаты по реакции (26), для чего в алюминатный раствор вводят известь или Са(ОН)2. Этим путем можно снизить содержание кремнезема в растворе до 0,08-0,1 г/л и получить растворы с µSi = 1000-1200 и более.
На практике обескремнивание с выделением в осадок ГАСН (белого шлама) проводят в автоклавах при температуре 150-1750С. Для интенсификации обескремнивания в некоторых случаях часть белого шлама возвращают в процесс в качестве затравки. Первую стадию обескремнивания ведут до µSi = 250-400.
Глубокое обескремнивание растворов чаще всего осуществляют в качестве второй стадии обескремнивания, т.е. после выделения основной части кремнезёма в виде ГАСН. Для этого раствор с µSi = 250-400 обрабатывают известковым молоком при температуре 90-950С в течение 1,5-2 часов и дозировке извести из расчета СаО : SiO2 (по массе) = 15-20, где СаО – содержание извести в известковом молоке, а SiO2 – содержание SiO2 в алюминатном растворе.
2.1.4 Карбонизация алюминатных растворов. В способе Байера разложение алюминатных растворов осуществляют выкручиванием, в результате которого получается гидроксид алюминия и раствор едкого натра, употребляемый в качестве оборотного раствора. В способе спекания целесообразно применение карбонизации, так как здесь наряду с гидроксидом алюминия получается раствор соды, который используется как оборотный. При карбонизации через алюминатный раствор пропускают топочные газы, содержащие СО2. С химической точки зрения процесс карбонизации протекает в две стадии
1 стадия ; (28)
2 стадия . (29)
Образующая едкая щелочь тут же связывается в соду новой порцией углекислого газа, и таким образом создаются благоприятные условия для глубокого разложения алюминатного раствора. На протекание процесса карбонизации и, главным образом, на качество получаемого гидроксида алюминия, существенное влияние оказывают следующие факторы: температура, перемешивание, продолжительность, степень разложения раствора и т.д. Температура карбонизации находится в пределах 70-800С, а продолжительность ~ 12-14 часов.
2.2 Методические указания к проведению работы
2.2.1 Материалы и аппаратура:
– материалы: высококремнистый боксит, известняк, сода, углекислый газ;
– аппаратура: печь силитовая шахтная для спекания шихты и кальцинации гидроксида алюминия, установка для выщелачивания спека, установка для фильтрации, аппарат Киппа или баллон с углекислым газом, лабораторный смеситель, ступки, тигли металлические и алундовые.
2.2.2 Порядок выполнения работы. По анализу боксита, известняка и соды рассчитать шихту исходя из молярных отношений (15) и (16). Рассчитанные навески боксита, известняка и соды после тщательного измельчения и смешения в фарфоровой ступке и смесителе перенести в железный тигель, уплотнить и спекать при температуре 1200-12500С в течение 2 часов. Спёк медленно охладить в печи и затем на воздухе. Определить вес спека и измельчить его до 80 мм. Рассчитать теоретическую массу спека и его состав по компонентам в %. Сопоставить расчетную и фактическую массу спёка. Провести выщелачивание измельченного спека водой и щелочным раствором (указывает преподаватель при ж : т = 10 : 1 и температуре 700С).
Отфильтровать раствор от остатка (шлама), шлам промыть 0,250 дм3 горячей воды, промводу смешать с фильтратом. Измерить объем смешанного раствора. Провести обескремнивание раствора в автоклавах при температуре 1700С в течение 1 часа. После обескремнивания автоклавы охладить и содержимое их отфильтровать на воронке Бюхнера. Отделенный осадок высушить при 1100С 1 ч. и взвесить. Алюминатный раствор разложить карбонизацией. Для этого через раствор, нагретый до 70-750С, пропускать углекислый газ в течение 30 минут, перемешивая раствор мешалкой или путем барботажа газом. Гидроксид алюминия отделить от маточного раствора на воронке Бюхнера, промыть 0,25 дм3 горячей воды, высушить в сушильном шкафу в течение 30 минут при 1100С и прокалить в течение 30 минут при температуре 12000С. Прокаленный осадок взвесить и рассчитать товарный выход глинозёма по формуле (13).
-
Порядок записей и обработки данных. В рабочей тетради и отчете приводят состав исходных материалов: боксита, известняка, соды, щелочного раствора; расчет состава шихты, расчетную и фактическую массу спека и его состав по компонентам, расчет количества щелочи на выщелачивании для получения алюминатного раствора с заданным αк=5 (в случае выщелачивания спека щелочным раствором), расчет товарного выхода глинозема.
2.2.4 Дополнительные указания по технике безопасности. Тигли на спекание и кальцинацию перед внесением в разогретую печь предварительно подогреть. Извлекать их из печи металлическими щипцами и в перчатках.
1 – устройство для нагрева и перемешивания; 2 – стакан; 3 – мешалка; 4 – электромотор; 5 – штатив
Рисунок 4 – Установка для выщелачивания спека
2.2.5 Требования к отчету по работе. Отчет по работе выполняется в соответствии со стандартом предприятия (ПГУ) СТП СК-03-02.
Достарыңызбен бөлісу: |