На правах рукописи Новиков Николай Александрович ТЕХНОЛОГИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОЦЕССА

На правах рукописи
Новиков Николай Александрович
ТЕХНОЛОГИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОЦЕССА
ОБЕСКРЕМНИВАНИЯ АЛЮМИНАТНЫХ РАСТВОРОВ
ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Специальность 05.16.02 – Металлургия чёрных,
цветных и редких металлов
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.
Научный руководитель 
доктор технических наук
Бричкин Вячеслав Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Утков Владимир Афанасьевич
кандидат технических наук
Климентенок Геннадий Николаевич
Ведущее предприятие 
ИХТРЭМС КНЦ РАН
Защита состоится 1 июля 2011 г. в 12 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при СанктПетербургском государственном горном университете по адресу:
199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 3316.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского государственного горного университета.
Автореферат разослан 31 мая 2011г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета,
доктор технических наук
Г.В. ПЕТРОВ
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Нефелины являются важнейшим сырьевым источником Российской Федерации для производства глинозёма и попутной продукции. В настоящее время из этого сырья
производится около 40% отечественного глинозёма и планируется
дальнейшее увеличение этой составляющей в структуре алюминиевой отрасли. Обязательным элементом уникальной технологии комплексной переработки нефелинов является глубокое разделение
алюминия и кремния в щелочных растворах, которое полностью
обеспечивает потребности отрасли и требования ГОСТа по качеству
производимой продукции. Существенный вклад в создание современной технологии обескремнивания алюминатных растворов внесли разработки институтов ВАМИ, МИСИС, УПИ, ИМЕТ РАН,
СПГТИ (ТУ), СПГГИ (ТУ) и ряда других организаций. Это позволило внедрить на предприятиях отрасли передовые технические решения, обеспечивающие возможность производства высококачественной продукции и расширить ассортимент попутно производимых материалов. Эти разработки были подготовлены исследованиями, выполненными под руководством ведущих специалистов отрасли проф. Лайнера А.И., проф. Смирнова М.Н., проф. Абрамова В.Я,
проф. Певзнера И.З., проф. Мальца Н.С, проф. Сизякова В.М. и других крупных учёных, что обеспечило развитие научного потенциала
значительного количества технологических решений и формирование современной научной школы в области производства глинозёма
и попутной продукции. При этом были определены приоритетные
направления дальнейшего совершенствования технологии производства глинозёма, связанные с использованием ресурсосберегающих технологий.
Не смотря на высокие производственные показатели современной технологии обескремнивания, часть используемых технологических операций связана с применением высокотемпературных
обжиговых процессов и технически сложных автоклавных установок, что оставляет резерв для дальнейшего совершенствования технологии разделения алюминия и кремния в производстве глинозёма.
3
Исследования выполнялись в рамках госбюджетной тематики
НИР СПГГИ (ТУ) по проекту № 1.3.08 «Развитие физикохимических основ ресурсосберегающих процессов и технологий при
комплексной переработке сырья цветных металлов» и в рамках аналитической ведомственной целевой программы «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».
Цель работы. Разработка технологии процесса низкотемпературного обескремнивания алюминатных растворов при комплексной переработке Кольских нефелиновых концентратов.
Идея работы. С целью снижения температуры первой стадии обескремнивания и достижения ресурсосберегающего эффекта на стадии глубокого обескремнивания алюминатных растворов следует применять в качестве затравки активированный
нефелиновый концентрат и известковый шлам от операции каустификации соды при синтезе карбоалюминатного реагента.
Основные задачи исследования:
 Научное обоснование и выбор способа активации затравочных материалов различной природы, обеспечивающих интенсивный
режим безавтоклавного обескремнивания алюминатных растворов.
 Методическая проработка и экспериментальное исследование технологии механической и механохимической активации затравочных материалов для использования на первой стадии обескремнивания алюминатных растворов при комплексной переработке
Кольских нефелиновых концентратов.
 Экспериментальное исследование и оптимизация технологического режима первой стадии обескремнивания алюминатных растворов.
 Научно-технологическое обоснование безобжигового синтеза обескремнивающего реагента высокой активности для глубокого
выделения кремния из алюминатных растворов.
 Разработка рациональной аппаратурно-технологической
схемы низкотемпературного процесса обескремнивания алюминатных растворов адаптированной к существующей схеме производства
4
глинозёма высокого качества при переработке Кольских нефелиновых концентратов.
Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием термодинамического анализа многокомпонентных систем и кинетического анализа
массопереноса в многофазных системах. Для изучения свойств и
составов жидких и твердых технологических продуктов использовались физические и физико-химические методы: рентгенофазовый,
микроскопический, термолюминесцентный, виброситовой и лазерного рассеяния для определения фракционного состава. Химические
анализы выполнялись с использованием титрометрического и фотоколориметрического методов по известным отраслевым методикам.
При выполнении экспериментальных исследований применялся метод математического планирования, крутого восхождения и методы
математической статистики. На всех этапах обработки данных использованы стандартные программные пакеты.
Научная новизна:
 Установлены различия в природе механической и механохимической активации нефелинового концентрата, связанные с возникновением долговременных объёмных дефектов в первом случае
и активных участков свежеосаждённого гидроалюмосиликата
натрия (ГАСН) во втором.
 Определены технологические равновесия алюминатных растворов по концентрации SiO2 и кинетика их достижения в присутствии активированного нефелинового концентрата в зависимости от
температуры процесса, концентрации алюминатного раствора и способа активации. Показана возможность описания скорости осаждения ГАСН в широком временном интервале с помощью уравнения
кинетики топохимических процессов. Установлено, что скорость
осаждения в основном периоде кристаллизации ГАСН описывается
уравнением первого порядка для обратимого химического взаимодействия.
 Экспериментально установлена зависимость технологической растворимости ГАСН в щелочных алюминатных растворах при
введении гидрокарбоалюмината кальция (ГКАК) от его дозировки и
5
температуры раствора. Показано, что в присутствии ГКАК равновесие устанавливается на новом, более низком уровне концентрации
SiO2, что объясняется изменением фазового состава осадка ГАСН.
 Определены термодинамические условия многофазного равновесия системы CaCO3 –NaAl(OH)4–NaOH–H2O при участии ГКАК
и установлена зависимость его выхода от фракционного состава исходного карбонатного материала (CaCO3) и продолжительности
процесса. Установлена диффузионная природа лимитирующей стадии синтеза ГКАК в указанной системе.
Защищаемые положения.
 Для интенсификации первой стадии обескремнивания алюминатных растворов и возможности осуществления этого процесса
при атмосферном давлении и пониженных температурах следует
использовать нефелиновый концентрат, активированный с применением физических и физико-химических методов.
 При разработке аппаратурно-технологической схемы низкотемпературного процесса обескремнивания алюминатных растворов
применительно к существующей переработке нефелиновых концентратов необходимо выделение потока активированного нефелинового концентрата в качестве затравки для осаждения ГАСН и использование химически активного известкового шлама при синтезе
ГКАК.
Практическая значимость работы:
 Предложено конкурентоспособное технологическое решение по применению процесса низкотемпературного обескремнивания, которое позволяет исключить автоклавную технологию и упростить аппаратурное оформление переработки алюминатных растворов в производстве глинозёма из нефелинового
сырья.
 Использование известкового шлама от операции каустификации содовых растворов в качестве исходного материала для
синтеза ГКАК позволяет улучшить показатели этого процесса,
сократить расход известняка и повысить активность получаемого реагента, используемого на стадии глубокого обескремнивания алюминатных растворов.
6
 Научные и практические результаты работы вошли в лекционные курсы по дисциплинам «Основы металлургии лёгких металлов», «Новые и перспективные процессы в металлургии цветных
металлов», «Организация экспериментальных исследований» для
подготовки студентов по специальности 110200 «Металлургия цветных металлов» и магистров по направлению 550500 «Металлургия».
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 так же соответствием полученных экспериментальных результатов теории и практике разделения алюминия и
кремния в щелочных растворах глинозёмного производства.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на международном конгрессе «Цветные Металлы Сибири-2009» (Красноярск
2009), «Цветные Металлы Сибири-2010» (Красноярск 2010), на
XLVIX международной научной конференции в Краковской горнометаллургической академии (Краков, 2009), на ежегодной научной
конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их
освоение» в СПГГИ (ТУ) (СПб, 2009, 2010).
Личный вклад автора состоит в анализе существующих
способов разделения алюминия и кремния в щелочных растворах
глинозёмного производства, постановке цели и задач исследований, проведении лабораторных исследований, обработке полученных данных, подготовке статей и материалов для участия в конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных
работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК
Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 171
странице машинописного текста, содержит 28 таблиц и 73 рисунка.
