Способ комплексной переработки глиноземсодержащего сырья
METHOD FOR COMPLEX PROCESSING OF ALUMINA-CONTAINING RAW MATERIALS

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при переработке глиноземсодержащего сырья -  бокситов и красных шламов, отходов глиноземного производства.
2
2
3
Практически все разведанные запасы бокситового (глиноземсодержащего) сырья в России не могут быть переработаны, как во всем мире, дешевым способом - методом Байера вследствие высоких концентраций SiO, труднорастворимых минеральных образований и наличия большого количества железа. В России основным способом переработки бокситов на глинозем является комплексный метод Байер-спекание, при котором отходом производства является красный шлам, содержание AlO в котором достигает значений выше 15 мас.% и он становится глиноземсодержащим техногенным сырьем.
2
3
Известны технологические процессы переработки бокситов, направленные на снижение потерь AlOс красными шламами и повышение выхода глинозема. К ним относится способ переработки бокситов на глинозем (патент RU 2494965, опубликовано 10.10.2013), включающий размол боксита в оборотном растворе, выщелачивание, сгущение с получением алюминатного раствора и красного шлама, промывку красного шлама, декомпозицию алюминатного раствора с получением гидроокиси алюминия и маточного раствора, выпарку маточного раствора с получением оборотного раствора и кальцинацию гидроокиси алюминия с получением глинозема. После размола боксита в оборотном растворе полученную пульпу нагревают до удаления воды из оборотного раствора с получением сухого остатка, упаренную воду конденсируют, соединяют с сухим остатком и направляют на выщелачивание, а после операции сгущения алюминатный раствор подвергают операции обескремнивания с получением белого шлама и алюминатного раствора, который направляют на операцию декомпозиции.
Способ обеспечивает повышение выхода глинозема и уменьшение выхода красного шлама, но не решает вопроса извлечения железа из глиноземсодержащего сырья.
2
2
2
Известны способы переработки красных шламов. К ним относится способ переработки красных шламов алюминиевой промышленности, обеспечивающий безотходную переработку глиноземсодержащего сырья (патент GB 25416364, опубликовано 21.01.2015) при получении металлического железа в слитках и пеносиликатов. Указанный способ включает получение шихты, содержащей красный шлам, углеродсодержащий восстановитель и материал для регулирования массового соотношения SiO/CaO в шихте, при этом содержание углерода в шихте доводят до 3,5-5,5 мас.%, а в качестве материалов для регулирования массового соотношения SiO/CaO в шихте вводят песок с известняком или доломитом и соотношение SiO/CaO в шихте доводят до 1,3-1,5, плавку шихты ведут при температуре 1690-1790°С, шлаковую часть расплава сливают в воду для его вспенивания и образования пористого стекловидного материала для использования в строительстве, а металлическую часть расплава отливают в формы.
Основным недостатком способа является высокая энергоемкость процесса.
2
3
Известен способ переработки красного шлама глиноземного производства (документ SU 1715874, опубликовано 29.02.1992), включающий получение пульпы красного шлама, классификацию пульпы по классу частиц 40-60 мкм для отделения алюмокальциевой фракции с размером частиц более 40-60 мкм и высокоградиентную магнитную сепарацию частиц размером менее 40-60 мкм при рН пульпы 1,5-4 и напряженности магнитного поля 30-80 кА/м (0,4-1,0 Тл) с получением обогащенного скандийсодержащего магнитного концентрата (выход 4-7%, содержание FeO - 65-76%).
Недостатком способа является недостаточно высокий выход получаемого железосодержащего продукта, обусловленный тем, что часть железа остается в частицах алюмокальциевой фракции размером более 40-60 мкм.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ переработки бокситов на глинозем по параллельной схеме Байер-спекание (Лайнер А.И. Производство глинозема. М.: Металлургиздат, 1961. 620 с., с.570-572). В соответствии с данным способом в ветви Байера осуществляют размол боксита в оборотном растворе, его выщелачивание, сгущение с получением алюминатного раствора и красного шлама, декомпозицию алюминатного раствора с получением гидроокиси алюминия и маточного раствора, выпарку маточного раствора с получением оборотного раствора и кальцинацию гидроокиси алюминия с получением глинозема.
