Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и перспективы развития глиноземного производства на базе нефелиновой технологии 12
1.1 Развитие и современное состояние технологии спекания нефелино-известняковых шихт 12
1.2. Состояние и пути развития сырьевой базы АГК 21
1.2.1. Кия-шалтырское месторождение нефелиновых руд 21
1.2.2 Горячегорское месторождение 27
1.2.3 Исследования обогатимости руд горы Горячей 29
1.3 Постановка задач работы 42
Глава 2. Особенности спекания нефелиновых шихт с повышенным содержанием железа 44
2.1. Исследование влияния оксида железа на качество спека, получаемого на основе щелочного алншосиликатного сырья 45
2.2 Снижение вторичных потерь.за счет стабилизации двухкальциевого силиката 57
Глава 3. Экспериментальные исследования по спеканию нефелина с добавками боксита в условиях АГК 74
3.1 Методика проведения лабораторных экспериментов 75
3.2 Спекание Кия-Шалтырской нефелиновой руды с добавками Североонежского боксита 78
3.3 Спекание Кия-Шалтырской нефелиновой руды с добавками Тиманского боксита 93
3.4 Сравнительная оценка среднетиманских и североонежских бокситов как добавки к нефелиновой шихте АГК 108
3.5. Расчет материальных потоков глиноземного производства 111
3.5.1. Расчет ожидаемого изменения производительности АГК по глинозему при вводе в шихту бокситов Тиманского месторождения 114
3.5.2. Разработка программа промышленных испытаний смешанной нефелино-бокситовой шихты с использованием тиманских бокситов 118
3.5.3. Программа промышленных испытаний технологии комплексной переработки нефелино-бокситовой шихты на Ачинском глиноземном комбинате.. 122
3.6. Заключение по разделу 124
Глава 4. О перспективах внедрения технологии совместной переработки нефелинов и бокситов при переходе агк на резервную сырьевую базу 128
4.1. Изучение технологических свойств горячегорской руды и концентрата при спекании и выщелачивании спека. Влияние добавок кия-шалтырской нефелиновой руды и североонежского боксита на качество спека 128
4.2. Определение основных технико-экономических показателей при переработке нефелиновых руд и концентратов Горячегорского месторождения . 137
4.3. Оценка полученных результатов 141
Выводы 146
Список литературы
- Состояние и пути развития сырьевой базы АГК
- Снижение вторичных потерь.за счет стабилизации двухкальциевого силиката
- Спекание Кия-Шалтырской нефелиновой руды с добавками Североонежского боксита
- Определение основных технико-экономических показателей при переработке нефелиновых руд и концентратов Горячегорского месторождения
Введение к работе
Настоящая диссертационная работа выполнена на базе кафедры металлургии цветных металлов Санкт-Петербургского государственного горного института (СПГГИ) и технологических лабораторий Всероссийского алюми-ниево-магниевого института ("ВАМИ-РУСАЛ").
Отечественная алюминиевая промышленность зарождалась в стенах Горного института, а ее научно-технический штаб - головной институт ВАМИ был создан по инициативе и благодаря научным трудам выдающихся ученых Горного института - профессоров Н.П.Асеева, А.Н.Кузнецова, академика Н.С.Курнакова — на базе лаборатории легких металлов при кафедре металлургии цветных металлов (МЦМ). Сначала это был Институт цветных металлов (во главе с проф. Н.П.Асеевым), преобразованный в 1931 г. в институт ВАМИ. В дальнейшем научные творческие связи ученых Горного института и ВАМИ крепли год от года.
У отечественной алюминиевой промышленности необычный путь развития, и во многом это определяется известной ситуацией в ее сырьевом секторе.
В мировой алюминиевой промышленности основным сырьем для производства глинозема служат высококачественные бокситы, перерабатываемые по способу Байера.
Развитие глиноземного производства в России и странах СНГ на территории бывшего- СССР' было ориентировано в основном- на использование собственной сырьевой базы. Вследствие ограниченных запасов байеровских бокситов в сферу промышленного производства широко вовлекалось небокситовое высококремнистое сырье - нефелины. Усилиями отечественных ученых и инженеров были достигнуты выдающиеся
результаты по созданию эффективных схем их комплексной переработки, которые получили мировое признание. Доля глинозема из небокситового сырья в балансе алюминиевой промышленности бывшего СССР составляла 20%, в настоящее время в России она возросла до 40%.
В результате глубокой интеграции науки и производства способы комплексной переработки нефелинов получили дальнейшее развитие и существенно усовершенствованы.
Сущность способа комплексной переработки нефелинов заключается в спекании сырой руды или концентрата с известняком во вращающихся печах при 1200-1300С.