Библиография включает 134 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приводится обоснование актуальности работы,
сформулированы ее цель, задачи, идея, научная новизна, практи7
ческая ценность, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводится подробный анализ известных
способов, технических решений, технологий и направлений их развития для процесса обескремнивания алюминатных растворов при
переработке алюминийсодержащего сырья различного качества.
Во второй главе представлен термодинамический анализ
технически значимых систем глинозёмного производства, как
фундаментальной основы низкотемпературного процесса обескремнивания. Приведён анализ массообменных процессов при осаждении гидроалюмосиликата натрия, включая механизм укрупнения
затравочной фазы и понижения её активности в результате перекристаллизации.
В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования процесса низкотемпературного обескремнивания щёлочно-алюминатных растворов с использованием активированной затравки, а так же анализ технологических факторов, обеспечивающих активацию затравочной поверхности нефелинового
концентрата для кристаллизации ГАСН,
В четвертой главе приводятся результаты термодинамического анализа системы CaCO3 –NaAl(OH)4–NaOH–H2O и результаты лабораторного синтеза ГКАК с использованием карбоната кальция различной природы, а также показатели процесса дообескремнивания алюминатных растворов с использованием добавки гидрокарбоалюмината кальция.
В пятой главе приведён анализ известных аппаратурнотехнологических решений для разделения алюминия и кремния в
растворах глинозёмного производства и проработка аппаратурнотехнологической схемы для низкотемпературного обескремнивания растворов при комплексной переработке кольских нефелиновых концентратов.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Для интенсификации первой стадии обескремнивания
алюминатных растворов и возможности осуществления этого
процесса при атмосферном давлении и пониженных температурах следует использовать нефелиновый концентрат, активиро8
ванный с использованием физических и физико-химических
методов.
Физико-химический анализ технически значимых систем, в
которых происходит осаждении ГАСН, и анализ известных технических решений в данной области позволяет установить ведущую роль кинетических параметров кристаллизации ГАСН
при снижении температуры. Это делает необходимым увеличение количества вводимой затравки, оборот которой приводит к
быстрой потере активности вследствие перекристаллизации с
укрупнением. Компенсировать этот недостаток можно с учётом
однократного использования затравки или её дополнительной
активации в случае многократного оборота. С учётом имеющихся возможностей, технологии переработки нефелиновых концентратов нами было отдано предпочтение первому варианту, при
котором в качестве активной затравки может выступить один их
производственных материальных потоков, в частности поток
измельчённого нефелинового концентрата. Предпочтительность
этого варианта связана с отсутствием ограничений по количеству требуемого затравочного материала, технологической
необходимостью измельчения исходного сырья и близостью параметров кристаллических решёток ГАСН и нефелина. Последний критерий является чрезвычайно важным, так как обеспечивает большую термодинамическую вероятность образования
кристаллического зародыша критического размера и способствует увеличению скорости роста кристаллической фазы.
Экспериментальное исследование механохимической активации нефелина и оптимизация его режима по показателям обескремнивания выполнялась с использованием метода математического планирования. Были отобраны следующие переменные
факторы и приняты интервалы их варьирования: Х1- продолжительность измельчения 40  20 мин; Х2 - масса загрузки шаров в мельницу 5  0,5 кг; Х3 - отношение массы шаров к навеске нефелина
10  2; Х4 - отношение жидкого к твердому при измельчении 0,7
 0,2; Х5 - начальная температура нефелиновой пульпы при измельчении 50  30°С. Четверть-реплика полного факторного эксперимента задавалась следующими генерирующими соотношениями:
Х4=Х2.Х3 и Х5=Х1.Х2.Х3, которым соответствует обобщающий определяющий контраст 1=Х2Х3Х4=Х1Х2Х3Х5=Х1Х4Х5. Обескремнивание
9
растворов, близких по составу к производственным, проводилось
при температуре 900С и концентрации затравочного нефелина 100
г/л. Это позволило получить уравнения линейной регрессии, устанавливающие зависимость концентрации SiO2 в растворе, щелочного модуля раствора и выхода фракции -44 мкм в зависимости от
принятых переменных факторов. Для концентрации SiO2 в растворе
уравнения имеют следующий вид в безразмерном масштабе факторов:
Y1 = 2,862 – 0,013X1 + 0,288X2 + 0,063X3 + 0,038X4 – 0,088X5;
У2 = 1,894 + 0,194Х1 + 0,119Х2 + 0,494Х3 + 0,219Х4 + 0,619Х5;
У3 = 1,650 + 0,200Х1 + 0,475Х2 + 0,400Х3 + 0,275Х4 + 0,075Х5;
У4 = 1,200 + 0,075Х1 + 0,200Х2 + 0,150Х3 + 0,100Х4 - 0,125Х5;
(1)
(2)
(3)
(4)
где Y1, У2, У3, У4 – концентрация SiO2 (г/л) в алюминатном
растворе для продолжительности процесса соответственно 0,5; 1,0;
2,0 и 4,0 часа.
