Современное производство алюминия, вышедшее на первое место по производству в мире среди цветных металлов, состоит из трех основных стадий: добычи руды, ее переработки на глинозем и, наконец, получения первичного алюминия. Получение глинозема из бокситов, основного сырья глиноземной промышленности, базируется на двух основных способах: способе Байера и разработанном в России под руководством академика Николая Семеновича Курнакова способе спекания. Получение глинозема по способу Байера экономически более выгодно, но и более требовательно к качеству бокситового сырья. Применительно к низкокачественным бокситам выполнено большое количество исследовательских работ, направленных, во-первых, на изыскание методов обогащения сырья, во-вторых, на усовершенствование ком- бинированного последовательного способа Байер-спекание, в-третьих, на разработку новых гидрометаллургических способов их переработки. Механические методы обогащения бокситов пока не дали положительных результатов, а при разработке нового гидрометаллургического высокощелочного автоклавного процесса встретились существенные аппаратурные трудности, к настоящему времени ещё не решенные. Для эффективной переработки такого низкокачественного бокситового сырья предлагается использовать разработанный в Санкт-Петербургском горном университете под руководством Николая Ивановича Еремина универсальный способ термохимия-Байер, позволяющий перерабатывать различное некондици- онное бокситовое сырье и характеризующийся конкурентоспособной себестоимостью по отношению к способу спекания и комбинированным способам. Основные стадии способа термохимия-Байер: термиче- ская активация сырья, последующее его обескремнивание щелочным раствором и выщелачивание полученного бокситового продукта по способу Байера. Несмотря на высокие энергозатраты на стадии обжига, он позволяет кондиционировать низкокачественное бокситовое сырье по целому ряду технологически вредных примесей: таких как органика, сульфидная сера, карбонаты, удаляется при этом кристаллогидрат- ная и свободная вода. Последующее же обескремнивание щелочным раствором термоактивированного боксита позволяет перевести его из категории низкокачественных бокситов в сырье, пригодное для пере- работки по способу Байера.
Потребление энергии во всем мире по ряду причин: рост численности населения, индустриализация и быстрый экономический рост развивающихся стран – постоянно увеличивается. Наиболее распространенное газовое топливо – природный газ – имеет низкую себестоимость добычи. Она меньше аналогично-го показателя для жидкого топлива в 2-3 раза, а для каменного угля в 6-12 раз. При передаче природного газа по трубопроводу на расстояние 1,5-2,5 тыс. км его себестоимость с учетом транспортных издержек в 1,5-2 раза ниже себестоимости каменного угля, при этом не нужны топливные склады. Установки, работающие на газовом топливе, обладают более высоким КПД по сравнению с установками, использующими другие виды топлива, они проще и дешевле в эксплуатации, сравнительно легко автоматизируются, что повышает безопасность и улучшает ведение технологического процесса, не требуют сложных устройств топливоподачи и золоудаления. Сгорает газ с минимальным количеством вредных выбросов, что улучшает санитарные условия и экологию. Однако в связи с истощением запасов основных источников энергии многие специалисты связывают будущее мировой энергетики с возможностями применения твердых энерго-носителей. С экологической точки зрения наиболее предпочтительной является технология газификации твердого топлива. Внедрил и популяризовал применение искусственного газа английский механик Вильям Мёрдок. Он получил светильный газ, произведя сухую перегонку каменного угля. После изобретения немецким химиком Робертом Бунзеном газовой горелки светильный газ начал применяться в качестве бытового топлива. С изобретением в 1861 г. братьями Сименс промышленного газогенератора появилась возможность получать более дешевый генераторный газ, на который стали переводить промышленные печи. Так как теплота сгорания получаемого в результате газификации генераторного газа относительно мала по сравнению с природным газом, то в Горном университете были проведены исследования возможности использования различных видов низкосортного технологического топлива на глиноземных заводах России в качестве альтернативы природному газу, доступ к которому имеется не во всех регионах.
