Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в отечественной и мировой практике основное количество металлургического глинозема производится по способу Байера. В то же время ключевая операция этой технологии, отвечающая за выделение продукционного гидроксида алюминия, отличается невысокой скоростью, а формирование свойств конечного продукта заметной зависимостью от условий разложения алюминатных растворов (декомпозиции). На российских глиноземных предприятиях, работающих по комбинированной технологии Байер-спекание, данная тенденция заметно обостряется и характеризуется повышенным в несколько раз расходом затравочного гидроксида алюминия при длительности процесса достигающей 60 часов, что в 2-2,5 раза превышает длительность этой операции на ведущих зарубежных предприятиях. Понимание важности этих производственных показателей находит отражение в работах В.А. Мазеля, С.И. Кузнецова, А.И. Лайнера, А.Н. Ляпунова, Н.И. Еремина, И.З. Певзнера, Н.С. Мальца, И.В. Давыдова, Ю.А. Волохова и других учёных. На современном этапе исследованию декомпозиции посвящены работы научных школ ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова, Института химии твёрдого тела УрО РАН, СПГГУ, УГТУ-УПИ, ИТЦ РУСАЛ и производственных коллективов глинозёмных предприятий. Это позволило значительно расширить теоретические представления о декомпозиции алюминатных растворов и смежных технологических переделах, а также решить большой объём связанных с ними производственных задач. В то же время значительный круг вопросов теории и технологии осаждения продукционного гидроксида алюминия, обеспечивающих улучшение производственных показателей, нуждается в дальнейших исследованиях и разработках.
Представленные в диссертации исследования выполнялись в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» по проекту 2.1.2.5161 «Развитие фундаментальных основ синтеза метастабильных соединений в области технически значимых систем алюминиевой промышленности», 2009-2011г; Государственным контрактом № 16.525.11.5004 «Разработка технологии комплексной переработки крупномасштабных отходов производства минеральных удобрений с получением товарных продуктов многофункционального назначения» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно – технологического комплекса России на 2007–2013 годы»; Государственным контрактом № 14.740.11.1046 «Синтез лигатур, сплавов, оксидных и металлических композиций цветных металлов, обладающих объёмной или поверхностной упорядоченностью структуры на микро- и наноразмерном уровне» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно – педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.
Цель работы. Научное обоснование и разработка технических решений, обеспечивающих увеличение скорости разложения алюминатных растворов и выхода продукционного гидроксида алюминия, соответствующего критериям качества для производства металлургических сортов глинозема.
Идея работы. Повышение степени очистки алюминатных растворов спекательной ветви от примесей с целью снижения их адсорбционной активности в отношении затравки, что обеспечивает интенсификацию процесса декомпозиции и стабилизацию гранулометрического состава продукционного гидроксида алюминия.
Основные задачи исследования:
Анализ известных технических решений, обеспечивающих интенсификацию процесса декомпозиции и получение продукционного гидроксида требуемого гранулометрического состава, с целью определения путей развития этих решений применительно к технологии комбинированного способа Байер-спекание.
Определение основных физико-химических закономерностей изменения затравочной активности гидроксида алюминия, механизма и кинетики процесса декомпозиции при участии примесных компонентов алюминатного раствора.
Экспериментальное исследование показателей процесса декомпозиции в зависимости от величины относительного пересыщения растворов на единицу поверхности затравочных материалов.
Экспериментальное исследование влияния примесных компонентов спекательной ветви на изменение затравочной активности гидроксида алюминия и влияния глубины очистки алюминатных растворов на показатели их разложения.
Разработка рациональной аппаратурно-технологической схемы глубокой очистки от примесей алюминатных растворов спекательной ветви, адаптированной к существующей схеме переработки бокситов способом Байер-спекание.
Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований, включая термодинамический и кинетический анализ систем и протекающих в них процессов, математическое и физическое моделирование технологических процессов. Для изучения свойств и составов жидких и твердых технологических продуктов использовались физические и физико-химические методы: рентгенофазовый, дифференциально-термический, оптической и электронной микроскопии, лазерный микроанализ фракционного состава, классический химический анализ. На отдельных этапах работы применялись известные отраслевые методики, а обработка данных выполнялась с использованием стандартных программных пакетов.