Химические превращения при спекании протекают в основном в твердофазном состоянии и описываются реакцией
(Na,K)20-Al203-2Si02 + 4СаС03 = (Na,K)2OAl203 + 2(2CaOSi02) + 4С02
Полученный спек выщелачивают оборотными щелочно-алюминатными растворами. При этом растворимые компоненты спека - алюминаты щелочных металлов переходят в раствор, а в твердой фазе остается малорастворимый двухкальциевый силикат (нефелиновый шлам), перерабатываемый на портландцемент. Алюминатные растворы, существенно загрязненные Si02 (вследствие частичного разложения двухкальциевого силиката), обескремниваются и перерабатываются методом карбонизации и декомпозиции на гидроксид алюминия и карбонатные щелока. Гидроксид алюминия кальцинируется с получением глинозема, карбонатные растворы подвергаются политермическому выпариванию с выделением соды, поташа и галлия. Все компоненты исходного сырья используются полностью без отходов. В этом заключается уникальность созданной крупномасштабной промышленной технологии переработки нефелинов (рис.1).
Нефелиновая руда (концентрат)
Приготовление шихты
uiuxuta
Спекание
Топливо
\епск
Выщелачивание спека
содо-іцелочиті раствор
Вода
Отделение и промывка шлама
оелгаповыи
иглам
Цементное производство
й *
Регенерация
Известь
оелып шлам
~\
алюминтпный раствор Пор
Автоклавное обескремниканне
\
шелочноп раствор
Л\-
->ф
Иівесть
%
"\ 1
, оелып іклам
Глубокое обескремниканне
Декомпозиция (содо-щелочная ветвь)
Карбонизация (содовая ветвь)
Отделение и промывка гидрата
Отделение гндроксида
гидрат
Кальцинация
Топливо
ГЛИНОЗЕМ
Содопоташное производство
Рис.1. Способ комплексной переработки нефелинов
Исторически воссоздавая решение крупнейшей технологической проблемы мирового уровня по комплексной переработке нефелинов, следует подчеркнуть, что это результат колоссального труда не одного поколения отечественных ученых и инженеров. Отметим тех, кто стоял у истоков этого большого дела, кто принимал активное участие в совершенствовании спосо-
8 ба комплексной переработки нефелинов, кто определил перспективу его дальнейшего развития:
за разработку и освоение комплексной переработки нефелинового сырья на глинозем, содопродукты и цемент группе специалистов Волховского алюминиевого завода и ВАМИ: И.Л.Талмуду — руководителю работы, В.П. Почивалову, О.Н. Захаржевскому, В.А. Крочевскому, Ф.Н. Строкову и В.И. Влодавцу - в 1957 г. была присуждена Ленинская премия;
Премией Совета Министров СССР в области науки и техники в 1982г. отмечена совместная работа Горного института, ВАМИ, Пикалевского объединения "Глинозем", АГК в области создания и освоения автоматизированных систем управления технологическими процессами в производстве глинозема и попутных продуктов, в числе лауреатов премии: В.М. Сизяков -руководитель работы, Х.А. Бадальянц, Е.А. Беликов, Б.Г. Злоказов, И.М. Костин, М.В. Левин, Р.Г. Локшин, С.Г. Стародубровский, О.Н. Тихонов, О.А. Чащин;
большой вклад в развитие производства глинозема из нефелинов внесли также ведущие сотрудники ВАМИ: В.А. Абрамов, Б.И. Арлюк, И.В. Давыдов, А.Ф. Думская, В.А. Екимов, Л.А. Ключанов, Б.М. Краюхин, А.К. Ромашев, М.Н. Смирнов, Н.Г. Срибнер, Г.В. Телятников, Н.Н. Тихонов, В.М. Тыртышный, В.А. Утков; Е.И. Ходоров, Н.С. Шмаргуненко, а также руководители и специалисты глиноземных предприятий: Г.П. Ткаченко, Е.А. Исаков, В.А. Волков, И.М. Чуприянов, П.В. Федорин, Л.И. Финкелыытейн и др.
Освоение комплексной технологии переработки нефелинового сырья в России началось в 50-х годах прошлого века. В соответствии с разработанной технологией все компоненты сырья без всякого остатка могли использоваться для получения глинозема, портландцемента и содопоташной продукции. Благодаря этому, нефелиновое сырье осталось вполне конку-рентноспособным по отношению к бокситовому. Конкурентноспособность нефелинового сырья сохраняется и в настоящее время, о чём свидетельствует работа Ачинского глиноземного комбината.
