Разработка эффективной технологии комплексной переработки нефелинов с добавками бокситов

На правах рукописи

ВИНОГРАДОВ Сергей Александрович

Разработка эффективной технологии комплексной переработки
нефелинов с добавками бокситов

Специальность 05.16.02 – Металлургия чёрных,

цветных и редких металлов

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена на кафедре металлургии цветных металлов Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета)

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор,

заслуженный деятель науки РФ В М.Сизяков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор В.А.Утков

кандидат технических наук С.А.Николаев

Ведущее предприятие Филиал ОАО "Сибирско-Уральская алюминиевая компания" "Волховский алюминиевый завод"

Защита состоится 25 сентября 2009 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 25 августа 2009г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н. В.Н.БРИЧКИН

общая характеристика работы

Актуальность работы. Из-за ограниченных запасов высококачественных бокситов в России отечественное производство глинозема в значительной мере базируется на использовании низкокачественного небокситового сырья – нефелинов.

Доля глинозема из небокситового сырья в балансе алюминиевой промышленности бывшего СССР составляла 20%, в настоящее время в России она возросла до 40%.

Большой вклад в создание высокоэффективных способов комплексной переработки нефелинов на глинозем, портландцемент, соду, поташ и галлий внесли отечественные ученые, в их числе: Строков Ф.Н., Талмуд И.Л., Мазель В.А., Еремин Н.И., Сизяков В.М., Лайнер Ю.А., Думская А.Ф., Абрамов В.Я., Смирнов М.Н., Арлюк Б.И., Ходоров Е.И. Данциг С.Я., и др.

За последние 10-15 лет в результате трудов ведущих научных школ металлургов Санкт-Петербургского государственного горного и Всероссийского алюминиево-магниевого институтов способ доведен до высокого уровня по качеству продукции и основным технико-экономическим показателям.

Ачинский глиноземный комбинат (АГК) – крупнейшее предприятие алюминиевой промышленности России.

Основной проблемой АГК в настоящее время является истощение сырьевой базы. При существующем уровне потребления нефелина запасов Кия-Шалтырского нефелинового рудника (КШНР), на котором комбинат работает с 1970г., хватит на ближайшие 10-15 лет. Качество руд резервной сырьевой базы – Горячегорского месторождения по содержанию основного ценного компонента Al2O3 значительно уступает уртитам Кия-Шалтыря; переход на использование Горячегорского месторождения в качестве основного не позволит сохранить объемы производства на существующем уровне.

Поэтому, наряду с обогащением руд горы Горячей, перспективным является вариант расширения сырьевой базы за счет добавки в шихту спекания высокоглиноземистого бесщелочного компонента – боксита. Добавляя боксит, можно рационально решить вопросы использования резервной сырьевой базы, а также вовлечь в производство некондиционные и забалансовые руды КШНР.

Исследования выполнялись в соответствии с персональным научным грантом СПГГИ (ТУ) “Подготовка диссертации на соискание ученой степени кандидата наук” (2006 год), а также в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010годы)”, проект РНП 2.1.2.5161, 2009г.

Цель работы. Повышение эффективности комплексной переработки низкокачественных нефелинов на основе подшихтовки к нефелино-известняковой шихте добавок боксита спекательных сортов.

Задачи исследований:

• Научное обоснование технологии совместной переработки нефелинов с добавками бокситов;
• Экспериментальные исследования влияния добавок боксита на физико-технические свойства получаемого алюминатного спека;
• Исследование показателей выщелачивания нефелино-бокситового алюминатного спека, механизма вторичных потерь;
• Разработка технологических рекомендаций по вводу боксита в цикл производства.

Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований, физические, химические и физико-химические методы изучения свойств и составов твердых и жидких веществ и технологических продуктов.

Достоверность полученных данных доказана сходимостью теоретических и экспериментальных результатов при проведении лабораторных экспериментов, а также в ходе опытно-промышленных испытаний на АГК.

Условные обозначения, принятые в работе. – щелочной модуль ненасыщенной шихты, мол. отношение R2O/Al2O3; –щелочной модуль насыщенной шихты, мол. отношение R2O/(Al2O3+Fe2O3); – ферритный модуль, мол. отношение Fe2O3/Al2O3; Si – кремневый модуль, массовое отношение Al2O3/SiO2.