Оценка значимости коэффициентов и адекватности уравнений
реальному процессу проводилась по известной методике с использованием результатов параллельных опытов, выполненных на нулевом уровне переменных факторов. Для выхода в область оптимальных условий механохимической обработки нефелинового концентрата был использован метод крутого восхождения. При этом осуществлялось экспериментальное движение по поверхности отклика
с шагом пропорциональным b j x j , который для X2 и X3 соответственно составлял 0,2 и 0,6 в натуральном масштабе величин для
диапазона значений соответствующих факторов 5,0÷4,0 и 10,0÷7,0.
Полученные результаты приведены на рис. 1, что позволяет говорить о корреляции затравочной активности нефелина и его фракционного состава, а также наличии оптимального режима для процесса
механохимической активации.
Исследование состояния системы Na2O-Al2O3-SiO2-H2O при
участии активированного нефелина, в условиях близких к равновесным, выполнялось экспериментально для широкого диапазона температур и составов алюминатных растворов при постоянном
начальном каустическом модуле. Пространственное положение области установившихся кремниевых модулей растворов приведено на
10
Концентрация SiO2, г/л
Выход фракции-44мкм,
%
рис.2, а изотермы технологического равновесия по концентрации
SiO2 на рис. 3. Эти резуль1
55
1
таты позволяют говорить о
0,9
50
2
термодинамической воз0,8
можности
достижения
45
значений концентраций и
0,7
40
кремниевых модулей, до0,6
статочных для эффектив35
0,5
ного проведения следующей стадии процесса обес0,4
30
27
37
47 (X2)(X3)
кремнивания.
Кинетика обескремРис.1. Зависимость показателей измельнивания изучалась с исчения и обескремнивания в области оптимума: 1 - концентрация SiO2, г/л; 2 - выпользованием в качестве
ход фракции - 44мкм
затравки
нефелинового
концентрата подвергнутого сухому измельчению в пружинной
мельнице и мокрому измельчению в шаровой мельнице. Характерные кинетические кривые осаждения ГАСН приведены на рис. 4 (а)
и (б). Эти результаты получены при концентрации затравки 50 г/л,
так как ранее выполненные исследования показали незначительные
изменения показателей процесса при концентрации активированного нефелинового концентрата 100 г/л.
0,8
350
0,7
250
200
100
[Al2O3]
80
60
150
75
85
Т=75С
Т=85С
Т=95С
Т=105С
0,6
[SiO2], г/л
300
Кремниевый модуль
400
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
100
95 105
t,С
0
55
Рис. 2. Профиль равновесных кремниевых модулей в системе Na2OAl2O3-SiO2-H2O при осаждении ГАСН
на затравке нефелина
11
75
95 [Al2O3], г/л
Рис. 3. Изотермы равновесия растворов в системе Na2O-Al2O3-SiO2H2O при участии активированного
нефелина
а
б
350
Ряд1
Ряд2
Ряд3
Ряд4
2,5
Концентрация SiO2, г/л
Кремниевый модуль, единицы
3
2
1,5
1
0,5
300
250
200
150
Ряд1
Ряд2
Ряд3
Ряд4
100
50
0
0
0
2
0
4 Время, ч 6
2
4 Время, ч 6
Рис. 4. Кинетика кристаллизации ГАСН по концентрации SiO 2 в растворе
(а) и по кремниевому модулю раствора (б) при концентрации затравки
50г/л: 1 – температура 90С с затравкой, полученной мокрым измельчением; 2 – то же с затравкой полученной сухим измельчением; 3 – то же,
что ряд 1 при 100С; 4 - то же, что ряд 2 при 100С
Вид этих кривых позволяет установить наличие хорошо различимого индукционного периода, не смотря на введение значительного количества затравочной фазы, что позволяет говорить о
существенной роли латентного периода в процессе осаждения
ГАСН. Линеаризация кривых в соответствии с кинетикой топохимических процессов по уравнению Колмогорова-Ерофеева позволила разбить весь временной интервал на два участка отличающихся
кинетическими параметрами процесса, приведёнными в табл. 1. Для
основного периода кристаллизации было выполнено кинетическое
моделирование процесса с учётом ведущих массообменных процессов, наблюдаемых в ходе гетерогенного взаимодействия, что позволило получить уравнение потока кристаллизации при условии обратимого химического взаимодействия отвечающего стехиометрии
уравнения:
2Na++SiAlO4OH2- +pH2O=NaSiAlO4∙pH2O+Na++OH-.
