Оқулық құралы Павлодар (075. 8) Ббк 34. 33 я73 м 27 С. Торайғыров атындағы пму ғылыми кеңесі ұсынған

Жүйеден темірдің құмдарын шығару сұлбасы бокситті қайта тазалауға мүмкіндік туғызып, Байер тізбегінің басында темірдің оксидтерін және зиянды қоспалары бар сульфатты, карбонатты заттарды үйіндіге шығаруға жағдай жасайды. Күкіртті және карбонатты қосылыстар Байер процесінде өзара жеке – жеке реакцияларға түсіп, натрий карбонаттары мен натрий сульфаттарын құрап, жүйедегі сілтілік ерітінділердің мөлшерін азайтады. Сонымен қатар күйежентектелу цехында қайтарымды соданың ағынын көтеріп, шикіқұрамды ыластайды және күйежентектелу процесін жүргізуге көптеген қиындықтар туғызады.

Na₂O · Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O

Al₂O₃ · 2SiO₂· 2H₂O

NaOH

Fe₂O₃·3H₂O

SiO₂.

Ал зиянды қосылыстар мынадай: Na₂SO₄; NaCl. Қызыл шламның қатты фазасының негізін Байер тізбегінде пайда болатын және синтетикалық нефелин болып табылатын натрий алюмосиликаты құрайды (Na₂ · Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O). Басқа заттар ерітінділеу кезінде ашылмаған алюминий тотығының пішініндегі Al₂O₃·3H₂O және кремний оксиді SiO₂. Темірдің оксиді Байер тізбегінде сілтілік ерітінділермен өзара әрекеттесуге түспейді. Қызыл шламның шикіқұрамды дайындауға түсетін өнім ретіндегі ерекшеліктерінің бірі өте майда бөлшектілігі. Оның бұл қасиеті біркелкі шикіқұрам дайындап және күйежентектелу процесіндегі химиялық реакциялардың жүруіне жеңілдік туғызады.

Қызыл шлам қатты және сұйық фазалардан тұрады. Оның негізгі массасын Байер тізбегінде шөгінге түскен қатты фазасы мен бокситтің құрамындағы сілтілік ерітінділерде ерімейтін компонентер және натрий алюмосиликаты құрайды.

Ал сұйық фазасы еріген заттарды құрайды:

– натрий алюминаты Na₂O · Al₂O₃;

– каустикті сілті NaOH;

– карбонаттық сілті Na₂O · CO₂;

– сульфаттық тұз Na₂O · SO₃;

– натрий хлориді NaCl.

Қызыл шламның құрамындағы жалпылық сілтінің концентрациясының деңгейі шамамен 60г/л.

Қызыл шламға қойылатын технологиялық талаптар:

1) қызыл шламның ылғалдылығы.

Қызыл шламның ылғалдылығы негізінен күйежентектелуге жіберілетін шикіқұрамның ылғалдылығын анықтайтын көрсеткіш. Соңғы уақыттарда қызыл шламның ылғалдылығы Байер тізбегіне енгізілген кейбір технологиялық шешімдерден кейін шамамен 51,6-53% айналасында орнықты болып келеді, бұл көрсеткіш шикіқұрамның ылғалдылығын 36% шамасында ұстауға мүмкіндік беріп отыр;

2) қызыл шламның сұйық фазасының құрамындағы каустикті сілтінің мөлшері.

Қызыл шламның сұйық фазасының құрамындағы каустикті сілтінің мөлшері, ақ шламның каустикті сілтісі және қайтарымды содалардың біріккен жиынтығынан пайда болған шикіқұрамды күйежентектелуге жібергенде, күйежентектелу процесіне сонымен бірге күйежентектің сапасына аса зор әсер етеді.

Байер – күйежентектелу сұлбасы үшін қызыл шламның негізгі қасиеттерінің бірі оның сілтілік модулімен байланыстылығы.

Мысалы қызыл шламның ПАЗ- дағы соңғы 2006 жылындағы сілтілік модулін қарастырайық: Na₂O = 22, 3 %, Al₂O₃ = 23,8%

Күйежентектелу процесін жүргізу сілтілік модуль (α_щ=1,43-1,45) сандары аралықтарында болғанда қиындай түседі.