Однажды профессор математики Ленинградского горного института Н.В.Липин сказал Н.С.Курнакову, что М.В.Ломоносов очень сетовал на свое недостаточное знакомство с математикой. На это выдающийся ученый ответил: «Ведь я же указывал Вам на это – мы все нуждаемся в математике, и чем больше развивается химия, тем больше она нуждается в математических обоснованиях». По одному из сценариев международной неправительственной организации – Римского клуба, к середине XXI в. мировые запасы сырьевых ресурсов сократятся в 3 раза, а объем промышленного производства снизится многократно. По другому сценарию ресурсы уменьшатся только на треть, а объем промышленного производства сохранится на уровне начала века. Не только первый сценарий, но и второй предусматривает промышленную стагнацию. Для динамичного и устойчивого развития техногенной цивилизации это неприемлемо, и интенсивно набирающие темп экономики Китая, Индии, Бразилии и России опровергают прогноз Римского клуба, так как не были учтены возможности научно-технического прогресса по сокращению потребления энергии и использованию ее альтернативных источников, а также и возросший технологический потенциал человечества. В связи с истощением запасов основных источников энергии (нефти и газа) многие специалисты связывают будущее мировой энергетики с возможностями переработки твердых энергоносителей. С экологической точки зрения наиболее предпочтительной является технология газификации твердого топлива. Поскольку теплотворная способность получаемого в результате газификации генераторного газа относительно мала по сравнению с природным газом, были проведены исследования возможности использования генераторного газа на промышленных предприятиях России в качестве альтернативы природному газу, доступ к которому имеется не во всех регионах.
Нефть, поступающая на первичную переработку, неизменно проходит предвари-тельную подготовку, назначение которой устранить вредное влияние содержащихся в нефти воды и солей. При этом сложилось мнение, что коррозия аппаратуры связана в основном с хлоридами магния и кальция, которые подвергаются гидролизу с образованием хлористоводородной кислоты. Под действием соляной кислоты происходит разрушение (коррозия) металла аппаратуры технологических установок, особенно конденсационно-холодильной и теплообменной аппаратуры, печей перегонных установок. Авторы статьи на основании термодинамических расчетов приводят свою точку зрения на этот вопрос и дают методику, по которой можно контролировать и регулировать процесс предварительного обезвоживания и обессоливания нефти. Выполненные для стандартных условий термодинамические расчеты, на основе справочных данных, подтверждают высокую вероятность протекания реакций взаимодействия железа с ионами водорода , сероводородом и особенно с углекислотой, что свидетельствует о высокой активности растворенного в воде углекислого газа и невозможности протекания гидролиза ионов магния, кальция и железа. Расчетами установлено, что с уче-том ионного состава сопутствующей нефти водной фазы возможен гидролиз только хлорида магния. Присутствие ионов хлора сдвигает потенциал железа в отрицательную сторону и повышает скорость коррозии нефтехимической аппаратуры. Решение данной проблемы кроется не только в разработке современных методов обезвоживания и обессоливания сырой нефти, но и в интенсификации процессов смешения водонефтяных эмульсий с промывной водой путем применения воздействия на них различных полей (например, ультразвука) и создания на их основе эффективных аппаратов смешения.
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.
В России и ряде зарубежных стран предложены различные способы химического обогащения бокситов, которые, как правило, не затрагивают вопроса регенерации кремнещелочного раствора или сводят его к выделению диоксида кремния в виде силиката кальция. Но технологические схемы химического обогащения предусматривают возврат щелочного раствора после регенерации на обескремнивание следующих партий боксита. Известно, что химическое обогащение сопровождается вторичным процессом – образованием гидроалюмосиликата натрия, скорость образования которого зависит от концентрации в щелочном растворе как оксида алюминия, так и диоксида кремния. В работе приводятся данные двухстадийного осаждения диоксида кремния из щелочного раствора. На первой стадии в виде гидроалюмосиликата натрия и на второй – в виде силиката кальция.
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.
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.