Комплексная переработка, являляясь основным преимуществом нефелинового сырья, имеет и свои недостатки, основным из которых является необходимость выгодного сбыта всех получаемых продуктов в районе расположения предприятия или в пределах разумного удаления от него в том объеме и соотношении, которое определяется естественным составом нефелиновых руд. Однако, в настоящее время бывает необходимость изменить соотношение между выпуском глинозема и содопродуктов в сторону увеличения производства глинозема.
Такое изменение технологии возможно осуществить путем ввода в шихту глиноземсодержащего бесщелочного сырьевого компонента, каковым, в частности, могут служить бокситы спекательных сортов.
Таким образом, при необходимости, можно заметно (на 10-15%) увеличить выпуск глинозема при некотором сокращении производства содопоташ-ной продукции без существенного изменения аппаратурно-технологической схемы производственного процесса, принимая во внимание сложившуюся конъюнктуру рынка. При её изменении возможна корректировка соотношения между нефелиновой и бокситовой составляющей шихты.
Особенно актуальной тема совместной переработки станет при вовлечении в производство резервной сырьевой базы - Горячегорского месторождения нефелиновых руд, качество которых существенно уступает рудам основного сырьевого источника.
Исследованию технологических основ переработки нефелинового сырья с добавкой бокситовой составляющей для реализации указанной выше возможности на Ачинском глиноземном комбинате и посвящена настоящяя работа.
Таким образом, основным объектом исследования в работе является кия-шалтырская нефелиновая руда, на которой работает комбинат с 1970 года по настоящее время, и горячегорская нефелиновая руда, на базе которой выполнен проект комбината, на которой ему предстоит работать после исчерпания запасов Кия-Шалтырского нефелинового месторождения.
В качестве бокситовой добавки были выбраны бокситы Североонежского и Среднетиманского месторождений.
Цель работы: Повышение эффективности комплексной переработки низкокачественных нефелинов на основе подшихтовки к нефелино-известняковой шихте добавок боксита спекательных сортов.
Идея работы: Повысить содержание AI2O3 в спеке путем подшихтовки бесщелочного высокоглиноземистого компонента, что позволит вовлечь в промышленную переработку некондиционные и забалансовые руды Кия-Шалтырского нефелинового рудника, а также обеспечит сохранение производительности предприятия при переходе на резервную сырьевую базу - Го-рячегорское месторождение.
Задачи исследования:
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.
Основные положения, выносимые на защиту:
Добавка бокситов в нефелино-известняковую шихту позволяет во
влечь в производство глинозема некондиционные и забалансовые
руды Кия-шалтырского нефелинового месторождения, а также руды
Горячегорского месторождения без глубокого их обогащения; коли
чество добавляемого боксита повышает выход щелочных алюмина
тов, что определяется взаимодействиями в системе Al203-Na2O-
Fe203-CaO-Si02, предельная величина ввода добавки определяется
содержанием Fe203 в боксите.
Спек, получаемый из нефелино-боксито-известняковой шихты обеспечивает стабилизацию (3-модификации двухкальциевого силиката, что позволяет целенаправленно изменять параметры выщелачивания с целью максимального извлечения глинозема и щелочей. 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 СПбГТИ(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, 2007). Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 5 статьях, получен 1 патент.
Внедрение результатов диссертационной работы в производство: Основные результаты работы будут внедрены в промышленность на ОАО «РУСАЛ Ачинск», а также на других предприятиях, перерабатывающих нефелиновое сырьё.
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.
Состояние и пути развития сырьевой базы АГК
Кия-Шалтырское месторождение нефелиновых руд расположено в Ти-сульском районе Кемеровской области, в 10 км к западу от границы с Красноярским краем. Оно было открыто в 1957 году и после форсированных разведочных работ и геолого-технологической оценки в кратчайшие сроки передано в эксплуатацию.
Минералого-технологическое изучение нефелиновых пород Кия-Шалтырского месторождения было начато в 1958 г. с момента открытия месторождения и продолжалось в период создания рудника и освоения промышленной технологии переработки уртитов на АГК.
До настоящего времени в стране не выявлено рудопроявлений такого крупного масштаба и аналогичного состава.
Разведка месторождения проводилась в 3 этапа: (1957-59г.г.; 1960-61 г.г.; 1967-72г.г.) НТО "Запсибгеодогия". По выявленным промышленным параметрам (при бортовом содержании AI2O3 не менее 24% суммы щелочей не менее 10%, минимальном промышленном содержании в подсчетном блоке соответственно 26% и 11,5% и т.д.) уже на первом этапе разведки месторождение определилось в качестве основной сырьевой базы Ачинского глиноземного комбината, проектирование которого было начато на рудах Горячегорского месторождения.