(5)
Тогда поток химического осаждения ГАСН на затравке запишется в виде:
12
n2
(C N , 0 )
n1 K p
,
1 
n2


k 
 N
n1
n1 K p DN
(C Si , 0 ) 
j 
 Si
DSi
(6)
где CSi,0 и СN,0– концентрация растворённого
кремния и кау
стической щёлочи в объёме раствора; k – константа скорости прямого процесса, Kр– константа равновесия; δSi/DSi, δN/DN- сопротивление диффузии алюмокремниевых комплексов и каустика; n1, n2 активная поверхность затравки для прямого и обратного процесса.
Таблица 1
Кинетические параметры низкотемпературной кристаллизации гидроалюмосиликата натрия (ГАСН)
№
Темпе
ратура,
оК
Стадия
кристаллизации
Константа
скорости
процесса,
lnK
1
363
I
1,440
0,3643
2
373
I
2,17
0,7748
3
363
II
2,178
0,7784
4
5
6
7
8
373
363
373
363
376
II
I
I
II
II
2,929
1,5308
2,20
3,013
3,641
1,0745
0,4258
0,7886
1,103
1,2923
Энергия
активации,
кДж/моль
42,62
33,3
40,8
21,3
Условия
опыта
Измельчение в
шаровой мельнице, концентрация затравки
50 г/л
Сухое измельчение в пружинной мельнице, концентрация затравки
50 г/л
При лимитирующей роли химического взаимодействия (5) с
учётом, что [OH-]≈COH-, получаем выражение для скорости процесса

осаждения ГАСН: j=dm/dτF=n1 k (CSiO2–[SiO2]n2/n1), которое полностью соответствует известному математическому приближению для
процессов кристаллизации первого порядка. Его интегрирование
позволяет поучить уравнение (7) близкое по смыслу к зависимости
для химической реакции первого порядка, но включающее пересыщение системы по SiO2, как фундаментальный параметр процесса
кристаллизации:
13
ln
CSiO2 
n2
Cнач 
n2
n1
n1
[ SiO2 ]

 n1K ,
(7)
[ SiO2 ]
где Cнач, [SiO2] – начальная и равновесная концентрация SiO2.
2. При разработке аппаратурно-технологической схемы
низкотемпературного процесса обескремнивания алюминатных
растворов применительно к существующей переработке нефелиновых концентратов необходимо выделение потока активированного нефелинового концентрата в качестве затравки для
осаждения ГАСН и использование химически активного известкового шлама при синтезе ГКАК.
В отличие от синтеза ГКАК с использование известкового молока, взаимодействие карбоната кальция с алюминатным раствором
в условиях образования ГКАК должно включать ряд дополнительных стадий. Суммарная последовательность протекания такого процесса, исключая ряд менее значимых взаимодействий, при условии
реализации элементарных стадий не выше второго порядка может
быть представлена следующей схемой:
CaCO3+2NaOH=Ca(OH)2 aq+Na2CO3;
(8)
Ca(OH)2+Al(OH)4-=CaAl(OH)5+OH-;
(9)
CaAl(OH)5 +Ca(OH)2 =Ca2Al(OH)7;
(10)
Ca2Al(OH)7 · nH2O + mCO32- + 2mNa+=
Ca2Al(OH)4 · (3-2m)OH·mCO3 + 2mOH- + 2mNa+.
