Равновесные и неравновесные состояния систем Na 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O и K 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O имеют определяющее значение для установления ключевых технологических показателей глиноземного производства и их оптимизации. Обоснована необходимость систематизации и статистической обработки данных о равновесии в указанных системах для создания достоверной базы их физико-химического состояния, анализа и математического моделирования фазовых равновесий вследствие заметного расхождения экспериментальных результатов и термодинамических расчетов по материалам отдельных исследователей. Выявлена тенденция к уменьшению степени гидратации твердых алюминатов натрия с ростом температуры и переходом систем из области устойчивого состояния гиббсита к равновесию с бемитом. Приведены аппроксимирующие функции, позволяющие с высокими показателями достоверности описать изотермы равновесия в технологически значимой области концентраций систем Na 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O и K 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O. Упрощение аппроксимирующей функции возможно путем деления изотерм равновесия на два участка с интервалами содержания щелочного реагента 0-0,25 и 0,25-0,4 моль/100 г раствора. Выявлены закономерности в ходе изотерм растворимости для систем Na 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O и K 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O, которые имеют удовлетворительное объяснение с позиций изменения ионного состава алюминатных растворов в зависимости от их концентрации и температуры, а также вследствие различий, связанных с гидратацией катиона щелочного металла, что имеет принципиальное значение для термодинамического моделирования рассмотренных равновесий.
Научное обоснование и разработка способа промышленного синтеза сложных алюминатов щелочно-земельных металлов представляет собой инновационное решение, определившее целый ряд направлений в развитии технологии комплексной переработки нефелинового сырья. Это обеспечивает получение высококачественного металлургического глинозема, эффективную утилизацию нефелинового шлама и выпуск новых видов попутной продукции широкого назначения. Современное развитие этих технических решений связано с обеспечением энергоэффективности синтеза гидрокарбоалюминатов кальция (ГКАК) и увеличением глубины очистки алюминатных растворов. Экспериментально определены условия синтеза ГКАК с использованием известковых материалов природного и техногенного происхождения, что позволяет выделить средний диаметр частиц в качестве одного из определяющих факторов этого процесса. Теоретически обосновано влияние оборота гидрогранатового шлама на снятие кинетических ограничений в процессе глубокого обескремнивания алюминатных растворов. Экспериментально определены условия двухстадийной дозировки ГКАК. Показано, что оптимальное соотношение количества реагента, подаваемого на первой и второй стадии, составляет около 3:2. При этом максимальная степень осаждения кремнезема обеспечивает получение алюминатных растворов с кремниевым модулем на уровне 95000, что достигается при использовании ГКАК, синтезированного на основе химически осажденного карбоната кальция при переработке отходов производства минеральных удобрений.
Щелочные алюмосиликаты как комплексное минеральное сырье представляют значительный интерес для алюминиевой, химической промышленности и производства строительных материалов. Они широко распространены в земной коре, характеризуются сложностью вещественного состава и переменным содержанием основных компонентов –глинозема, щелочей и кремнезема; часто залегают там, где в силу геологических условий отсутствуют бокситы, например в США, Канаде, Венесуэле, Мексике, Иране, Египте, Португалии, Испании, Болгарии и других странах. В настоящее время экономический интерес для России представляют нефелины, которые играют большую роль в сырьевом балансе отечественной алюминиевой промышленности. Из-за ограниченных запасов бокситов доля глинозема, производимого из нефелинов, составляет 40 % и со временем будет только возрастать за счет вовлечения в производство новых месторождений щелочных алюмосиликатов. Многие зарубежные компании также проявляют интерес к комплексной переработке этого типа руд. В основе технологии лежит способ спекания руды с известняком. В результате получают спеки, состоящие из алюминатов щелочных металлов и двухкальциевого силиката; спеки выщелачивают оборотными щелочно-алюминатными растворами, из растворов выделяют глинозем, соду и поташ. Двухкальциевый силикат (нефелиновый шлам) перерабатывают на портландцемент. Для исследованных спеков проявляется тенденция к повышению оптимальной температуры спекания со снижением в них содержания Al 2 O 3 . С увеличением силикатного модуля (м.о. SiO 2 / Al 3 O 3 ) в исходных щелочных алюмосиликатных шихтах температура спекообразования возрастает. Спеки на основе различных щелочных алюмосиликатов имеют отличающуюся микроструктуру, степень кристаллизации в них b-С 2 S и алюмината натрия улучшается с уменьшением количества алюминатной фазы. Результаты исследований свидетельствуют о весьма ограниченной растворимости алюминатной фазы в двухкальциевом силикате, что теоретически обосновывает достаточно высокий уровень химического извлечения полезных компонентов при переработке различных типов щелочных алюмосиликатов методом спекания.