В 1970 г. на базе природного сырья Кия-Шалтырского месторождения в создан Ачинский глиноземный комбинат. Именно качество этих природных руд, условия их отработки обусловливают высокие технико-экономические показатели их комплексной переработки.
Разработка месторождения начата с 1965 года. К настоящему времени рудное тело полностью вскрыто, отработано -180 м нагорной части карьерного поля. В процессе эксплуатации установлено более сложное (по сравне 22 нию с данными разведки) геологическое строение, увеличение задайкованно-сти (7% вместо 2,75% по утвержденному подсчету запасов), причем дайки класса 1-2 м по мощности составляют 72%. Это в значительной степени осложнило отработку месторождения, обусловив увеличение уровня потерь и разубоживания при добыче, а соответственно и ухудшение качества товарной руды. Содержание глинозема в валовых запасах снизилось с 27,4% до 26,6%, щелочей с 13,0% до 12,7%.
С целью выдачи из карьера руды с наименьшими колебаниями основных компонентов и с минимальными потерями принята селективная вемка дайко-вых пород (включений) мощностью более 1 м. Усреднение руды в карьере обеспечивается за счет выдачи её одновременно из 2-3 забоев, расположенных на разных уступах. Дальнейшее усреднение руды производится на складе после крупного дробления. Разработка месторождения до 1972 г. принималась уступами высотой 15м с применением буровзрывных работ, в настоящее время принята высота уступов 10 м. Внедрено многорядное взрывание рудных и породных блоков, которое сохраняет структуру взорванной руды, приводит к незначительному перемешиванию руды и разубоживающих пород.
В силу воздействия указанных выше факторов за время эксплуатации месторождения прослеживается тенденция к уменьшению количества полезных компонентов А1203 (с 27,3% до 26,5%) и R20 (с 13,3 до 12,8%). При этом одновременно увеличилось содержание СаО (с 7,5 до 8,0%) и снизилось количество Si02 (с 40,3% до 40%).
По проекту, балансовые запасы Кия-Шалтырского месторождения урти-тов обеспечивали работу рудника на 50-лет (в контуре карьера).
В настоящее время мощность рудника составляет 4,5 млн; т руды в.год. Оставшиеся в контуре карьера балансовые запасы нефелиновых руд обеспечивают потребности комбината на последующие 12-15 лет.
Разубоженные руды, образующиеся при селективной выемке даек и введении добычных работ в зонах контакта рудного тела, с 1972 года складиру 23 ются в спецотвалах рудника. Количество разубоженной руды в спецотвалах по состоянию на 01.01.2003 составило 25,0 млн. т при ориентировочном среднем составе А1203 - 22,5; Si02 - 40%; СаО - 11%; MgO - 2,2%; Fe203 -5,6%; Na20 - 9,0%; К20 - 2,3%. Увеличение количества разубоженных руд в процессе эксплуатации КТТТНР по предварительным данным составит около 25,0 млн.т.
В 2002-2003 годах в ООО "РАДОС", г.Красноярск, было проведено стендовое технологическое опробование обогащения некондиционных нефелиновых руд методом рентгенорадиометрической сепарации (РРС), которое показало принципиальную возможность его использования с выделением кондиционного продукта (А1203 - 26,5-26,7%») с выходом 55-70% от сортируемого класса сырья (-300+50 мм) или 40-45% от всего сырья.
Для промышленной оценки эффективности данного метода принято решение о строительстве в 2004 году на КГ ПНР одной опытно-промышленной нитки по обогащению разубоженных нефелиновых руд, но до сих пор строительство не начато.
Низкий выход обогащенной руды, значительные капитальные затраты на строительство обогатительной фабрики делают вариант ввода бесщелочного высокоглиноземистого сырья всё более привлекательным.
В качестве бесщелочного высокоглиноземистого сырья могут быть использованы бокситы. Единственным достаточно крупным разведанным месторождением бокситов в Восточной Сибири является Чадобецкое месторождение (около 48 млн.т.), расположенное в зоне действия Богучан-ской ГЭС. Чадобецкое месторождение характеризуется рассеянным по большой площади залеганием рудных тел и высоким, до 23-42%, содержанием железа, что затрудняет использование Чадобецких бокситов в существующей технологии производства глинозема в ОАО "АГК" без их. предварительного обогащения. Реальным бокситовым сырьем для совместной переработки с нефелиновой рудой могут быть рассмотрены бокситы Северо-Онежского рудника, расположенного в Плисецком районе Архангельской области.
По усредненным данным 2003 года качество северо-онежских бокситов характеризуется следующим химическим составом: А12Оз -53,1%; SiC 2 -17,9%; Fe203 -9,5%; CaO - 1,2%, S03 - 0,32%; Cr203 - 0,63%; влажность -20,2%, п.п.п- 13,2%.
