способ переработки алюминийсодержащего сырья

Формула изобретения

Способ переработки алюминийсодержащего сырья, включающий приготовление шихты из алюминийсодержащего сырья, железосодержащей и щелочесодержащей добавок, и восстановителя, восстановительную плавку и разделение ликвацией алюминийсодержащей фазы и ферросилиция, отличающийся тем, что в качестве алюминийсодержащего сырья используют нефелиновый концентрат, шихту готовят из расчета молярного соотношения R ₂O:Al₂O₃, равного 0,95-1,15, где R - щелочной металл в пересчете на натрий, при этом восстановительную плавку ведут при температуре 1450-1660°С, алюминийсодержащую фазу выщелачивают, а полученный при этом алюминатный раствор перерабатывают карбонизацией.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к технологии переработки алюминийсодержащего сырья с получением глинозема.

Известен способ переработки алюминийсодержащего сырья, включающий приготовление шихты на его основе с добавками щелочесодержащих материалов из расчета получения в шихте молярного соотношения R₂O/Al₂O ₃=0,95-1,15 (где R - щелочной металл) и известняка из расчета получения в ней молярного соотношения CaO/SiO ₂=1,95-2,05, спекание полученной шихты во вращающейся печи при 1050-1300°С, выщелачивание спека с получением раствора алюминатов щелочных металлов и двухкальциевого силиката, обескремнивание раствора и выделение из него гидроксидов (оксидов) алюминия и солей щелочных металлов [Лайнер А.И., Еремин Н.И., Лайнер Ю.А., Певзнер И.З. Производство глинозема. - М.: Металлургия, 1978. С.189-190].

Недостатками данного способа являются высокие энергетические затраты определяемые необходимостью термического нагрева и диссоциации известняка, входящего в состав шихты спекания, и низким тепловым КПД (около 30%) печного агрегата, а также необходимость переработки или утилизации образующихся кальций- и железосодержащих шламов и улавливания технологической пыли. Кроме того, в способе-прототипе при диссоциации известняка образуется большое количество диоксида углерода, который выбрасывается в атмосферу.

Известен также способ переработки алюминийсодержащего сырья (бокситов), включающий приготовление шихты на его основе с добавкой восстановителя и известняка, восстановительную плавку и разделение ликвацией алюминийсодержащей фазы - алюмокальциевых шлаков и ферросилиция. [Справочник металлурга по цветным металлам. Производство глинозема. - М.: Металлургия, 1970. С.179-180]. В результате плавки шихты, приготовленной из расчета получения в качестве алюминийсодержащей фазы алюмокальциевых шлаков, оксид железа и основная часть оксида кремния восстанавливаются до металлического состояния и образуют ферросилиций, а также в качестве алюминийсодержащей фазы получаются алюмокальциевые шлаки, содержащие, в основном, алюминаты кальция. Шлаки и ферросилиций разделяют ликвацией, основанной на разнице их плотностей (ферросилиция 6,4-6,8 и шлаков 2,5-2,6). В результате гидрохимической обработки шлаков, примерное содержание основных компонентов в которых: 45% Al₂O₃, 42% CaO, 6,5% SiO₂, из них извлекают оксид алюминия. Оксид алюминия и ферросилиций являются товарными продуктами.

Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты, связанные с необходимостью переработки большого количества известняка для получения алюмокальциевых шлаков, и необходимость переработки или утилизации известковых шламов.

Прототипом заявляемого способа является способ переработки алюминийсодержащего сырья, включающий приготовление шихты из алюминийсодержащего сырья - отходов обогащения углей, железосодержащих добавок, известьсодержащих добавок, карбоната натрия, и восстановителя - кокса, восстановительную плавку и разделение ликвацией алюминийсодержащей фазы и ферросилиция [Пат. DE 518204, опубл. 29.01.1931]. Согласно способу-прототипу карбонат натрия добавляется в шихту из расчета молярного соотношения R₂O/Al₂O ₃, не менее 3,5, где R - щелочной металл в пересчете на натрий, и участвует в образовании алюминатов щелочных металлов и натрокальциевых силикатов. Кальцийсодержащие добавки в шихту служат также для связывания кремния в силикаты кальция. Восстановительную плавку кальцийсодержащих шихт указанного в прототипе состава ведут при температурах выше 1700°С.