Научная новизна:
Определён вид уравнения кинетики массовой кристаллизации гидроксида алюминия как обратимого физико-химического процесса, и установлен аналитический вид зависимости потока кристаллизации, учитывающий адсорбцию примесей на затравке. При этом морфологический состав продукционного гидрата определяется соотношением скоростей параллельно протекающих процессов, отличающихся механизмом кристаллизации.
Установлено, что физическая адсорбция примесей на затравочной поверхности нарушает послойный рост и приводит к развитию механизма самоизмельчения твёрдой фазы, в то время как хемосорбция имеет специфический характер относительно частиц различного размера и вызывает перекристаллизацию затравки с укрупнением.
Экспериментально установлено, что показатели процесса декомпозиции являются функцией времени перехода системы в метастабильное состояние и природы затравки, что эквивалентно изменению удельного пересыщения среды на единицу затравочной поверхности.
Экспериментально установлено, что глубокая очистка от примесей растворов спекательной ветви обеспечивает увеличение скорости их разложения и определяет снижение содержания мелких фракций в продукционном гидрате.
Теоретически обосновано, что периодическое изменение гранулометрического состава продукционного гидрата происходит под воздействием силы, имеющей термодинамическую природу, а стабилизирующими факторами этого процесса являются масса затравки и её активность.
Защищаемые положения.
-
Термообработка затравочного гидроксида алюминия, продолжительность метастабильного состояния алюминатных растворов и наличие адсорбицонно активных примесей в алюминатном растворе вызывает изменение относительного пересыщения системы на единицу затравочной поверхности, что приводит к смене механизма роста продукционного гидроксида алюминия и изменению его гранулометрического состава.
-
Глубокое обескремнивание алюминатных растворов спекательной ветви с использованием высокоэффективного реагента карбоалюминатного типа представляет собой техническое решение, хорошо адаптируемое к существующей схеме Байер-спекание, которое обеспечивает повышение затравочной активности гидроксида алюминия и может способствовать стабилизации гранулометрического состава продукционного гидрата.
Практическая значимость работы:
Предложено технологическое решение, обеспечивающее глубокую очистку алюминатных растворов спекательной ветви от примесей с использованием высокоэффективного реагента (ГКАК), что позволяет интенсифицировать процесс декомпозиции за счёт снижения величины затравочного отношения.
Выявлен новый источник химически осаждённого карбоната кальция, получаемого при конверсионной переработке фосфогипса, что обеспечивает синтез ГКАК (гидрокарбоалюмината кальция) высокой активности на его основе.
Научные и практические результаты работы вошли в лекционные курсы по дисциплинам «Физико-химические основы методов извлечения металлов из растворов», «Современное состояние науки и производства в металлургии глинозёма», «Современные направления в развитии технологии производства цветных металлов», «Организация экспериментальных исследований» для подготовки студентов по специальности 110200 «Металлургия цветных металлов», магистров по направлению 550500 «Металлургия» и 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Степень обоснованности и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается всесторонним информационным анализом объекта исследования, использованием современных методов исследований и обработки данных, а также соответствием полученных экспериментальных результатов теории и практики декомпозиции алюминатных растворов глинозёмного производства.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международной научно-технической конференции «Металлургия легких и тугоплавких металлов» (Екатеринбург 2008); на всероссийской научной конференции с международным участием «Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья и синтеза на его основе функциональных материалов» (Апатиты, 2008); XLX международной научной конференции в Краковской горно-металлургической академии (Краков, 2009); на международном конгрессе «Цветные Металлы Сибири-2009» (Красноярск, 2009) и «Цветные Металлы -2010» (Красноярск, 2010).
Личный вклад автора состоит в анализе существующих способов и аппаратурно-технологических решений для разложения алюминатных растворов глинозёмного производства, физико–химическом анализе условий разложения алюминатных растворов, организации и проведении экспериментальных исследований, обработке и обобщении полученных результатов, а также их апробации и подготовке к публикации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 79 рисунков. Библиография включает 195 наименований.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, доктору технических наук, В.Н. Бричкину; доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ, заведующему кафедрой Металлургии СПГГУ В.М. Сизякову, сотрудникам ОК РУСАЛ ОАО «БАЗ-СУАЛ» и ОАО «Уральский алюминиевый завод – УАЗ» за внимание, содействие, и поддержку на различных этапах выполнения диссертационной работы.