В современной металлургии все больше внимания уделяется безопасности химических процессов как по отношению к работающему персоналу, так и окружающей среде. Одной из опаснейших отраслей металлургии является цианирование золотоносных руд. Последние 30 лет активно ведутся исследования возможности замены цианидов на другие растворители. Конкуренцию цианидам составляют тиосульфат и тиомочевина. В рамках программы сотрудничества между Горным университетом и Лаппеенрантским технологическим университетом проводятся исследования по совершенствованию выщелачивания золота с помощью тиосульфата. Основные усилия сосредоточены на химии процесса, однако не последнюю роль играют и массообменные процессы гетерогенных систем. Их оптимизацию планируется достичь за счет компьютерной модели, основанной на данных, полученных с помощью лазерной методики изучения полей скоростей.
Компьютерное моделирование прочно укрепило свои позиции в разработке оборудования, особенно уникального, отвечающего заданным параметрам конкретного производства или предприятия металлургии. Это объясняется экономической целесообразностью, практически полным отсутствием ограничений в построении геометрии, а также возможностью всестороннего и оперативного исследования оборудования на прочность и, конечно, виртуальным тестированием изделия в рабочем режиме. Одним из наиболее используемых и непрерывно совершенствуемых программных пакетов для работы с жидкостями и газами является Fluent, продукт компании ANSYS. Данный пакет используется для создания физической, а в дальнейшем и химической модели, способной с высокой точностью описывать и прогнозировать процессы и реакции, имеющие место в газожидкостном реакторе при выщелачивании золота с помощью тиосульфата.
Обсуждается проблема автоматического питания электролизера фторидом алюминия c высокой насыпной плотностью. Изучается возможность уменьшения удельного расхода фторида алюминия в связи с выбором рациональных физико-химических характеристик.
Изложены результаты синтеза гидрокарбоалюминатов кальция (ГКАК) при использовании карбонатных реагентов различной природы и гранулометрического состава. Показана высокая активность известкового шлама от каустификации соды и продуктов конверсионной переработки фосфогипса, что позволяет рекомендовать их для использования в процессе получения ГКАК. Установлена лимитирующая стадия взаимодействия, связанная с внутренней диффузией реагентов.
Исследования по разработке экономически обоснованной замены цианирования золотоносных руд весьма актуальны для ведущих ученых. После множества серьезных инцидентов на производстве некоторые страны запретили добычу золота с помощью цианирования. Экологическая безопасность – одна из причин инициирования разработки менее токсичного агента для выщелачивания золота. Одним из наиболее перспективных заменителей цианида является тиосульфат. По- мимо его низкой токсичности он также подходит для обработки упорных сульфидных и углеродосодержащих руд. В работе представлены серии экспериментов по исследованию влияния предварительного окисления руды на последующее выщелачивание.
Комплексно рассмотрен вопрос применения оксидных соединений магния для очистки алюминатных растворов глиноземного производства. Предложен двустадийный процесс, предусматривающий образование гидрокарбо- и сульфоалюминатов магния взаимодействием оксида магния с алюминатными растворами при условиях, соответствующих параметрам глиноземного производства. Определена высокая сорбционная активность получаемых соединений по отношению к органическим веществам алюминатных растворов.
Исследована возможность применения сгущения и фильтрации для разделения неоднородных дисперсных систем, образующихся в процессе химического кондиционирования бокситов. Показано, что с увеличением соотношения между жидкой и твердой фазами бокситовой пульпы показатели процесса сгущения улучшаются. Аналогичное влияние оказывает повышение температуры процесса и применение флокулянта. Полученные результата сравниваются с показателями сгущения красного шлама. Для пульпы бокситового концентрата подобрана фильтровальная ткань, обеспечивающая наиболее рациональный режим фильтрации с накоплением осадка.
Статистический анализ позволил выявить добавки, существенно влияющие на процесс образования корунда. Так, фтористые соединения натрия, кальция, алюминия, оксиды железа и хрома способствуют образованию α-Al2O3. Противоположное влияние оказывают оксид натрия, соединения лития и диоксид титана.
Рассмотрены преимущества и недостатки комплексной переработки красного шлама с получением глинозема, железа (литейного чугуна) и цемента на площадках глиноземных заводов и способа получения на них только транспортабельного красного шлама для отгрузки и переработки новой товарной продукции на действующих предприятиях.