Анализ показывает резкое обострение проблемы восполнения запасов на добывающих предприятиях страны. Доля активных запасов от количества разведанных на сегодняшний день бокситов составляет 60-68 %. Обеспеченность разведанными запасами бокситов достигла критически низкого уровня, а стратегический резерв на действующих месторождениях является недостаточным. Положение усугубляется отсутствием новых горно-добывающих мощностей и свертыванием геолого-разведочных работ. В то же время подготовка ресурсной базы в объемах, рентабельных для промышленного освоения, требует 10-15 лет с концентрацией значительных средств. К сожалению, в России нет и качественных бокситов, на переработке которых строится мировая глиноземная промышленность. Одним из вариантов решения этой проблемы является вовлечение в сферу производства глинозема по способу Байера низкокачественных бокситов с предварительным термохимическим кондиционированием. Несмотря на высокие энергозатраты, обжиг позволяет кондиционировать бокситовое сырье по целому ряду технологически вредных примесей, таких как органика, сульфидная сера, карбонаты, а последующая обработка оборотными щелочными растворами повысить кремниевый модуль бокситового концентрата. На примере высококремнистых хромсодержащих бокситов Северо-Онежского месторождения показана положительная роль обжига при их переработке и возможность многократного повышения кремниевого модуля бокситового концентрата, успешно перерабатываемого по способу Байера. Лабораторные исследования подтверждены опытно- промышленными испытаниями.
Изучена коррозионная стойкость ряда металлов (Ст.3, 1Х18Н9Т, ЭИ-868, чистые Ti, Ni, Mo) в растворах, содержащих низшие хлориды титана. Показано, что характер и скорость коррозии зависит от химического состава сплава. Наиболее подвержены коррозии сплавы, содержащие Cr. Получены данные по сравнительной коррозионной стойкости указанных материалов в солевых средах.
Представлены результаты выщелачивания термоактивированных кремнийсодержащих минералов щелочесодержащими растворами. Показано, что при обескремнивании боксита наблюдается постепенное затормаживание растворения диоксида кремния и оксида алюминия за счет образования экранирующего слоя. Увеличение температур выщелачивания, обжига и кремневого модуля исходного боксита приводит к возрастанию коэффициента торможения.
Представлены результаты выщелачивания шамозитизированных бокситов щелочесодержащими растворами. Показано, что поведение шамозитов при взаимодействии со щелочными растворами зависит от соотношения ортогональной и моноклинной модификаций и степени окисленности. Однако предварительный обжиг в слабоокислительной среде эти различия сглаживает за счет практически полного разложения шамозитов с образованием аморфных оксидов алюминия и кремния.
Представлены результаты выщелачивания кремнесодержащих минералов щелочесодержащими растворами. Показано, что разложение каолинита происходит в толще твердой фазы, покрытой коркой ГАСНа, не нарушая основной ее структуры и без избытка растворителя. Растворяющаяся поверхность остается постоянной, что является одним из условий применимости уравнения Дроздова – Ротиняна.
Исследована новая энергосберегающая технология получения глубокопрокаленного глинозема, отличающаяся от существующих тем, что внесение минерализатора бора в виде борной кислоты одновременно нейтрализует остаточное содержание щелочи. Это позволяет проводить обжиг в одну стадию. Предложен и опробован метод химического контроля за содержанием a-модификации оксида алюминия при кальцинации глинозема. Метод позволяет следить не только за качеством полученного продукта, но и производить количественную оценку содержания в глиноземе корунда. Результаты эксперимента были подтверждены кристаллооптическими и рентгеноструктурными исследованиями.
Приведены краткие результаты научно-исследовательских работ, выполнявшихся преподавателями, аспирантами и студентами кафедры печей, контроля и автоматизации металлургического производства в 2000 г. по двум основным направлениям: моделирование технологического оборудования производства металлов и моделирование систем управления энергетическими процессами промышленных печей производства металлов. В рамках первого направления исследований разработаны математические модели конвертерного передела плавильного цеха комбината «Печенганикель», процесса рудно-термической плавки, процессов растворения и выщелачивания, процесса очистки сточных вод с использованием гидрокарбоапюмината кальция; разработана технология переработки бедных по цинку железосодержащих пылей в вельц-печи; предложен подход к оптимизации процессов разделения суспензий с использованием пресс-фильтров LAROX PF Второе направление включает работы по разработке метода спектральных плотностей для синтеза систем управления с дискретным запаздывающим контролем и повышению эффективности управления газовым режимом конвертеров.
Расплавы, содержащие хлориды титана и циркония, применяют при производстве тугоплавких металлов и их сплавов. В частности, был исследован электролитический процесс получения титанциркониевых порошков. В качестве электролита использовали эквимолекулярный расплав солей NaCl и КС1, содержащий дву- и треххлористый титан и четыреххлористый цирконий. Содержание в электролите растворенного циркония не превышало 0,8% ...