В ноябре-декабре 1995 года на АГК были проведены промышленные испытания по вводу в глиноземное производство бокситов до 8% в составе сухой рудной смеси, которые показали принципиальную возможность совместной переработки нефелиновой руды с бокситом.
В процессе испытаний был выявлен ряд негативных факторов: смерзание бокситов в зимнее время и затруднение разгрузки железнодорожных вагонов, залипание течек транспортного и дробильного оборудования глинистыми фракциями, увеличение содержания соединений серы и хрома в алюминатных и содовых растворах глиноземного и содового производств.
Снижение вторичных потерь.за счет стабилизации двухкальциевого силиката
В настоящее время величина вторичных потерь АЬ03 и R20 при выщелачивании нефелиновых спеков составляет 4-5%. Источником вторичных потерь является двухкальциевый силикат, который под воздействием гидроксидных ионов частично разрушается по реакции 2CaO-Si02 + 2NaOH + Н20 - 2Са(ОН)2 + Na2Si03 (2.1) Исследование взаимодействия двухкальциевого силиката с алюминат-ными растворами проводилось многими авторами [80-89], однако до сих пор нет единого мнения по основному вопросу: от чего зависит уровень перехода Si02 в раствор и каким образом степень разложения C2S связана с особенностями его структуры.
В результате наших исследований изучение фазового состава нефелиновых производственных спеков показано, что двухкальциевый силикат в них при спекании щелочных алюмосиликатов может существовать как в форме 3-2CaOSi02, так и в форме a -2CaO-Si02.
Структуры а - и Р-модификаций близки. Небольшой деформации решетки достаточно, чтобы структуру силиката из моноклинной Р-формы перевести в ромбическую а-форму. Диагностическими признаками появления a -C2S в спеке служит замена дублета 2,78-2,75 А на 2,76-2,69 А и сильнейших линий 2,02 А и 1,978 А на 2,035 А и 1,94 А (рис.9) [90]. Применительно к спеку "РУСАЛ-Ачинск" мы установили, что в нем содержится -60% форме P-C2S и 40% a -C2S (недопек), в спеках ПГЗ-СУАЛ количество a -C2S меньше, -30% [83]. Для проведения исследований модификацию a -C2S синтезировали по методике ВАМИ [91] путем низкотемпературного выщелачивания железистого спека ГТАЗ а; выщелоченный шлам на 90% состоял из a -C2S. Модифи 58 кацию P-C2S выделяли из болгаритового спека, полученного при температуре 1300С, содержание P-C2S составило 92%. Выщелоченные шламы измельчали до крупности 100% минус 40 мкм.
С целью повышения мономинеральности шламов пробы обогащали в тяжелых жидкостях с переменной плотностью [92]. Исходя из значений удельного веса разделяемых фаз ( c s " г/смЗ, гсосо, г/смз} гидросиликаты кальция и стекловатые частицы 2,8 смЗ), на основе йодистого (у = 3,32 г/смЗ) и бромистого (у = 2,49 г/смЗ) метилена были составлены смеси тяжелых жидкостей с удельным весом от 2,85 до 3,10г/смЗ. Небольшое количество шлама (10 г) засыпалось в цилиндры и заливалось тяжелой жидкостью. После перемешивания пробы отстаивались в течение 1-1,5 часов, затем верхняя, более легкая фракция сливалась.
Операцию декантации повторяли многократно, и это позволило получить двухкальциевый силикат с меньшим количеством примесей. Все операции проходили при постоянном петрографическом контроле. Для шламов были получены пробы с количеством примесей 5%, представленных прослойками гидросиликатов кальция 2% и стекла с низким (N-1,530-1,540) показателем светопреломления 2%, а также железосодержащими фазами щелочных алюмосиликатов с СаСОз- Состав в мольных долях примерно соответствовал: C2)oiAo,o3Fe0 ooiRo,02.
Опыты по гидратации ct -C2S и P-C2S проводили с использованием каустических растворов в условиях подобия промышленной технологии по концентрации Na20K —85-90 г/л при температуре существующей технологии 90С.
Время термостатирования проб по сравнению с промышленным способом было увеличено с 20 мин до 2 час, это было сделано для углубления реакции разложения а - и P-C2S и облегчения идентификации продуктов реакции.
Термостатирование двухкальциевого силиката в каустических растворах осуществлялось при Ж:Т = 3,6, что соответствует промышленным параметрам, в лабораторных автоклавах V = 100 мл, заполненных стальными шариками и установленных на вращающейся рамке в воздушном термостате, n = 60 об/мин.
