Введение к работе
Актуальность темы. Производство алюминия в нашей стране и за рубежом развивается быстрыми темпами, зто связано с тем, что этот металл находит все новое и новое применение как в промышленности, так и в быту. В 1992 году спрос на алюмиш.Й увеличится на 3,5, а в 1993 году - на 4,ЭД, и эта тенденция сохранится в ближайшем будущем. В связи с дефицитом высококачественных бокситов в производство глинозема будет вовлекаться низкокачественное сырье: высококремнистые бокситы, золы, отходы доменного производства.
Одним из перспективных источников сырья для производства глинозема являются мелилитовые шлаки, которые могут быть получены при доменной плавке окускованных обжигмагннтных концентратов Лисаковского ГОКа с добавкой алгамогематитовых руд. Лисаковское месторождение же-,-яеэных руд, располагающее балансовыми запасами в размере 2,9 млр.т., играет важную роль в вопросах сырьевого обеспечения металлургического производства Казахстана, Урала и Западной Сибгри. В связи с низким содержанием железа в этих рудах непосредственная плавка их на чугун экономически -тевнгодна.Предварительное обогащение руд обжпгмаг-нитным и глубоким магнитным способами позволяет значительно повысить содержание ценных компонентов (железа, алюминия, марганца, фосфора, ванадия). Концентраты, полученные после обжигмагнитного обогащения, содержат (%): 61,5-62,0 железа, 5,5-6,5 оксида алюминия, 4,5-5,5 диоксида кремния и 1,9-2,0 пентаоксица фосфора. Концентраты глубокого обогащения, полученные магнитным способом, в соответствии с проектнім заданием содержат {%): 59-61,0 железа, 5,9-6,0 оксида алюминия, 6-7,0 оксида кремния, 1,9-2,0 пентаоксида фосфора. Такие концентраты являются комплексным сырьем и могут быть использованы для производства чугуна, глинозема, цемента и фосфорных удобрений.
Совместное окускование обжигмагнитных концентратов (или концентратов глубокого обогащения) Лисаковсксго ГОКа и алюмогематитових руд позволяет получить при доменной плавке передельный чугун и мелилито- вые шлаки с содержанием оксида алюминия 35-41. пригоді ле для полу- о чения глинозема. Значительное содержание оксида кальция в шлаках (г-35%) дает возможность наиболее эффективно перерабатывать их на глинозем способом содо-иэвестковего спекания. Белитовый шлам, полученный после выплачивания спека, может быть использован для получения цемента.
Разработка технологии получения глинозема из мелилитовых шлаков
позволяет не только расширить сырьевую базу алюминиевой промышленности, но и улучшить экологическую обстановку в регионе, освобождая площади, занимаемые отходами доменного производства, что является актуальной задаче:!.
Диссертационная работа выполнялась по теме 2.I.I."Разработать технологию совместного комплексного использования бурых железняков и алюмогематитових руд Казахстана" (Постановление Президиума АН Каз ССР № 174 от ), которая включена в республиканскую научно-техническую программу "Рациональное, комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов в'народном хозяйстве Казахской ССР на I99I-I995 поды и на период до 2005" (Постановление Президиума АН КазССР )»'- 89.от 10.02.89г.).
Цель и задачи работы. Целью работы является исследование физико-химических основ и оптимизация процесса получения глинозема из мелилитовых шлаков. В связи с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
провести термодинамический анализ взаимодействия мелилитовых доменных шлаков с карбонатами натрия и кальция;
исследовать и математически описать влияние условий спекания и состава мелилитового шлака на извлечение глинозема и щелочи в растЕор;
изучить кинетические особенности взаимодействия мелилитовых доменных шлаков с карбонатами натрия и кальция;
разработать на основе теоретических исследований способы переработки мелилитовых аїлаков на глинозем и провести испытание основных переделов в опытно-заводских условиях;
определить экономическую эффективность разработанной.технологии и оптимизации процесса.
Научная но виз, а. Впервые разработаны физико-химические основы получения глинозема из мелинитовых доменных шлаков, выплавленных из с ;ускованньк лисаковских обжигмагкитных концентратов с добавкой алю- могематитовых руд, имеющих своеобразный химический и минералогический составы, способом содо-известкового спекания.
Проведено термодинамическое моделирование взаимодействия мелилитовых шлаков с карбонатами натрия и кальция в диапазоне температур 873-1773 К, что позволило оценить выход продуктов спекания при различных соотношениях исходных компонентов.
Остановлена последовательность и химизм образования соединений при взаимодействии мелилитовых доменных шлаков с карбонатами натрия
и кальция: образование промежуточных продуктов 5(nOMqO-2SiDs t
CoDABfOs в интервале 873-1273 К и побочных продуктов a'o^SiO, ,
dtoD M„DS , л'оAt 5,0,/ при I573-I&73 К; /,'пСа/i( S<fi0?_ при
1673-1773 К.