Міне сондықтанда күйежентектелуге келіп түсетін қызыл шламның сілтілік модулінің жоғары болуына байланысты бүкіл тізбектің байланысын тұрақты ұстап тұру өте қиынға соғады. Сонымен қатар күйежентектелу тізбегі

Байер – күйежентектелу сұлбасында жоғалымға кеткен сілтінің орынын толтыру үшін үнемі өз жүйесіне жаңа кальцинделген соданы қабылдап отыруы керек. Бұл қиындықтар шикіқұрам дайындау бөлікшесіне бокситті енгізу арқылы шешіліп отырады.

Бокситті шикіқұрамға енгізген кезде оның құрамындағы негізгі компонент Al₂O₃ алюминий оксиді дайындалған шикіқұрамның сілтілік модулін төмендетіп қана қоймай, сонымен қатар күйежентектелу процесін анағұрлым жақсартады. Бір айта кететін жайт күйежентектелу тізбегінде бокситтің қандай да болсын маркаларын қайта өңдеуге әбден мүмкін және қолайлы.

Ақ шлам. Пештерден шыққан күйежентекті гидрохимиялық бөлікшеде қайта өңдеуге түсіргенде ақ шлам екі жолмен пайда болады.

Біріншісі – күйежентекті гидрохимиялық жолмен өңдеу кезінде құбырлық ерітіндегіштерден алюминат ерітінділерімен бірге қатты фазалардың шығуынан. Шыққан шығымның ішінде негізінен күйежентектің ұсақ бөліктері болады және осы шығымның деңгейіне қарап күйежентектің сапасын анықтайды. Осы шыққан шығымдар бірігіп сұр шлам пайда болады.

Екіншісі – күйежентекті ерітінділеген кезде алюминат ерітіндісіне кремний оксидінің бір бөлігі өтеді. Еріген кремний оксидінің деңгейі негізінен күйежентектің сапасын анықтайды. Неғұрлым күйежентектің сапасы төмен болған сайын, соғұрлым еріген кремний оксидінің еншісі жоғары болады.

Алюминат ерітінділерін кремний қосылыстарынан автоклав қондырғыларында кремниден түйіршік түрінеде бөліп,ажырату арқылы тазалайды. Бөлінген натрий алюмосиликатының пішіні Байер тізбегінде алынған натрий алюмосиликаты сияқты: Na₂O · Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O.

Автоклавты ерітінділеу кезінде пайда болған қатты фаза сұр шламның өзегі болып табылады. Осы сұр шламның өзегінде жабысып қатқан натрий алюмосиликаты ақ шламның негізін құрайды.

Күйежентектелу жүйесінде ақ шлам мынадай қиындықтар туғызады:

– жүйедегі ағының мөлшерін керексіз жоғарлатады, кейде қайтарымды ақ шламның мөлшері қызыл шламның жалпы мөлшерінің 20-22 пайызын құрайды;

– ақ шламның мөлшерінің көптігі (оның сұйық фазасының каустикті модулі шамамен 1,6 тең) жүйеге жаңа соданы қосуды қиындатады.

Бұл қиындықтар жүйедегі сұр шламды сүзгілерден өткізіп, шайғанан кейін үйіндіге жіберу арқылы шешіліп отырады. Сұр шламды жүйеден шығару сұлбасын іске қосудың нәтижесінде ақ шламның күйежентектелу цехындағы ішкі жүйедегі айналымы шамамен 3 - 5 есе төмендеді.

Әктас. Әктастың химиялық құрамы – СаСО₃. Керегетас кенорынынан аланатын сапасы жоғары, оңай ұсақталатын және шикіқұрамның негізгі компонентерін құрайтын заттардың бірі. Шикіқұрамға қосылатын әктастың құрамындағы SiO₂ мөлшері 1% аспауы керек.

Кальцинделген сода. Химиялық құрамы – Na₂CO₃. Бүкіл алюминий тотығы өндіріс сұлбасының жоғалымға кеткен каустикті сілтісінің орынын толтыру үшін қолданылады. Шикіқұрамға қосылатын кальцинделген соданың құрамында SO₃ мөлшері 1% аспауы керек.

Тотықсыздандырғыш. Шикіқұрамды дайындағанда тотықсыздағыш ретінде антрацит немесе кокстың елендісі қолданылады.