Для идентификации образующихся твердых фаз, кроме определения химического состава осадка и раствора,1 использовались методы кристалло-оптического исследования и инфракрасной- спектроскопии, которые в отдельных случаях дополнялись данными термографического и рентгеновского анализов. В результате гидратации модификации a -C2S на ее поверхности отмечается образование агрегатированных кристаллов фазы 2CaOSi02-H20 (C2SH), эндотермический эффект 730-750С. Это соединение обладает невысокой удельной поверхностью (3-4 м2/г) и не оказывает заметного тормозящего действия на переход Si02 в раствор.
Степень разложения a -C2S в щелочных растворах 90 г/л Na20K при 90С за 2 час составляет -30%, при 70С она снижется в 2 раза до 15%.
Трансформация фазы C2SH в волластонит CSHI наблюдается при 90С только после значительной выдержки (7 часов и более), при 70С эффект появления CSHI фиксируется после 10 часов экспозиции. Следует отметить сдвиг температуры кристаллизации волластонита с увеличением выдержки: 845 -» 875 - 880 —» 885С, что свидетельствует о том, что кристаллизующийся волластонит обладает переменной основностью (C2SH — Cn-»iSH). При гидратации P-C2S в щелочных растворах на поверхности твердой фазы образуется тоберморитоподобныйгель CSHI, что фиксируется кристал-лооптическим анализом. Известно, что удельная поверхность тоберморита CSHI примерно на 2 порядка выше удельной поверхности C2S [92-94]. Степень разложения P-C2S в щелочных растворах при 90С примерно в 2-3 раза ниже, чем a -C2S, и составляет 10-15%; при 70С она снижается до 5-7%. При увеличении экспозиции p-C2S в щелочных растворах новых фаз не образуется, устанавливается равновесие CSHI - Si02 - NaOH - Н20. После исследования гидратации а - и p-C2S в щелочной системе изучали особенности взаимодействия нефелиновых, спеков с различным содержанием а - и (3-C2S. Исследования касались как оценки механизма перехода Si02 в алюми-натный раствор, так и выявления» структурных особенностей спеков в отношении а - и P C2S модификаций. Вопрос о механизме перехода кремнезема в алюминатные растворы и его предельной метастабильной концентрации при выщелачивании спеков является одним из самых сложных во всей цепочке взаимодействий двух-кальциевого силиката с алюминатными растворами. Важные наблюдения о поведении кремнезема в алюминатных растворах в зависимости от природы кремнийсодержащих материалов сделаны М.Н.Смирновым [95-96]. Он установил, что различные кремнийсодержащие реагенты при обработке алюминатными растворами определяют различную метастабильную растворимость Si02 при прочих равных условиях. Максимальную метастабильную концентрацию кремнезема в алюминатном растворе обеспечивает кремневая кислота, несколько меньшую гиббситовый боксит и бокситовый спек, и самую низкую нефелиновый спек, однако причины этого явления не рассмотрены.
Содержание кремнезема в алюминатных растворах при выщелачивании спеков всегда выше истинной растворимости устойчивых соединений (ГАСН) в системе Na20-Al203-Si02-H20, но ниже предельной метастабильной [97].
В работе [98] указывается, что максимальная концентрация Si02 в алюминатном растворе при разложении двухкальциевого силиката определяется равновесием реакции взаимодействия тоберморита и алюминатных ионов с образованием гидрограната.
Такая трактовка страдает двумя изъянами: во-первых, нет смысла говорить о равновесии реакции с образованием гидрограната, следует иметь в виду разность скоростей двух реакций: а) тоберморита с алюминатом натрия (поступление кремнезема в раствор) и б) Са(ОН)2 с кремнеземом и алюминатом натрия с образованием гидрограната кальция (осаждение кремнезема из раствора); во-вторых, вопрос гидратации двухкальциевого силиката в этом случае ограничивается только рассмотрением образования CSHI, т.е. не учитываются разновидности структуры двухкальциевого силиката.
Спекание Кия-Шалтырской нефелиновой руды с добавками Североонежского боксита
В качестве основных компонентов для приготовления шихты использовались кия-шалтырская руда (2 пробы), мазульский известняк и североонежский боксит. Кроме того, в шихту вводился оборотный белый шлам, отобранный на АГК для приближения состава шихты к заводскому. Щелочная составляющая была представлена смесью соды и поташа в соотношении, обеспечивающим в смеси молярный индекс калия на уровне 0,15.
Так, например, при влажности шихты 30% диаметр круга растекаемости шихты с добавкой 10% боксита на 17% больше, чем шихты без добавки. При 20% бокситовой добавки эта величина возрастает до 35%.