Научная новизна:

• В результате исследования частных разрезов многокомпонентной системы Al2O3-Na2O-Fe2O3-СаО-SiO2, обоснована область высоких извлечений глинозема и щелочей из алюминатного спека в раствор, лежащая вблизи ребра кристаллизации 2СaOSiO2 в тройной системе Na2OAl2O3–Na2OFe2O3–2CaOSiO2;
• Определено положительное влияние добавок боксита на физико-технические свойства алюмосиликатных спеков;
• Установлено, что добавка боксита к нефелиновому сырью приводит к увеличению зоны кристаллизации алюминатов щелочных металлов; одновременно повышается выход более устойчивой в алюминатно-щелочной системе -модификации C2S и снижается выход менее устойчивой его модификации в виде - C2S, что приводит к уменьшению вторичных потерь глинозема и щелочи;
• Показано, что оптимальная температура спекания нефелиновых шихт зависит от молярного отношения Fe2O3/Al2O3 в них (ферритного модуля) и находится в пределах 1250-1350°С при соответствующем изменении ферритного модуля от 0,2-0,25 до 0,02.

Практическая значимость работы:

• Расширение сырьевой базы крупнейшего глиноземного предприятия России – АГК на основе переработки нефелино-известняковых шихт с добавками спекательных бокситов;
• Повышение технико-экономических показателей переделов спекания и выщелачивания: снижение расхода топлива, уменьшение вторичных потерь глинозема и щелочи.

Апробация работы. Основные результаты диссертации освещались на научных конференциях студентов и молодых ученых СПбГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова 2006-2009 г.г.; научных семинарах кафедры металлургии цветных металлов СПбГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова 2006-2009г.г.; на научно-техническом совете ОАО “Русал ВАМИ”, на международных ежегодных специализированных конференциях в Краковской горной академии (Польша, Краков, 2006) и Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2008).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 статьях, получен 1 патент.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 42 таблицы и 39 рисунков. Библиография включает 102 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель, задачи, научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен краткий аналитический обзор состояния основной и резервной сырьевых баз Ачинского глиноземного комбината, рассмотрены варианты обогащения горячегорских руд.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию и разработке технологии совместной переработки нефелинов с добавками бокситов.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования по влиянию добавки боксита на физико-технологические свойства нефелинового спека.

В четвертой главе рассмотрены варианты использования технологии применительно к рудам Горячегорского месторождения, даны теоретические и практические положения эффективного использования технологии совместной переработки нефелинов с добавками бокситов.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.М. Сизякову и кандидату технических наук Н.Н. Тихонову за идеи, которые послужили основой проведения исследований, внимание, помощь и поддержку на различных этапах написания диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Добавка бокситов в нефелино-известняковую шихту позволяет вовлечь в производство глинозема некондиционные и забалансовые руды Кия-шалтырского нефелинового месторождения, а также руды Горячегорского месторождения без глубокого их обогащения; количество добавляемого боксита повышает выход щелочных алюминатов, что определяется взаимодействиями в системе Al2O3-Na2O-Fe2O3-СаО-SiO2, предельная величина ввода добавки определяется содержанием Fe2O3 в боксите.

Кия-шалтырское месторождение нефелиновых руд непрерывно эксплуатируется с 1970 года и близко к истощению. Руды резервной сырьевой базы – Горячегорского месторождения – существенно беднее руд КШНР, их переработка без предварительного обогащения приведет к заметному снижению производительности комбината.

Альтернативой глубокому обогащению руд с использованием флотации или двухстадийного магнитного обогащения может стать добавка глиноземсодержащего бесщелочного сырьевого компонента, например боксита.

С увеличением массовой доли боксита в рудной смеси растет содержание оксида алюминия в спеке, что наряду с некоторым повышением извлечения Al2O3 при выщелачивании обуславливает снижение удельного расхода спека и, соответственно, обеспечивает рост производительности завода при неизменной нагрузке на передел спекания.

Таким образом, при необходимости, можно заметно увеличить выпуск глинозема при некотором сокращении производства содопоташной продукции без существенного изменения аппаратурно-технологической схемы производственного процесса, принимая во внимание сложившуюся конъюнктуру рынка. При её изменении возможна корректировка соотношения между бокситовой и нефелиновой составляющей шихты.

Для изучения влияния добавок боксита на физико-технические свойства получаемого спека при выполнении данной работы были проведены серии лабораторных экспериментов по спеканию нефелиновых руд и концентратов с использованием бокситов Тиманского и Североонежского месторождений с долей боксита 0-30% от веса рудной смеси в интервале температур 1200-1300С, по методике института ВАМИ, которая наиболее полно отражает технологический процесс промышленной переработки нефелинов.