Шикіқұрамды дайындаған кезде әр компоненті төмендегідей реакциялардың жүруін қамтамасыз ету үшін мөлшерлеп қосады

Металлургия саласындағы компонентердің салмақтық - пайыздық мөлшерлері модулдердің есебін жеңіл, тігінен санауға мүмкіндік береді.

Кальций оксидінің молінің мөлшері
(6.6)
Кремний оксидінің молінің мөлшері
(6.7)
мұндағы 56 – СаО молярлық массасы;

60 – SiO₂ молярлық массасы.

Әктік модуль


(6.8)


Қоскальцилік силикаттың (2СаО·SiO₂) молярлық құрамына байланысты күйежентектің әктік модулі 2,0 санына тең болу керек. Бірақ күйежентектелу процесі кезінде шикіқұрамның құрамындағы көмірдің күлінің құрамындағы кремний оксидінің мөлшеріне байланысты шикіқұрам біраз өзгеріске түседі.

Әрбір күлдік пайызға орта есеппен көмір күлінің құрамындағы кремний оксидінің 0,02 пайызы сәйкес келеді.

Мысалы: Егер шикіқұрам 7 пайыздық күлділікке дайындалатын болса, онда әктік модуль: μ = 2,0 + 7 (2/100 ) = 2,14.

Шикіқұрамды дайындау кезіндегі әктасты мөлшерлеу үлкен дәлділіктің деңгейінде болуы қажет, өйткені егер шикіқұрамға әктас шамадан тыс немесе жетіңкіремей дозаланатын болса күйежентектің гидрохимиялық қайта өңдеуден кезіндегі химиялық шығымы төмен болады.

Кальцинделінген соданы шикіқұрамға қосудың екі мәні:

– қаныққан сайма – сайлық шикіқұрамды алуда, яғни сілті алюминий оксидін Al₂O₃ натрий алюминатымен, ал қалған барлық темір оксидін Fe₂O₃ натрий ферритімен байланыстыру үшін мөлшерленеді.

– қанықпаған сайма – сайлық шикіқұрамды алуда, бұл жағдайда сілті алюминий оксидін Al₂O₃ натрий алюминатымен және темір оксидінің тек бір бөлігі ғана натрий ферритімен байланыстыру үшін дозаланады.

Күйежентекті ерітінділеген кезде натрий алюминаты ыстық суда ериді, ал натрий ферриті гидролизденуге душар болады, яғни судың әсерімен ыдырайды

Сонымен қатар күйежентекті ерітінділеу кезінде соданы каустике айналдыру реакциялары да жүреді

Бірақ іс жүзінде күйжентектелу процесі кезінде жоғарғы модулді шикіқұрамды өңдеу өте қиынға түседі және ерітіндіге өткен әрбір алюминий оксидіне кеткен сілтінің жоғалым қанықпаған шикіқұрамға қарағанда өте жоғары. Сондықтан шикіқұрамды дайындаған кезде күйежентектелу процесінде болатын барлық ұтымды және ұтымсыз физика – химиялық жағдайлар ескеріледі.

Мысалы: Нефелинді қайта өңдеген кезде (Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O) өңделетін кеннің құрамындағы сілтілік қосылыстар ескеріліп, шикіқұрам барынша жоғарғы деңгейде алюминий тотығын алуға дайындалады. Процестің соңында пайда болған сода қосымша өнім болып табылады.

Ал шламды қайта өңдеген кезде және кальцинделінген сода технологияға қажетті материал ретінде сатылып алынғанда, шикіқұрам сілтілік жоғалымдар аз болатындай құрамда дайындалады. Мұндай шикіқұрам қанықпаған шикіқұрам деп аталады.

Жүйеде қанықпаған шикіқұрамды пайдаланудың тағы бір себебі натрий ферритінің деңгейіне күйежентектің балқу температурасы тәуелді болып келеді. Неғұрлым натрий ферритінің құрамы жоғары болса, (N/F) соғұрлым күйежентек құрылымының температуралық ауданы төмен болады.

Заводтың көп жылдық жұмысы қызыл шламды қайта өңдеу кезінде және күйежентекті гидрохимиялық қайта өңдеуде күйежентектің ең ыңғайлы және қолайлы сілтілік модулі шамамен α = 1,35 тең саны екенін анықтады.