2
3
2
3
2
3
В ветви спекания проводят размол бокситовой шихты, состоящей из боксита, соды, известняка и белого шлама, спекание шихты при температуре 1250-1300°С, выщелачивание полученного спека щелочью с получением алюминатного раствора, содержащего кремнезем, и красного шлама, обескремнивание алюминатного раствора с получением белого шлама и обескремненного алюминатного раствора, который подают в ветвь Байера на декомпозицию, а белый шлам направляют в ветвь спекания, при этом красный шлам направляется в отвал. При спекании бокситов с содой при температуре 1250-1300°С часть γ-AlOмодификации, используемой для получения глинозема, переходит в α-AlO- корунд, нерастворимый в щелочах и который невозвратимо удаляется с красными шламами. При выщелачивании спека раствором горячей щелочи образуются гидроалюмосиликаты натрия и железистые алюмосиликаты натрия, которые нерастворимы в щелочах и в которых безвозвратно теряется часть AlOс красными шламами.
2
3
Способ при высоких энергетических затратах не обеспечивает комплексность переработки глиноземсодержащего сырья, так с отходами производства - красными шламами теряется значительное количество AlO.
Техническая проблема заключается в необходимости создания безотходной технологии переработки глиноземного сырья, при этом технический результат обеспечивается за счет расширения круга извлекаемых продуктов (железосодержащих, алюмосодержащих и кальциево-силикатных), пригодных для дальнейшего использования, и снижения энергоемкости процесса.
2
3
Техническая проблема решается заявляемым способом комплексной переработки глиноземсодержащего сырья, который включает подготовку шихты, содержащей боксит или красный шлам, соду в количестве не более 5% от массы шихты и известняк при поддержании молярного соотношения CaO/SiO(1,9-2,1):1, полученную шихту нагревают до температуры не менее 350°С, затем ведут термическую обработку в кипящем слое при 750-900°С в присутствии восстановителя, в качестве которого используют монооксид углерода, и охлаждают смесь в атмосфере инертного газа, после чего осуществляют магнитную сепарацию охлажденной смеси в сепараторе с индукциеймагнитного поля 300-900 мТл на рабочей поверхности с получением магнитной фракции, представляющей железосодержащий продукт, и немагнитной фракции, оксидов алюминия, кальция, кремния, двухкальциевого силиката, немагнитную фракцию подвергают механоактивации в вихревой мельнице до крупности 7-10 мкм и направляют на выщелачивание раствором гидроксида натрия концентрацией 110-140 г/дм при температуре 65-90°С, отделяют алюминатный раствор от белого шлама, и направляют его на получение глинозема, а отделенный белый шлам отмывают от щелочи и используют для получения пеносиликатов. В качестве восстановителя может быть использована смесь монооксида углерода и водорода, а в качестве инертного газа - углекислый газ или аргон.
2
3
При нагреве подготовленной шихты до температуры 350°С основные минералы, содержащие AlO, освобождаются от влаги и частично от кристаллизационной воды, а при дальнейшем нагревании шихты в восстановительной атмосфере до температуры 900°С происходит восстановление железа до металлического состояния, полное удаление кристаллизационной воды и разрушение координационных связи в исходных минералах При этом достигается извлечение железа - 98,0-99,0% (общее уравнение восстановления):
2
2
2
Одновременно под воздействием заявляемых температур и постоянном активном перемешивании в кипящем слое динамично происходит образование новых структур и в первую очередь 2СаО SiO(двухкальциевого силиката), который нерастворим в щелочах. Присутствие в шихте соды и известняка в заявляемых количествах обеспечивает разрушение координационных связей минералов, высвобождение железа и связывание до 92-95% SiO, содержащегося в исходной шихте, в новое минеральное образование 2СаО SiO.
2
3
2
3
При отсутствии NaCO гранулометрический состав металла неоднородный, различной крупности, мелкие фракции металла слипаются и захватывают неметаллические частицы, при избытке, более 5 мас.%, происходит спекание, в спеках теряется мелкодисперсное восстановленное железо. Оптимальное количество NaCO в шихте 5 мас.%.