Проведен термодинамический анализ реакций обезвоживания гидроксидов алюминия в процессе кальцинации при производстве глинозема. Кальцинация гидроксида алюминия в производстве глинозема может осуществляться при стандартных условиях при температуре более 600 К. Обезвоживание диаспора становится возможно путем вымораживания с образованием льда, вытапливанием воды или нагревом при температуре разложения.
Приведены результаты промышленных испытаний технологии сверхглубокого обескремнивания алюминатных растворов при дробной дозировке гидрокарбоалюмината кальция 4CaO×Al2O3×0,5CO2×11H2O. За счет данного технологического решения были по- лучены растворы с повышенным кремниевым модулем (весовое отношение Al2O3/SiO2) без увелечения расхода извести.
Приведены результаты лабораторных исследований по сверхглубокому обескремниванию алюминатных растворов на основе добавок гидрокарбоалюмината кальция 4CaO×Al2O3×0,5CO2×11H2O при опережающем вводе в процессе оборотного гидрогранатового шлама. Получены качественно новые алюминатные растворы с кремниевым модулем (весовое отношение Al2O3/SiO2), равным 50 000 ед. Воздействие опережающего ввода гидрогранатового шлама на глубину обескремнивания дано с позиций теории гетерогенного катализа.
Общеизвестно, что эффективной добавкой, позволяющей увеличить глубину и скорость извлечения глинозема из боксита по способу Байера, является известь. Поскольку при термохимическом кондиционировании бокситов одной из операций является обжиг, рационально ввести известняк непосредственно на обжиг боксита, ликвидируя специальную операцию обжига известняка и гашения обожженного материала. С целью проверки этого были проведены исследования по обжигу боксита в присутствии оксида кальция, последующему обескремниванию обожженного боксита и автоклавному выщелачиванию бокситового концентрата.
Практически все виды сырья, используемые в производстве алюминия, имеют мелко-дисперсный состав, что при проведении технологических операций вызывает пыление, которое приводит к образованию некондиционных отложений сырья. Их оборот в основное производство способствует ухудшению технико-экономических показателей процесса. Пробы глиноземной пыли отбирали с отметки + 16,0 м на алюминиевых заводах России, использующих различные технологии. При нахождении на верхних ярусах корпуса электролиза глинозем сорбирует влагу, фториды и углерод. Проникновение фторидов в объем частиц глинозема зависит от кристаллофизических особенностей зерен. При высокой слоистости частиц фториды равномерно распределяются как на поверхности, так и в объеме частиц. Преимущественно твердые фториды (хиолит) проникают в трещины и деформации зерен глинозема, а фторводород адсорбируется на поверхности с образованием фторида алюминия. Глиноземная пыль предприятия, работающего длительное время с криолитовым отношением 2,2-2,35, содержит большое количество кремния. Соединения кремния покрывают зерна глинозема игольчатой пленкой.
Приведены результаты лабораторных исследований по сверхглубокому обескремниванию алюминатных растворов на основе добавок гидрокарбоалюмината кальция 4CaO×Al2O3×0,5CO2×11H2O при опережающем вводе в процесс оборотного гидрогранатового шлама. Получены качественно новые алюминатные растворы с кремниевым модулем (вес. отношение Al2O3 / SiO2), равным 50000 ед. Воздействие опережающего ввода гидро-гранатового шлама на глубину обескремнивания дано с позиций теории гетерогенного катализа. Полученные результаты могут быть использованы при решении проблемы диверсификации производства при комплексной переработке фосфогипса в части синтеза гидрокарбоалюмината кальция на основе фосфомела.
Приведены результаты исследований конверсионного способа переработки крупно-масштабных отходов производства минеральных удобрений – фосфогипса в сульфат аммония и карбонат кальция (фосфомел). Показано, что на основе фосфомела может быть синтезирован инновационный продукт многофункционального назначения – гидрокарбоалюминат кальция 4CaO×Al2O3×nCO2×11H2O; намечены пути эффективного использовании гидрокарбоалюмината кальция в различных отраслях экономики.
Изложены теоретические основы синтеза гидрокарбоалюмината кальция 4CaO×Al2O3×mCO2×11H2O на основе СаСО3 в алюминатно-щелочной системе. Построены изотермы метастабильных равновесий в системе CaCO3 – 4CaO×Al2O3×mCO2×11H2O – 3CaO×Al2O3×6H2O – NaAl(OH)4 – NaOH – H2O при 50, 70 и 90оС.