Полученные данные свидетельствуют о том, что добавка боксита в шихту может обеспечить снижение влажности шихты, подаваемой в печь, если другие факторы (например пылевынос) допускать такую возможность.
Как видно из данных таблицы 11 с увеличением доли боксита содержание АЬОз неуклонно возрастает с 16,0 - 16,6 при спекании чисто нефелиновой шихты до 20,4 - 22,0% при добавке 30%, и до 24,0% при 50% боксита (от рудной смеси). При прочих равных условиях это позволяет снизить удельный расход спека приблизительно на 20 - 25%, т.е. при неизменной производительности печей спекания увеличить соответственно производство глинозема на комбинате.
С увеличением доли боксита в шихте сокращается содержание практически нерастворимых компонентов (SiC 2, СаО, БегОз и пр.) в спеке с 72 - 74 до 64 - 66%. В соответствии с этим снижается выход шлама.
Полученныеданные об изменении физических свойств спеков приведены втабл. 12, а также на рисунках 16-23 , где помещены.графики зависимости основных физических показателей от температуры и добавки боксита. Таблица 11
При температуре 1200С этот показатель находится на уровне 60% при добавке боксита от 0% до 30%. При повышении температуры спекания до 1250С пористость уменьшается до 35-40%, а при температуре 1275 - до 18-20%. Дальнейшее повышение температуры до 1300С лишь незначительно уменьшает пористость - до 16-18%.
Таким образом, доля североонежского боксита в шихте АГК (в пределах от 0 до 30%) практически не оказывает существенного влияния на физические характеристики спека.
Основным фактором, определяющим пористость и прочность спека, является температура спекания. Оптимальное значение этого параметра (в интервале 1250-1300С) должно быть установлено в промышленных условиях в зависимости от конкретных условий выщелачивания спека, принимая во внимание его прочность, пористость, а также извлечение А12Оз и R2O.
Для выщелачивания спеков использовали стандартную лабораторную методику института ВАМИ с основными параметрами, соответствующими промышленной практике (табл.13).
Полученный раствор анализировали объемным методом для определения в нем содержания оксида алюминия и щелочей, а промытый шлам направляли на определение химического состава.
Добавка боксита в шихту обеспечивает увеличение содержания АЬОз в спеке, что в свою очередь, обуславливает увеличение производительности печей спекания по глинозему. При доле боксита 30% это увеличение составит около 25%. Физические свойства спека (пористость, усадка, прочность) практически не зависят от величины добавки боксита и определяются только температурой спекания. Это, по-видимому, объясняется практически постоянным ферритным отношением в спеках с изменением доли боксита, т.к. этот фактор, влияющий на плавкость шихты, в кия-шалтырской руде и североонежских бокситах (соответственно 0,107 и 0,097) практически одинаков. При выщелачивании спека с ростом содержания алюминатной фазы в нем, извлечение А1203 несколько увеличивается (на 1 - 2%). Поскольку физические свойства спека практически не изменяются с увеличением доли боксита технология промышленного выщелачивания может сохраняться без существенных изменений. Следует, однако, иметь в виду, что при неизменном количестве воды на промывку шлама с ростом содержания А1203 в спеке, концентрация получаемых растворов заметно повышается. Для сохранения прежнего уровня концентрации получаемых растворов (если это целесообразно) необходимо увеличить количество воды на промывку. Для выбора оптимального варианта концентрации раствора следует выполнить соответствующие технико-экономические расчеты.
С ростом доли бокситовой составляющей существенно снижается выход белитового шлама. Так, например, при добавке 20% боксита удельный выход шлама снижается (примерно на 25%). Таким образом, с точки зрения качества получаемого спека, добавка североонежского боксита может производиться без ограничения (вплоть до полного прекращения выпуска содопоташной продукции).
Определение основных технико-экономических показателей при переработке нефелиновых руд и концентратов Горячегорского месторождения
Для определения основных технико-экономических показателей работы комбината на основе горячегорской нефелиновой руды (выпуск продукции, удельный расход топлива при спекании и пр.) был выполнен расчет материального баланса при переработке горячегорской руды, концентрата, а также кия-шалтырской руды для сравнения получаемых результатов. Кроме того, для улучшения показателей и выбора перспективного варианта для расчета использованы добавки североонежского боксита и кия-шалтырской руды в соотношении, достаточном для сохранения существующей производительности комбината по глинозему, или близкого к этому.