2
2
2
3
2
2
3
При добавлении известняка в молярном соотношении CaO/SiOменьше 1,9 несвязанный в 2СаО SiO оксид кремния в процессе взаимодействия со щелочью образует нерастворимый гидроалюмосиликат натрия (ГАСН), который содержит AlO и который безвозвратно теряется в белом шламе. Избыток известняка при молярном соотношении CaO/SiOбольше 2,1 не приводит к повышению извлечения AlO и увеличивает расход щелочи.
Дальнейшая магнитная сепарация позволяет выделить в магнитную фракцию железосодержащий продукт, который может быть направлен в производство порошковой стали, в электротехническую промышленность для изготовления плавких вставок, в машиностроение для изготовления деталей подшипников.
Проведение магнитной сепарации с параметрами индукции магнитного поля 300-900 мТл обеспечивает наиболее полное отделение железосодержащего продукта, проведение сепарации при индукции выше 900 мТл приводит к дополнительному обогащению металлической фракции примесями, при индукции ниже 300 мТл, к потере порошка металла с остатком после сепарации.
3
2
3
2
2
Немагнитная фракция, состоящая главным образом из оксидов алюминия, кальция, кремния, двухкальциевого силиката, в которой отсутствует железо, подвергается механоактивации в вихревой мельнице до крупности 7-10 мкм, что позволяет при дальнейшем выщелачивании ее раствором гидроксида натрия концентрацией 110-140 г/дм при температуре 65-90°С перевести 96 - 98% оксида алюминия в алюминатный раствор и выделить из него глинозем (AlO). В отделенный после выщелачивания белый шлам извлекается более 92% SiO в виде 2СаО SiO- белого шлама.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения обеспечивает комплексную переработку глиноземсодержащего сырья при получении высококачественных (железосодержащих, алюмосодержащих и кальциево-силикатных) продуктах, пригодных для дальнейшего использования, также позволяет значительно снизить энергоемкость процесса за счет снижения температуры термообработки.
Изобретение поясняется следующими таблицами:
Таблица 1 - Химический состав бокситов и красных шламов УАЗа и БАЗа для экспериментов.
Таблица 2 - Извлечение Fe и FeO (получение раздельное), восстановитель СО (32 опыта).
2
Таблица 3 - Извлечение Fe или FeO (получение раздельное), восстановитель СО+Н(32 опыта).
2
3
Таблица 4 - Извлечение в алюминатный раствор (AlO), восстановитель СО (16 опытов).
2
3
2
Таблица 5 - Извлечение в алюминатный раствор (AlO), восстановитель СО+Н(16 опытов).
Пример осуществления способа.
2
3
2
2
2
2
2
2
Глиноземсодержащий материал - бокситы Уральского алюминиевого завода (УАЗ), Богословского алюминиевого завода (БАЗ), стандартно измельченные до 60 -160 мкм, и красный шлам (без измельчения) 70-80 мкм, навески по 100 грамм, химического состава, указанного таблице 1, смешивали каждую с 5 граммами карбоната натрия (NaCO) и известняком: 15 грамм для бокситов и 22 грамма для красного шлама, и загружали шихту через взрывной клапан в печь кипящего слоя, представляющую закрытый цилиндр из кварцевого стекла, оборудованную внешним нагревателем и датчиком температуры. Печь имеет форму конуса с тремя выходными удлинителями и установленными в них обратными клапанами: нижний для подачи газа восстановителя и охлаждающего инертного газа и два верхних, - один для удаления из рабочего объема и регенерации отработанного газа СОдо СО и возвращении его в восстановительный цикл, второй - взрывной для извлечения сверхизбыточного давления и загрузки шихты. Печь закреплена на держателе, который установлен на вибростоле. Через верхний удлинитель (взрывной клапан) в рабочий объем печи засыпают пробу (шихту), при открытом клапане подвергают сушке при температуре 300-350°С в течение 20 минут, после чего клапан закрывают и продолжают нагревание. При достижении температуры 400-450°С через нижний клапан подают газ-восстановитель - СО, или смесь