(11)
Её термодинамический анализ с использованием равновесных характеристик Аl2O3, Na2Oк и Na2Oугл доступных для экспериментального определения, позволил установить равновесную концентрацию Ca(OH)2 и произведение растворимости ГКАК, а также
получить уравнения для расчёта степени разложения и конверсии
CaCO3 в ГКАК:
 CaCO 
3
,
mCaCO3  mСaCO
3
mCaCO3

V ([CO32 ]  CCO 2   m(C Al (OH )  [ Al (OH ) 4 ]))
3
4
mCaCO3
14
; (12)
 ГКАК 
2V (C Al (OH )  [ Al (OH ) 4 ])
4
mCaCO3
(13)
,
18
18
16
16
Степень конверсии CaCO3
Степень конверсии CaCO3
где mCaCO3 и m′CaCO3 – начальная и конечная масса CaCO3; Vобъём раствора; Сi – начальные концентрации соответствующих
ионов, в квадратных скобках приведены их равновесные значения.
На рис. 5 приведены экспериментальные данные по кинетике
конверсии CaCO3 в зависимости от природы карбонатного материала. Линеаризация этих результатов для закономерности внутренней
диффузии, позволяет говорить о её лимитирующей роли при синтезе
ГКАК, рис. 6. На рис. 7 приведены показатели синтеза ГКАК в зависимости от средней крупности использованных материалов, составляющей 89,7 мкм для CaCO3 марки ЧДА, 35,06 мкм для природного
известняка, 16,2 мкм для CaCO3 осаждённым из раствора CaСl2, 2,3
мкм для CaCO3 осаждённым из раствора CaСl2. Полученные результаты позволяют говорить о существенной роли этого фактора в процессе синтеза и возможности достижения приемлемой для технологии степени конверсии 50% при дозировке CaCO3 на уровне
60÷80г/л.
14
12
10
1
2
3
4
8
6
4
2
0
0
0,5
1
1,5
2
1
2
3
4
14
12
10
8
6
4
0,7
время, ч
Рис. 5. Кинетика конверсии карбоната
кальция в ГКАК: 1 - CaCO3 марки
ЧДА; 2 - природный известняк; 3 CaCO3
осаждённым из раствора
CaСl2; 4 - CaCO3 осаждённым из раствора CaСl2
1,1
1,5
1,9 1

Рис. 6. Линеаризованные кинетические кривые конверсии карбоната
кальция в ГКАК с соответствием
рядов по материалам рис. 5
Проблема дообескремнивания алюминатных растворов после
низкотемпературной кристаллизации ГАСН вытекает из необходи15
мости обеспечить их пригодность для разложения путем частичной
карбонизации с довыкручиванием. Стремление минимизировать количество технологических операций приводит к решению, связанному с добавкой ГКАК в неотфильтрованную пульпу после осаждения ГАСН на активированной затравке нефелинового концентрата.
На рис. 8 приведены кинетические кривые дообескремнивания в зависимости от температуры осаждения ГАСН и последующего досаждения SiO2 при введении ГКАК, что позволяет говорить о возможности достижения технологических показателей удовлетворяющих
требованиям получения глинозёма высших марок.
0,7
20
1
18
Концентрация SiO2, г/л
16
Степень конверсии
75 С
0,6
2
14
12
10
8
85 С
0,5
95 С
0,4
105 С
0,3
0,2
0,1
6
0
20
40
60
80
0
100
Диаметр частиц, мкм
2
4
Время, ч
Рис. 7. Зависимость степени конверсии CaCO3 от среднего диаметра частиц карбоната кальция: Ряд 1
– расчётные показатели по уравнению 13; Ряд 2 - расчётные показатели по уравнению 12
Рис. 8. Кинетика дообескремнивания
алюминатных растворов с добавкой
ГКАК при CaOакт / SiO2 = 15 в широком интервале температур
На рис. 9 и 10 приведены аппаратурно-технологические
решения для синтеза ГКАК и низкотемпературного обескремнивания растворов, вытекающие из результатов достигнутых при
оптимизации режимов соответствующих операций. Приведённая
схема обескремнивания включает два возможных варианта осуществления процесса. Первый предполагает осаждение ГАСН
при пониженных температурах (90 0 С), что вызывает необходимость дообескремнивания. Второй предполагает осаждение
ГАСН в режиме кипения, с учётом предварительного перегрева
пульпы, что позволяет исключить стадию дополнительного выделения SiO2 с использованием ГКАК.
