способ получения диоксида титана и карбида кремния из отходов абразивной обработки

Формула изобретения

Способ получения диоксида титана и карбида кремния из отходов, включающий кислотную обработку титансодержащего сырья и выделение целевых продуктов, отличающийся тем, что в качестве сырья используют отходы абразивной обработки сплавов на основе титана, которые предварительно подвергают сушке, очистке от текстильного охвостья с последующим отделением титановой составляющей от карбида кремния на электромагнитном валковом анализаторе при напряженности магнитного поля от 10000 до 12000 Э, из которой получают диоксид титана сернокислотной обработкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии переработки отходов, включающих соединения титана и кремния, и может быть использовано для улучшения экологической ситуации путем переработки техногенных отходов, образующихся в процессе абразивной обработки полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе титана, а также расширения сырьевой базы для получения товарных продуктов - диоксида титана и карбида кремния.

В листопрокатном производстве для удаления окалины с плит и листов, изготовленных из сплавов на основе титана, производят механическую обработку поверхности, заключающуюся в абразивной зачистке изделий наждачными кругами и лепестковыми кругами, состоящими из набора наждачной ткани. В качестве охлаждения используется вода. Абразивная обработка производится на машине сплошной абразивной зачистки (МСАЗ). Абразивные отходы, образующиеся на МСАЗ, представляют собой смесь мелкой фракции: титана и титановой окалины, наждака (карбид кремния), текстильного охвостья от отработанной наждачной ленты. Влажность отходов колеблется в пределах от 12% до 20%.

Методом ситового анализа определен гранулометрический состав:

- частицы фракцией более 0,2 мм составляют в смеси 36,7 %;

- менее 0,2 мм - 63,3 %.

В таблице 1 приведен состав абразивных отходов.

Таблица 1
Наименование компонентов	Al*	Fe	Ti	SiC	Вода	Текстильное охвостье
% состав	5,0-6,0	2,5-4,5	33,0-40,0	15,0-37,0	До 20	14
* В составе сплава на основе титана.

Указанные отходы не используются в производстве, относятся к разряду техногенных веществ (принадлежат к 4 классу опасности по ГОСТ 1639-93) и подлежат вывозу в отвалы промышленных отходов. Абразивные отходы обработки сплавов на основе титана являются пирофорным материалом, который легко воспламеняется, а также образует, смешиваясь с воздухом, взрывоопасные смеси (нижний предел взрывобезопасности 45 г/м³, температура воспламенения 330°С).

Вместе с этим, следует отметить, что данный конгломерат представляет смесь, содержащую высокую концентрацию двух ценных веществ (титана и карбида кремния - до 40% каждого компонента), в промышленности их производят в результате целого ряда высокозатратных технологических переделов. Извлечение из отходов данных ингредиентов позволяет использовать их в качестве вторичного сырья. Полезная переработка абразивных отходов дает возможность освободить территорию, занимаемую отвалами, или, по крайней мере, не расширять ее до неопределенных пределов.

Известен также способ переработки промышленных отходов, включающий селективный отбор по фракциям и гравитационное обогащение, затем отобранные продукты поступают на многоступенчатую селективную магнитную сепарацию, где происходит разделение на сильно- и слабомагнитные фракции, при этом сильномагнитная фракция является готовым металлургическим сырьем, а в слабомагнитной фракции концентрируется основная часть редкоземельных и других ценных элементов, которые затем направляют на гидрометаллургическое извлечение, кроме того, немагнитная фракция после магнитной сепарации является готовым сырьем для получения строительных материалов (Патент РФ №2086679, МПК С 22 В 7/00).

Недостатком известного способа является сложность технологического оборудования, многостадийность и нерентабельность.

Известен сернокислотный способ производства диоксида титана (Лучинский Г.П. Химия титана. - М.: Химия, 1971, (с.381-385); Васютинский Н.А. Титановые шлаки. - М.: Металлургия, 1972, (с.192-197)), состоящий из ряда технологических операций, которые могут быть сведены к трем основным переделам:

1. Разложение сырья в серной кислоте с получением сульфатотитановых кислот (H ₂(TiO₂(SO₄)), H₂(TiO(SO ₄)₂), H₂(Ti(SO₄)), их очистка.

2. Гидролиз сернокислых растворов с получением гидратов титана (Ti(OH)₂,Ti(OH)₄).

3. Прокаливание гидратов с получением диоксида титана (TiO ₂).

В качестве сырья по данному способу используются ильменитовые концентраты или титановые шлаки. Для получения 1 т диоксида титана из ильменитовых концентратов сернокислотным методом расходуется 3,1 т ильменитового концентрата (содержащего 42% TiO₂), 4,0-4,5 т серной кислоты, 0,24 т железной стружки (железная стружка добавляется в качестве восстановителя трехвалентного железа).

Недостатком известного способа является образование при гидролизе большого количества (в пересчете на моногидрат титана около 2 т на 1 т TiO₂) разбавленной 20-22% серной кислоты, загрязненной сульфатами железа и др. элементов, которая на большинстве заводов не утилизируется и является сильнейшим загрязнителем окружающей среды.