В расчетах использовалась также частично обезжелезенная горячегор-ская руда с содержанием Fe203 около 6% (условное обозначение РГНЖ), получаемая при одностадийной магнитной сепарации руды (только в слабом поле). В этом случае имеет место весьма высокий выход концентрата при обогащении (до 95%) и минимальный уровень потерь глинозема при обогащении, т.е. минимальная потеря запасов.месторождения. Кроме того, существенно уменьшатся капзатраты на сооружение обогатительной фабрики и себестоимость концентрата. Именно такой вариант был принят в свое время при разработке первоначального проекта АГК.
В балансовых расчетах во всех вариантах приняты аналогичные исходные данные по режимным показателям и распределению потерь производства на основании имеющегося промышленного опыта АГК, а в качестве топлива условно принят мазут.
В связи с тем, что, как показано результатом лабораторных работ, во всех вариантах изученного сырья имеется возможность получения примерно равного извлечения глинозема из спека, товарный выход для всех случаев условно принят на одном и том же уровне - 80%.
Это означает, что запасы месторождения сокращаются более, чем на 25%, а удельный расход руды на 1 т глинозема возрастает до 6,9 т/т, что резко увеличивает стоимость рудного компонента при производстве глинозема. Следует отметить, что все работы по разработке технологии обогащения го-рячегорских руд, которые велись в 50х-60-х годах прошлого века по утверждению авторов этих работ, оказались незавершенными. Начавшиеся было опытно-заводские испытания не были завершены (в связи с открытием кия-шалтырского месторождения). Поэтому, для повышения показателей обогащения горячегорской руды до оптимального уровня, необходимо выполнить значительный обьем опытно-заводских работ с использованием методов магнитной сепарации и флотации. Как показывает опыт выполнения работ по обогащению горячегорской руды, выполненных ранее в институте Механобр и на заводе Сибэлектросталь (г. Красноярск) перспективы существенного улучшения показателей обогащения имеются.
1. Необогащенная горячегорская руда (А1203 - 22,5; Si02 - 44,3; R20 -9,5; Fe203 - 10,0%). При использовании этой руды существенно снижается производительность предприятия по глинозему (на 17%) и содопоташной продукции (на 25%). Удельный расход спека возрастает с 8,5 до 10,2 т/т. В той же пропорции увеличивается и удельный расход топлива на спекание. Высокое содержание оксида железа в руде (до 10%) обуславливает повышенную плавкость получаемого спека, что неизбежно создаст дополнительные трудности при осуществлении процесса спекания.
2. Горячегорская руда частично обезжелезенная (А1203 - 23,2; Si02 -43,4; R20 - 9,0; Fe203 - 6,5%). В этом случае обеспечивается нормальный ход технологического процесса спекания и получение стабильных технологических показателей. Однако, в связи с практически тем же уровнем содержания А1203 в руде, основные показатели процесса практически мало отличаются от показателей при переработке необогащенной руды. Положительной стороной является незначительные потери запасов месторождения при магнитной сепарации в слабом поле (—5%).
3. Концентрат горячегорский КГГ (А1203 - 26,5; Si02 - 46,7; R20 10,4; Fe203 - 2,0% ) существенно отличается от необогащенной руды. Содер жание глинозема в нем такое же, как и в кия-шалтырской руде. Однако по кремнезему и щелочам концентрат уступает кия-шалтырской руде. Поэтому, при использовании горячегорского концентрата производительность комби ната по глинозему снизится на 8%, а по содопродуктам - на 28%. Необходи мо также иметь ввиду показатели процесса обогащения при получении концентрата. В настоящее время на основании имеющихся данных ин-т Сиб 143
6. Смесь горячегорской руды с североонежским бокситом, 0,85:0,15 (А1203 - 27,0; Si02 - 40,3; R20 - 8,1; Fe203 - 9,6%). В данном варианте производительность комбината останется на существующем уровне. Отрицательными сторонами являются довольно высокая стоимость бокситовой составляющей (-650 руб/т в настоящее время) и повышение содержания соды в шихте, что, возможно потребует перевода печей спекания на питание методом распыла. Кроме того, резко уменьшится выпуск содопоташной продукции (более, чем в 3 раза).
7. Смесь горячегорского концентрата с североонежским бокситом, 0,75:0,15 (А1203 - 30,4; Si02 - 42,4; R20 - 8,8; Fe203 - 2,8%). Этот вариант отличается от предыдущего только более высоким уровнем производительности комбината по глинозему. Отрицательные стороны варианта остаются практически теми же, что и по п.6.
8. Смесь горячегорской частично обезжелезенной руды с североонежским бокситом 0,85:0,15 (А12Оэ - 27,7; Si02 - 39,6; R20 - 7,6; Fe203 - 6,6%). Отличаются от варианта по п.6 меньшим содержанием Fe203 в руде и приемлемым для питания печей спекания наливом уровнем содержания соды в шихте.