16
17
Рис. 9. Аппаратурно-технологическая схема синтеза ГКАК высокой активности с
использованием известкового шлама от операции каустификации соды
18
Рис. 10. Аппаратурно-технологическая схема безавтоклавного обескремнивания
алюминатных растворов при переработке кольских нефелиновых концентратов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой законченную научноквалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача снижения ресурсоёмкости передела обескремнивания алюминатных растворов при комплексной переработке
нефелинового сырья. Выполненные автором исследования позволяют сделать следующие основные выводы:
1. Требованиям однократного использования затравочного
материала при комплексной переработке нефелинового концентрата в наибольшей степени удовлетворяет вывод части производственного потока нефелина на измельчение и обескремнивание с последующим возвратом твердых продуктов в основное
производство;
2. Сухое измельчение нефелинового концентрата и мокрое
с использованием необескремненного алюминатного раствора
позволяет получить активную затравку, обеспечивающую достижение показателей обескремнивания соответствующих технологическим требования. При этом показатели измельчения
нефелина и обескремнивания алюминатных растворов с введением активированной затравки описываются уравнениями линейной регрессии, учитывающими ведущие параметры процесса,
с доверительной вероятностью в 95%;
3. Скорость осаждения ГАСН на затравке активированного
нефелина может быть описана кинетикой топохимического процесса, устанавливающего эффективную роль температуры
(Еа=40 кДж/моль) для основного временного периода и переход
в область ограниченную массопереносом в конце процесса.
4. Установлено, что эффективность синтеза ГКАК при использовании карбонатных материалов различной природы определяется их крупностью, что делает технологически предпочтительным использование известкового шлама от операции каустификации соды.
5. Аппаратурно-технологические решения для низкотемпературного обескремнивания алюминатных растворов предполагают возможность осаждения ГАСН при пониженных температурах (900 С), что вызывает необходимость дообескремнивания и
по второму варианту осаждение ГАСН в режиме кипения, с учё19
том предварительного перегрева пульпы, что позволяет исключить стадию дополнительного выделения SiO2 с использованием
ГКАК.
По теме диссертации опубликованы следующие основные
работы:
1.Новиков Н.А. Кинетические параметры низкотемпературной
кристаллизации щелочных алюмосиликатов на активированной затравке / Н.А. Новиков, // Естественные и технические науки.
Москва, 2011. №3. С. 175-178.
2.Новиков Н.А. Процессы кристаллообразования химических
осадков / В.Н. Бричкин, Н.А. Новиков, // Естественные и технические науки. Москва, 2011. №3. С. 186-189.
3.Новиков Н.А. Механохимическая активация Кольских нефелиновых концентратов / Г.И. Доливо-Добровольская, В.Н. Бричкин
Н.А. Новиков, В.В. Радько // Обогащение руд, 2008. № 4. С. 9-12.
4.Новиков Н.А. Влияние рудоподготовки на показатели вскрытия Кольских нефелиновых концентратов / Г.В. Петров, В.М. Сизяков, Н.А. Новиков, В.В. Радько // Обогащение руд, 2008. № 5. С. 1015.
5.Новиков Н.А. Симметрийные реакции и их роль в металлургии цветных металлов и производстве глинозёма / Г.И. ДоливоДобровольская, В.Н. Бричкин, С.Н. Салтыкова, Н.А. Новиков //
Сборник докладов первого международного конгресса «Цветные
металлы Сибири», 8-11 сентября 2009, г. Красноярск С. 166-169.
6.Новиков Н.А. Закономерности декомпозиции алюминатных
растворов в системе Na2O-K2O-Al2O3-H2O / В.Н. Бричкин, В.В. Радько, В.В. Васильев, Н.А. Новиков// Сборник докладов первого международного конгресса «Цветные металлы Сибири», 8-11 сентября
2009, г. Красноярск С. 162-165.
7.Новиков Н.А. Кинетика и механизм низкотемпературного
обескремнивания алюминатных растворов / В.Н. Бричкин, В.М. Сизяков, Н.А. Новиков, Н.В. Николаева // Сборник докладов второго
международного конгресса «Цветные металлы Сибири», 2-4 сентября 2010, г. Красноярск С. 397-402.
20