Известен способ получения диоксида титана, включающий разложение карбонитрида титана и кремнийсодержащего сырья 70% серной кислотой при нагревании, растворение продукта сульфатизации в водной среде с получением титансодержащего раствора, фильтрацию и последующее выделение целевого продукта известными методами. В качестве исходного сырья используют продукт, представляющий гетерогенную смесь карбонитрида титана и карбида кремния, и разложение проводят при содержании 1,35-1,55 т Н₂SO₄/т TiO₂ с добавлением концентрированной азотной кислоты в количестве 3,16-3,2 т HNO ₃/т TiO₂. Предлагаемый способ позволяет при высоком процентном извлечении титана (˜100%) и высоком качестве получаемого диоксида титана (данные спектрального анализа) значительно снизить отходы производства диоксида титана и получать наряду с ним еще один промышленно используемый продукт - карбид кремния (Патент РФ №2077486, МПК C 01 G 23/047) - прототип.

Недостатком известного способа является длительность и сложность процесса, связанного с использованием 2 типов кислот и их значительный расход, приводящий к низкой рентабельности, повышенная требовательность к кислотной стойкости оборудования и к защите окружающей среды.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является комплексная утилизация техногенных твердых отходов, образующихся в процессе абразивной обработки полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе титана, направленная на:

- получение в процессе утилизации ценной товарной продукции;

- исключения из технологических переделов не утилизируемых отходов, представляющих потенциальную взрыво- и пожарную опасность;

- резкого понижения нагрузки на экологическую среду путем уменьшение отходов, идущих в отвалы и понижения их класса опасности.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является:

- получение диоксида титана, употребляемого в металлургии, химической и лакокрасочной промышленности;

- получение карбида кремния в виде фракции, которую можно использовать для производства абразивных изделий и огнеупоров;

- исключения из промышленного производства отходов, неконтролируемое накопление которых вызывает потенциальную опасность техногенных катастроф.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения диоксида титана и карбида кремния из абразивных отходов, включающем кислотную обработку титан- и кремнийсодержащего сырья известными методами и выделением целевых продуктов, в качестве сырья берутся отходы абразивной обработки сплавов на основе титана, которые предварительно подвергаются сушке, очистке от текстильного охвостья, с последующим отделение титановой составляющей от карбида кремния на электромагнитном валковом анализаторе при напряженности магнитного поля от 10000 до 12000 Э, из которой в дальнейшем получают диоксид титана сернокислотной обработкой.

Сушка абразивных отходов производится для удаления влаги и придания им сыпучести, затем производится удаление текстильного охвостья на вибросите. Просушенный и очищенный конгломерат поступает на магнитную сепарацию, при напряжении магнитного поля от 10000 до 12000 Эрстед, в этом диапазоне напряженности магнитного поля происходит надежное разделение немагнитной фракции (титана) от магнитной (карбида кремния и железа). Получение диоксида титана производится известными кислотными методами. Титановый концентрат не содержит железа и соединений кремния, поэтому не требуется добавления железных опилок для восстановления трехвалентного железа и азотной кислоты для вскрытия соединений кремния.

Промышленная применяемость заявленного способа утилизации отходов абразивной обработки изделий из сплавов на основе титана подтверждается следующим примером конкретного выполнения.

В лабораторных условиях утилизировали абразивные отходы в количестве 1000 г, имеющие состав, приведенный в таблице 2.

Таблица 2
Наименование компонентов	Al	Fe	Ti	SiC	Вода	Текстильное охвостье
% состав	5,3	2,8	39,0	16,7	17,3	18,9

1. Сушка абразивных отходов при температуре 110°-120°С в течение часа.

2. Очистка отходов от текстильного охвостья на вибросите, диаметр отверстий - 7 мм, длина шага - 10 мм.

3. Разделение методом магнитной сепарации сухих, очищенных от текстильного охвостья абразивных отходов на 2 потока:

- магнитная фракция в составе карбида кремния и железа составила 22,56%;

- фракция со слабой магнитной восприимчивостью, состоящая из титана и его окислов, составила 77,4%.

Извлечение титановой фракции из абразивных шламов по указанной схеме составила 90,4%, при визуальном наблюдении под микроскопом с увеличением в 12 раз частицы абразива в титановом концентрате после магнитной сепарации не обнаружено.

4. Получение диоксида титана производилась известным сернокислотным способом (Лучинский Г.П. Химия титана. - М.: Химия, 1971, (с.381-385)) со следующими отличиями:

- вместо известного, типичного сырья (ильменитовых руд, титановых шлаков, карбонитрида титана и карбида кремния, лейкоксенового концентрата) используется титановый концентрат, извлеченный в процессе утилизации абразивных титаносодержащих отходов;

- при сульфатизации извлеченного титанового концентрата для получения 1 кг диоксида титана надо растворить в серной кислоте 0,8 кг концентрата, содержащего 90% титана, затратив на растворение 2,0-2,5 кг серной кислоты. При растворении не происходит образование трехвалентного железа, поэтому не требуется добавлять железной стружки. В результате гидролизная кислота не загрязнена сульфатом железа и сульфатами других элементов. Производительность процесса увеличивается, т. к. продолжительность растворения уменьшается вдвое по сравнению с растворением ильменитовых руд. В 8-10 раз снижается количество шлама, идущего в отвал.

Предлагаемый способ позволяет:

- при небольших трудовых затратах повысить технику безопасности технологического процесса производства полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов;

- в силу своей малоотходности радикально сократить загрязнение окружающей среды;

- получить товарные продукты: диоксид титана (применяемый в металлургии, химической и лакокрасочной промышленности) и карбид кремния (используется при изготовлении абразивных изделий и огнеупоров).