Недостатками способа-прототипа являются высокие энергозатраты, связанные с необходимостью использования высоких температур и переработкой большого количества известняка для получения алюмокальциевых шлаков, необходимость переработки или утилизации известковых шламов и низкая степень перехода кремния в ферросилиций в процессе восстановления. Кроме того, добавка соды в шихту приводит к снижению срока службы огнеупорных материалов печного агрегата.

Технической задачей заявляемого способа является устранение указанных недостатков, а именно снижение энергетических затрат на осуществление процесса получения глинозема из алюминийсодержащего сырья, снижение материальных потоков, повышение степени перехода кремния в ферросилиций, повышение срока службы печного агрегата, упрощение технологии.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки алюминийсодержащего сырья, включающем приготовление шихты из алюминийсодержащего сырья, железосодержащей и щелочесодержащей добавок и восстановителя, восстановительную плавку и разделение ликвацией алюминийсодержащей фазы и ферросилиция, согласно изобретению в качестве алюминийсодержащего сырья используют нефелиновый концентрат, шихту готовят из расчета молярного соотношения R₂O/Al ₂O₃, равного 0,95-1,15, где R - щелочной металл в пересчете на натрий, при этом восстановительную плавку ведут при температуре 1450-1660°С, алюминийсодержащую фазу выщелачивают, а полученный при этом алюминатный раствор перерабатывают карбонизацией.

Способ осуществляется следующим образом. Составляется шихта из нефелинового концентрата, железосодержащей добавки и, при необходимости, щелочесодержащей добавки из расчета получения в шихте молярного соотношения R₂ O/Al₂O₃=0,95-1,15 (где R - щелочной металл в пересчете на натрий) и восстановителя в количестве, необходимом для восстановления входящих в состав шихты железа и кремния из расчета получения при восстановительной плавке товарного ферросилиция. Шихта загружается в руднотермический агрегат, тепловой КПД которого 65-75%, и подвергается восстановительной плавке при температуре 1450-1660°С. При нагреве шихты до температуры 900-1100°С восстанавливаются оксиды железа, образуя частицы металла. При температуре 1400-1450°С восстанавливается диоксид кремния. Этому способствует растворение образующегося кремния в металлическом железе. При температурах свыше 1450°С образуются два расплава - донная металлическая фаза - ферросилиций, содержащий кремний и железо, и алюминийсодержащая фаза, содержащая алюминаты щелочных металлов (натрия и/или калия). Алюминийсодержащий и железосодержащий расплавы разделяют ликвацией, выпускают из печи и охлаждают в специальных формах или подвергают грануляции. Алюминийсодержащую фазу направляют на гидрохимическую переработку, а именно выщелачивают с получением раствора алюминатов щелочных металлов, из которого карбонизацией выделяют гидроксиды алюминия.

Таким образом, заявляемый способ переработки алюминийсодержащего сырья, в отличие от прототипа, позволяет переводить основное количество кремния, входящего в состав шихты, в ферросилиций. Щелочные металлы, входящие в состав нефелинового концентрата, связываются, в основном, в алюминаты щелочных металлов. Нефелиновый концентрат не оказывает существенного отрицательного влияния на срок службы огнеупорных материалов печного агрегата. Восстановительную плавку шихт данного состава можно вести при более низких температурах, чем в прототипе. Снижение материальных потоков на единицу конечной продукции, минимальное количество в шлаке силикатов кальция упрощают технологию и снижают отрицательное воздействие на окружающую среду. Кроме того, заявляемый способ позволяет получать в качестве конечного продукта гидроксиды алюминия.

При молярном соотношении в шихте R₂O/Al₂O ₃ (где R - щелочной металл в пересчете на натрий) ниже 0,95 резко падает товарных выход глинозема из сырья из-за неполного связывания оксида алюминия в алюминаты щелочных металлов при восстановительной плавке (табл.1).

При молярном соотношении в шихте R₂O/Al₂O ₃ свыше 1,15 дальнейшего улучшения показателей процесса не происходит, но возрастают материальные потоки.

При температуре восстановительной плавки ниже 1450°С доля перехода кремния в ферросилиций резко уменьшается. При температуре восстановительной плавки свыше 1660°С доля кремния, связанного в ферросилиций не увеличивается, а энергозатраты на осуществление способа заметно увеличиваются (табл.2).

В качестве восстановителя для приготовления шихты могут быть использованы кокс, различные относительно дешевые зольные угли, отработанная угольная футеровка алюминиевых электролизеров, отработанные анодные блоки и другие углеродсодержащие материалы, которые нуждаются в утилизации.