Күйежентектелуді тотықсыздағыш әдісі арқылы жүргізу мынадай жағдайларға байланысты негізделген:

– темірдің үш валентті оксиді Fe₂O₃ қышқылдық қасиеттерімен ерекшеленеді және сілтімен өзара әрекеттесіп натрий ферритін құрайды (Na₂O·Fe₂O₃ );

– екі валентті темір оксиді негіздік қасиетімен ерекшелінеді және сілтімен әрекеттеспейді, яғни натрий ферриті мен кальций ферриттерін құрмайды;

– таза темір сілтілерге бейтараптық қатынастық көрсетеді.

Осы жағдайларды ескере отырып, шикіқұрамға тотықсыздағыш ретінде көміртекті енгізеді. Тотықсыздағыш көміртегі оксиді (СО) пішінінде 400-800^оС температура аралығында үш валентті темір оксидін шалатотыққа дейін тотықсыздандырады, ал 800 ^оС жоғары температурада таза металдық темірге дейін тотықсыздандырады.

тотықсызданған шалатотық пішіндегі темір оксидтері қайтадан темірдің үш валентті оксидіне дейін тотығады.

Тотықсыздағыш ретінде қолданылатын антрацит немесе кокс қызыл шламның құрамындағы көміртегінің мөлшерін есепке ала отырып, шикіқұрамның құрамындағы көміртектің белгіленген пайыздық мөлшеріне шамаланып дозаланады. Қызыл шлам қайта өңделуге түскенде құрамында көміртегі бар органикалық заттармен бірге келеді.

Шикіқұрамның құрамындағы көміртегінің концентрациясы сонымен қатар үйінді шламдарының құрамына жіберілетін ерімейтін күкіртті қосылыстардың еншілік деңгейін төмендегі сұлба бойынша анықтап отырады:

(SO₃)^{– 2} + C = S⁺² + CO₂ (6.14)
S ^{+ 2} + Fe ^{– 2} = FeS↓ (6.15)
Осылайша шламдар үйіндісінің алаңына жіберілетін ерімейтін пішіндегі күкіртті қосылыстар заводтағы күкіртті қосылыстардан тазалайтын әдіс қана болып қоймай, экологиялық тұрғыданда тиімді болып келеді, өйткені күкірттік қосылыстарды дер кезінде жүйеден тазалап отырмаса, түтіндік құбырлар арқылы күкірттің қосылыстары қоршаған атмосфераны зияндауы әбден мүмкін.

Бүгінгі технологиялық тізбекте шикіқұрамның құрамындағы көміртегінің нағыз қажетті концентрациясы шамамен 2,1-2,3% құрайды.

Сонымен қатар заводтың көп жылдардығы жұмыс тәжірибесі күйежентектелу пешінің жақсы жұмыс жүрісіне төмендегідей параметірлер әсер ететіндігін анықтады:

– шикіқұрамның сұйық фазасының каустикті сілтілік концентрациясы 20г/л дейінгі мөлшерде пеш жақсы жұмыс істейді; 20г/л ден 30г/л дейін қанағатты, ал 30г/л жоғарғы концентрацияда пештің жұмыс режімі ауырлап, қиындап кетеді.

– (SO₃)^{– 2} және Cl^- иондарының концентрациясы алынған күйежентек бойынша жақсы анықталады, егер күйежентектің құрамында (SO₃)^{– 2} ионы 3% дейін болса ол қанағаттанарлық жағдай, ал (SO₃)^{– 2} мен Cl^- иондарының қосылыстары 4,5% жоғары болса пештің жұмыс режімі ауыр жағдайға душар болады.

Сурет 6.1 – Күйежентекті ерітінділейтін құбырлық ерітіндегіш қондырғы

6.3 Металлургиялық пештерде қолданылатын отынның түрлері

Жанған кезде көп мөлшерде жылу бөліп шығаратын заттарды отын ретінде пайдаланатыны бізге бұрынан мәлім. Сондықтан отын деп жылу өндіріп алу үшін жанатын заттарды атайды.

Отын қатты, сұйық және газтәріздес болып келеді. Сонымен қатар отындарды табиғи және жасанды деп екі түрге бөледі. Табиғи отындарды табиғаттан қалай алынды сол күйінде қолданады.

Табиғи отындардың қатарына: ағаш, шымтезек, таскөмірдің түрлері, тақтатас, мұнай, табиғи газдар және тағы басқалары жатады.

Ал жасанды отындарды табиғи отындарды қайта өңдеу арқылы алады.