Гидросульфоалюминаты кальция (ГСАК) являются одним из компонентов цементного камня. Они медленно (4-6 мес.) образуются вместе с упорядочением структуры цементного камня в водной среде при умеренной температуре (0-25 °С). Низкая скорость кристаллизации ГСАК не позволяла рассматривать их как самостоятельные объекты для использования в различных технологических целях. Доказана возможность образования ГСАК (4CaO×Al 2 O 3 ×mSO 3 ×nH 2 O) в среде сильных электролитов – алюминатных растворах глиноземного производства. Они кристаллизуются в течение короткого времени (1-2 ч) и сохраняют свою устойчивость достаточно долго – 24-36 ч. Это позволило наметить пути их промышленного использования.
Описана математическая модель процесса сверхглубокого обескремнивания алюминатных растворов с предварительным вводом оборотного гидрогранатового шлама, которая может быть использована для создания АСУТП процесса в технологической схеме комплексной переработки нефелинового концентрата на глинозем и попутные продукты.
Рассмотрены основные направления усовершенствования технологии комплексной переработки нефелинов на глинозем и попутные продукты. Дана оценка перспективного «сухого» способа производства глинозема и портландцемента; рассмотрено решение проблемы разделения Al (III) и Si (IV) и получения крупнозернистого глинозема высших марок; показана перспектива расширения ассортимента выпускаемой продукции; приведен сравнительный анализ стоимостных характеристик переработки апатитового и нефелинового концентратов, свидетельствующий о существенно более высоком потенциале нефелинового сырья.
Промышленные испытания по усовершенствованию получения крупнозернистого глинозема в филиале «ПГЗ – СУАЛ» проведены в период устойчивой работы предприятия. В аппаратурно-технологическую схему переработки алюминатных растворов была включена гидроклассификация гидрата на специальном гидроклассификаторе (ГК) конструкции ВАМИ; несбалансированная часть мелких фракций выводилась в продукцию.
Рассмотрены вопросы оптимизации процессов подготовки нефелино-известняковой шихты на основе принципа независимости измельчаемости отдельных компонентов. Даны рекомендации по повышению эффективности работы измельчительного оборудования филиала «ПГЗ – СУАЛ».
Рассмотрены вопросы влияния дисперсности нефелина и известняка в составе нефелино-известняковой шихты на качество алюминатного спека, выявлены оптимальные соотношения крупности указанных компонентов.
Показано современное состояние алюминиевой промышленности России. Предложены пути развития сырьевой базы, создания комплексных безотходных технологий производства алюминия.
Рассмотрены варианты рациональной переработки промпродуктов титаномагниевого производства. Опробована технология получения металлического ванадия с использованием отработанного магниевого электролита и оксихлорида ванадия. При магние- и натриетермическом восстановлении хлоридов ванадия получен металл в форме порошка, кристаллов и губчатой массы.
Расширение ассортимента выпускаемой продукции всегда будет одной из актуальных задач повышения эффективности комплексной переработки нефелинов. В настоящее время наиболее подготовленными к промышленному внедрению являются технологии переработки гидрогранатовых шламов сверхглубокого обескремнивания на литейные цементы и получения сухих гидрокарбоапюминатов кальция с целью использования в различных отраслях народного хозяйства (производство быстротвердеющих безусадочных цементов, гидроизоляционных материалов, герметиков, тампонажных растворов, коагулянтов и др.). Для теоретического обоснования упомянутых технологий исследованы параметры термического разложения слабонасыщенных гидрогранатов кальция (составляющих основу шламов сверхглубокого обескремнивания) и гидрокарбоалюминатов кальция. По результатам исследований разработаны технологические регламенты и осуществлен выпуск опытно-промышленных партий новых продуктов.
Рассмотрены основные направления усовершенствования технологии комплексной переработки нефелинов на глинозем и попутные продукты. Дана оценка перспективного «сухого» способа производства глинозема и портландцемента, рассмотрено решение проблемы разделения Al(lll) и Si(IV) и получения крупнозернистого глинозема высших марок, показана перспектива расширения ассортимента выпускаемой продукции.
Рассмотрены вопросы совершенствования технологии комплексной переработки небокситового алюминиевого сырья - нефелинов; синтеза тугоплавких соединений титана; технологии извлечения платины и ее спутников; интенсификация аппаратов автогенной плавки сульфидных материалов. Исследования выполнены при поддержке РФФИ («Программа поддержки ведущих научных школ» - проект 00-15-99070).
Дана общая характеристика производства глинозема и алюминия в нашей стране, рассмотрены проблемы сырьевой базы, изложены программы модернизации и реконструкции заводов. Детально обсуждаются вопросы развития предприятий алюминиевой промышленности Северо-Запада, предложена концепция организации холдинговой компании «Алюминий Северо-Запада».