В качестве железосодержащего материала для приготовления шихты могут быть использованы железный концентрат или железная руда, а также бокситы. Выбор этого материала определяется экономическими соображениями.

Пример 1. Шихту для восстановительной плавки готовили на основе нефелинового концентрата, содержащего, %: 28,1 - Al₂ O₃, 43,9 - SiO₂, 3,4 - Fe₂O₃, 1,3 - CaO, 7,7 - К₂О, 12,4 - Na ₂O. В качестве железосодержащей добавки использовали железосодержащий концентрат, содержащий, %: 75 - Fe₂O ₃, 25 - SiO₂. В качестве восстановителя использовали каменный уголь, содержащий, %: 4,5 - зольных веществ, 39,5 - летучих веществ, 56 - углерода. Каменный уголь добавляли в измельченном виде крупностью менее 10 мм из расчета 20%-ного избытка по отношению к стехиометрии на восстановление железа и кремния.

Компоненты шихты брались из расчета молярного соотношения в шихте SiO₂/Fe ₂O₃=3,23 и R₂ O/Al₂O₃=1,02. Шихта для плавки содержала, %: нефелиновый концентрат - 42,6; железосодержащий концентрат - 25,7; каменный уголь - 31,7.

Восстановительную плавку шихты в количестве 234,8 г осуществляли в электропечи при максимальной температуре 1420-1690°С. Нагрев до этой температуры проводили в течение 1 часа. Полученные расплавы выдерживали для разделения ликвацией алюминийсодержащей фазы и ферросилиция и затем раздельно выгружали из печного агрегата. После охлаждения получали ферросилиций с содержанием кремния 45 мас.% и алюминатный сплав. Алюминатный сплав подвергали выщелачиванию.

После охлаждения материалов, после восстановительной плавки шихты при 1660°С, получали 59,2 г ферросилиция и 42,9 г алюминатного сплава. При выщелачивании 42,9 г алюминатного сплава с последующей переработкой алюминатного раствора методом карбонизации было получено 23,3 г глинозема, 24,2 г Na₂СО ₃ и 7,6 г К₂СО₃ . Товарный выход Al₂О₃ из исходной руды составил 83%.

Пример 2. Шихту для восстановительной плавки готовили на основе нефелинового концентрата, как в примере 1, и боксита, содержащего, %: 50,75 - Al₂ O₃, 6,06 - SiO₂, 27,5 - Fe₂O₃, 0,16 - CaO, 0,1 - К₂O, 0,1 - Na ₂O. В качестве щелочесодержащей добавки использовали карбонат натрия марки «ч». В качестве восстановителя использовали каменный уголь, содержащий, %: 4,5 - зольных веществ, 39,5 - летучих веществ, 56 - углерода. Каменный уголь добавляли в измельченном виде крупностью менее 10 мм. из расчета 20%-ного избытка по отношению к стехиометрии на восстановление железа и кремния.

Компоненты шихты брались из расчета молярных соотношений в шихте R₂ О/Al₂О₃=1,00 и SiO ₂/Fe₂O₃=3,23. Шихта для плавки содержала, %: нефелиновый концентрат - 25,7; боксит - 37,5; карбонат натрия - 19,8; каменный уголь - 17,0.

После восстановительной плавки шихты в количестве 388,7 г при температуре 1550°С было получено 52,1 г ферросилиция, 147,4 г алюминатного сплава.

При выщелачивании на 147,4 г алюминатного сплава было получено 87,1 г глинозема, 83,2 г Na₂CO₃ и 9,6 г К ₂СО₃. Товарный выход Al ₂О₃ из исходной руды составил 85%.

Таблица 1
Влияние молярного соотношения R2O/Al 2О3 (где R - щелочной металл в пересчете на натрий) в шихте на товарный выход глинозема
Молярное соотношение R2O/Al 2О3 в шихте, ед.	0,90	0,95	1,00	1,15	1,20
Товарный выход глинозема, %	71	82	84	86	86

Таблица 2
Влияние температуры восстановительной плавки на количество получаемого ферросилиция, алюминатного сплава и шлама после выщелачивания сплава
Температура восстановительной плавки, °С	1420	1450	1500	1600	1660	1690
Количество получаемого ферросилиция, г	50,9	56,2	58,0	59,0	59,2	59,1
Количество получаемого алюминатного сплава, г	51,2	45,9	44,1	43,1	42,9	43,0
Количество шлама после выщелачивания сплава, г	10,44	5,16	3,34	2,35	2,14	2,15