Жасанды отындардың қатарына: ағаш көмірі, кокс, мұнай өнімдері – жанар майлар: бензин, керосин, мазут, және қатты отындардан алынатын генератор газы, сулы газдар және басқалары.

Табиғи отындар әрқашанда гумостық сүректердің қалдығынан пайда болған өсімдік тектес болып келеді. Сүрек - (С₆ Н₁₀ О₅ құрамдас), лигнинмен (С₁₉ Н₂₄ О₅) біртұтас байланысқан өсімдік клеткаларынан пайда болады.

Екеуінің де құрамдарында жанатын көміртегі мен сутектерінің элементтері кездеседі.

Қазіргі кезде негізгі отындардың көзі болып (антрацит, таскөмірдің түрлері, ағаш көмірі, шымтезек) сияқты қатты отындар, (мұнай және мұнай өнімдері) тәрізді сұйық отындар және (табиғи, генераторлық, сулық, араласқан, домна және кокс газдары) сияқты газтәріздес отындар табылады.

Аталған отындардың барлық түрлерінің негізгі құрамы болып көміртегі саналады және отындардың құрамында көміртегінен басқа жанатын, жанбайтын заттарда кездеседі.

Таскөмірді құрғақтай қыздырып үрлегенде кокс және таскөмір шайыры пайда болады. Таскөмірдің шайыры - өте күрделі заттардың қосылысы, оның құрамынан 200 - ден аса әртүрлі заттар бөліп алынды.

Қатты отынды жаққан кезде оттегі мен ауаның артық мөлшері қажет етіледі.

Егер оттегі мен ауаның мөлшері жеткіліксіз болатын жағдайда отын толығымен жанбайды, яғни жылудың көп бөлігі артық газдарды қыздыруға жұмсалады, осының бәрі жылулық әсерді төмендетеді. Сұйық отынды пайдаланғанда, оны жағып, бүріккіштердің көмегімен жан – жаққа шашыратып себеді. Осының нәтижесінде сұйық отын ауамен жақсы араласып, отын толығымен жанады. Сонымен бірге сұйық отын жанғанда жылулық жоғалым аз және температуралық жалын қатты отынмен салыстырғанда анағұрлым жоғары болады.

Газдардың жануы жоғарғы деңгейде, қарқынды жүреді және оңай реттеліп, жоғарғы деңгейде температуралық жалын алынады.

Сондықтан қатты отындарды газтәрәздес отындарға айналдырып, содан кейін оны әр салаға қолданған экономикалық тұрғыдан өте тиімді болып келеді. Қатты отынды газтәріздес отынға айналдыру газдандыру процесі деп аталады. Қатты отындардың ішінде төменгі сапалы отындарын, мысалы шымтезек немесе тақтатас сияқты түрлерін газдандыру тиімді.

Қатты отындарды газдандыру процестері арнайы газдық генератор пештерінде жүргізіледі. Пештің ішіне қатты отынды салып, ауамен үрлейді.

Реакция көп мөлшерде жылу бөле жүреді, сондықтан қатты отын қатты қызады. Реакция нәтижесінде пайда болған көміртегіқышқыл газы қатты қызған көмірмен өзара әрекеттесіп көміртегі оксидін құрайды.
C + O₂ = CO₂ (6.16)
CO₂ + C = 2CO (6.17)
Көміртегі оксиді пайда болған газдың жанатын құрамының негізгі бөлігі болып табылады және генераторлық деп аталады. Генераторлық газдың құрамына көміртегі оксидінен басқа ауадағы азот және көміртегіқышқыл газының азғантай бөлігі кіреді

Газдық генератор пештерін шамадан тыс қыздырып алмас үшін ауамен бірге аз мөлшерде судың буын қосады, осының нәтижесінде қыздырылған генератор арқылы ауамен су буының араласқан қосындысын үрлегенде сутегі мен көміртегі оксидінен тұратын газ пайда болады

Генераторлық газдың жылусыйымдылығы 1120 ккал/м³ тең.

Қатты отын физикалық ылғалдылығы – W; жанбайтын қалдық күл – А; және органикалық жанатын масса деген үш бөлімнен тұрады.

Қандайда болсын қатты отынның органикалық құрамы төмендегідей компонентерден тұрады:

– көміртегі - С;

– сутегі – Н;

– азот – N;

– оттегі –О;