Впервые получены частные зависимости и математическая модель спекания мелилитовых шлаков с карбонатами натрия и кальция, устанавливающая влияние состава шлака и условий спекания на степень перехода оксидов алюминия и натрия в щелочной раствор, на содержание оксида кремния S щелочном растворе, определены оптимальные условия спекания и причины снижения извлечения №jOs при повышении температуры спекания выше 1573 К.
Впервые кинетические особенности Езаимоцействия мелилито.вых шлаков с карбонатами натрия и кальция исследованы методом корреляционного анализа и получено дифференциальное уравнение, учитывающее влияние различных факторов на скорость взаимодействия компонентов шихты.
Предложен возможный механизм уплотнения при спекании основных компонентов шлака (мелилита и шпинели) и мелилитового шлака с содой и известняком.
Установлены диффузионные закономерности взаимодействия мелилитовых шлаков с содой и известняком и только с содой.
Впервые получена математическая модель спекания мелилитовых шлаков с содой без добавок известняка и определены оптимальные условия спекания и состав шихты, позволяющие свягать оксид алюминия в атюминат натрия, а оксид кремния в мервинит.
Достоверность полученных результатов. Для описания физико-химических закономерностей и определения оптимальных режимов в работе применгются методы математического моделирования и планирования экспериментов, корреляционного анализа, математической статистики, обработки сложных зависимостей с применениен ЭВМ. Термодинамический анализ взаимодействия мєлилигоеьк доменных шлаков с карбонатами натрия и кальция выполнен с использованием программного комплекса i; "Астра". Для анализа и математического описания кинетики были использованы: корреляционный, дилатометрический и афинный методы исследования. Для идентификации фазового состава твердых продуктов применяли химический, дифференциально-термический, крнсталлоопти-ческий и рентгрчофазовыЯ методы анализа. Достоверность полученных закономерностей подтверждается идентичностью результатов, полученных с использованием математических,химических, и физических методов
_ 6 -
исследования.
Практическая значимость. Выполненные исследования по переработке мелилитовых шлаков, выплавленных из окускованных лисаковскмх Сїжигмагнитних концентратов с добавкой алюмогематитовых руд, на глинозем и белитовий шлам способом соцо-известкового спекания позволили установить оптимальные условия спекания и оптимальный состав шлака. Степень перехода оксидов атоминия и натрия в щелочной раствор из мелилитовых шлаков, оптимальных по химическому и фазовому составу,составляет 90,0 и 92,8 соответственно. Еелитовый шлам, полученный после выщелачивания алюыинатных опеков, может быть использован для получения цемента. Разработан способ спекания мелилитовых шлаков с содой без добавок известняка, в котором массовое отношение CaO/S/O^ и MgD/SDg в шлаке поддерживают равным 1,41-1,46 и 0,34-0,38 соответственно за счет добавки алюмогематитовой руды в аглошихту до
SiO^/48^,0^ * 0,54-0,57. Это позволяет использовать оксид магния шлака как составную часть шихты для связывания оксида кремния в мер-винит, а не в двухкальциевый силикат, что значительно сникает материальный поток на переделе спекания и выщелачивания. Опытно-заводская проверка предложенных способов подтвердила результаты лабораторных исследований. Проведенные технико-экономические расчеты показали экономическую целесообразность переработки доменных мелилитовых шлаков методом содо-известкового спекания.
На защиту выносятся следующие поло*ения:
последовательность и химизм образования соединений при взаимодействии мелилитовых доменных шлаков с карбонатами натрия и кальция;
математическая модель и оптимальные условия спекания, состав иелилитового.шлака при его взаимодействии с'содой и известняком;
кинетические особенности взаимодействия мелилитовых доменных шлаков с карбонатами натрия г кальция; '
математическая модель и оптимальные условия, состав шихты при спекании мелилитового шлака с содой без добавок известняка.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доклацыва-л зь на И и 111 региональных научно-технических конференциях "Комплексное использование руд Лисаковского месторождения" (г.Караганда, 1982, I9ts6r.), на региональной научно-технической конференции "Рациональное использование промышленных отходов в регионе" (г.Караганда, I-J84), на П Республиканской конференции "Щелочная металлургия цветных металлов;" (г.Алма-Ата, 1981г.), на П Всесоюзной конференции
- 7 _
"Комплексное использование руд и концентратов" (г.Москва, 1982г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и внедрение энергосберегающих и малоотходных технологий в металлургии цветных и редких металлов" (г.Москва, 1986г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, получено положительное решение на выдачу авторского свидетельства.
Структура и объем диссертационной работы. -Диссертация состоит из введения, пяти-глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 120 страницах машинописного текста,содержит 49 рисунков, 10 таблиц, библиография включает 107 наименований.