В настоящей работе были изучены шихты с разными щелочными модулями: ненасыщенная с и насыщенная с .

По промышленным данным при спекании нефелиновой руды без добавки боксита наилучшие показатели получаются при использовании ненасыщенной шихты.

Насыщенная шихта обеспечивает высокое извлечение глинозема, но извлечение щелочей из спека снижается. Кроме того, в этом случае неизбежны дополнительные потери щелочей в связи с увеличенным щелочным оборотом в цикле.

Однако, при добавке боксита в случае использования ненасыщенной шихты снижается доля щелочей для образования алюмината и феррита натрия из-за увеличения содержания оксида железа в спеке. Поэтому при переработке нефелинов с добавками бокситов щелочь необходимо дозировать как на Al2O3, так и на железо в шихте, чтобы полностью связать Al2O3 в алюминат, а Fe2O3 в феррит натрия.

Исследования реологических свойств нефелиновых шихт в зависимости от доли боксита в рудной смеси показали увеличение подвижности пульпы, что позволит снизить влажность пульпы по даваемой в печь спекания и, соответственно, сократить расход топлива.

Анализ физико-технических свойств изученных спеков позволяет утверждать, что спек, полученный на основе кия-шалтырской руды с добавками североонежского боксита, аналогичен заводскому. Увеличение доли североонежского боксита в шихте спекания не приводит к изменению значимых физико-технологических свойств спека, что объясняется практически одинаковым ферритным отношением в кия-шалтырской нефелиновой руде и североонежском боксите. Это позволяет перерабатывать его по существующей технологической схеме, не внося в неё существенных изменений.

В тиманском боксите содержание соединений железа значительно выше, что приводит к изменению плавкости спека с повышением доли боксита в шихте спекания. Поэтому для получения спека с одинаковой степенью оплавленности, т.е. с одинаковой пористостью, плотностью и усадкой (рис.1, а, б, в), необходимо снижать температуру спекания с ростом массовой доли боксита в шихте. Так, например, при содержании 10% боксита от рудной смеси температура спекания должна быть ниже примерно на 15С (при 20% – ниже на 25, при 30% – на 30С). Снижение температуры спекания, в свою очередь, приведет к экономии топлива.

Тиманские бокситы спекательного типа отличаются от североонежских меньшим содержанием Al2O3 (~46 вместо 52%) и SiO2 (~12 вместо 18%). Кремневый модуль тиманских бокситов существенно выше.

На рис. 2 приводятся графики зависимости содержания Al2O3, SiO2 и Fe2O3 в спеках в зависимости от доли боксита в шихте при спекании нефелиновой шихты АГК с различными добавками тиманских и североонежских бокситов по данным выполненных нами экспериментальных исследований. Показано, что спеки получаемые с добавкой 10% североонежских бокситов богаче примерно на 0,8%, чем при использовании той же добавки тиманских бокситов. Это позволяет при том же объеме использования североонежских бокситов получить больше товарного глинозема.

Учитывая вышесказанное, североонежский боксит более перспективен в качестве глиноземсодержащей добавки к шихте АГК.

Извлечение глинозема и щелочей из нефелино-бокситовой шихты не ухудшается, как можно было предположить на основании ранее выполненных исследовательских работ с использованием нефелиновых руд с повышенным содержанием оксида железа, а, напротив, несколько улучшается за счет увеличения в шихте содержания Al2O3:

Доля боксита	0%	10%	20%	30%
извлечение Al2O3	87,9	90,5	90,7	90,6
извлечение R2O	90,3	91,5	91,8	90,6

На основании данных лабораторных экспериментов был выполнен сравнительный материальный баланс производства, на основании которого были рассчитаны показатели комбинированной технологии совместной переработки кия-шалтырского нефелина и североонежского боксита:

• При дозировке боксита в нефелиновую шихту АГК повышается производительность предприятия:

Доля боксита, %	0%	10%	20%	30%
Выпуск глинозема, %	100	108	117	125

• Удельный расход рудной составляющей спека изменяется следующим образом:

Доля боксита	0%	10%	20%	30%
удельный расход рудной смеси, т/т	4,66	4,33	4,07	3,85
удельный расход спека, т/т	8,63	7,97	7,41	6,93

В связи со снижением удельного расхода спека соответственно уменьшается и удельный расход топлива при увеличении доли боксита в шихте.

• Снижение щелочности рудной смеси приведет к снижению выпуска содопоташной продукции:

Доля боксита, %	0%	10%	20%	30%
Выпуск содопоташной продукции, %	100	66	37	14