СО и Н. Избыточное давление в печи не более 0,2-0,4 ати. Качественное перемешивание материала образца обеспечивается выделяющимся газом СОи газом-восстановителем. Скорость нагревания шихты не более 20°С/мин. При достижении температуры 850-900°С смесь выдерживают в восстановительной атмосфере 20 минут, общее время восстановления и сушки 60 минут; было проведено 64 опыта на 64-х навесках бокситов и красного шлама, в каждом из опытов конечные температуры разогрева шихты были: 750°С, 800°С, 850°С, 900°С, а общее технологическое время выдержки одинаковое - 20 минут, после чего доступ восстановительного газа прекращают и через тот же клапан подают для охлаждения инертный газ - СОили Ar. Охлаждение смеси восстановленного железа и остатка проводят до температуры 25-45°С инертным газом СО или Ar без доступа кислорода воздуха для предотвращения возможного воспламенения и окисления металлического железа. Регенерация СОосуществлялась на отдельной технологической ветви - проходом отработанного газа над разогретым до 1000°С углеродом в недостатке кислорода:
2
После охлаждения образцы извлекали из печей, визуально исследовали на спеки и направляли на магнитный сепаратор для извлечения магнитной фракции, определяли ее химический состав и вес. Результаты 64-х опытов по восстановлению до Fe и FeO газами CO и CO+Hпредставлены в таблицах 2 и 3.
2
3
Содержание по AlOв составе остатков обработанных бокситов и красных шламов увеличивается, а масса вещества для дальнейшей обработки снижается на величину содержания восстановленных оксидов металлов:
2
3
- по УАЗу (содержание AlOв мас.%),
бокситы:  было 49,18% стало 64,43%,
красные шламы: было 16,70% стало 25,38%,
2
3
- по БАЗу (содержание AlOв %),
бокситы:  было 49,70% стало 64,61%
красные шламы: было 17,02% стало 25,71%.
Магнитная сепарация смеси проводилась с индукцией 300-900 мТл на рабочей поверхности сепаратора с получением магнитной фракции, степень извлечения железа в которую после восстановления сырья составляет 98,0-99,0%.
Немагнитную фракцию подвергали механоактивации в лабораторной вихревой мельнице. Фракционный состав образцов соответствовал 7-10 мкм.
Si
Si
Si
Si
2
2
2
3
2
2
3
3
Выщелачивание немагнитной фракции, представляющей остатки бокситов (μ-6,46 УАЗ и μ-7,66 БАЗ) и красных шламов (μ- 1,44 УАЗ и μ- 1,81 БАЗ) после извлечения железа и механоактивации, проводили в реакторе раствором NaO концентрацией 110 - 140 г/дмпри температуре в интервале 65-90°С и соотношении Т:Ж=1:1,5, в течение: 40, 60, 80 и 100 минут.При этом ГАСН не образуются, при выщелачивании одновременно происходит процесс обескремнивания и извлекается более 92% SiO в виде 2СаО SiO-  белого шлама. Алюминатный раствор отделяли фильтрацией от сгущенного белого шлама и нерастворившегося осадка. Из алюминатного раствора осаждали гидроокись алюминия Al(OH)nHO, которую отмывали, сушили и прокаливали до глинозема (AlO) по стандартным технологиям. Результаты 32 опытов представлены в таблицах 4 и 5.
2
3
Извлечение глинозема (AlO) из исходного сырья составляло 96 - 98%. Отделенный белый шлам может быть переработан в пеносиликаты по технологии, изложенной в патенте GB25416364, - в отмытый, высушенный белый шлам и осадок добавляли углерод в количестве не более 5 мас.% и направляли в плавильную печь.
Si
Заявляемый способ представляет собой законченный процесс переработки бокситов для комбинированного способа Байер с исключением из процесса технологической линии спекания бокситов, используемой для бокситов с высоким содержанием оксида кремния (μ>6), снижением расходов щелочи и энергии на всех этапах производства глинозема, получением в том числе нового товарного продукта - порошка железа и устранением в технологическом цикле образования красных шламов. Также заявляемый способ позволяет переработать имеющиеся красные шламы - отходы глиноземного производства.