Спосіб переробки червоних шламів

Реферат: Спосіб переробки червоних шламів алюмінієвої промисловості включає одержання шихти, яка містить червоний шлам, вуглецевий відновник і матеріал, яким регулюють у шихті масове співвідношення SiO2/CaO, плавлення шихти з утворенням металевої частини розплаву та шлакової частини розплаву, видобування побіжного металу та наступну обробку шлакової частини розплаву. Шляхом введення вуглецевого відновника вміст вуглецю в шихті доводять до 3,5-5,5 мас. %. Як матеріал, яким регулюють у шихті масове співвідношення SiO 2/CaO, використовують пісок з вапняком або доломітом, введенням яких співвідношення SiO 2/CaO у шихті доводять до 1,3-1,5. Здійснюють плавлення шихти при температурі 1690-1790 °С, відливають шлакову частину розплаву у воду для її спінення та утворення пористого скломатеріалу, застосовуваного в будівництві. Металеву частину розплаву відливають у виливниці. UA 85719 U (12) UA 85719 U UA 85719 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до кольорової металургії, а саме до переробки червоних шламіввідходів, які утворюються в процесі виробництва алюмінію. Червоний шлам утворюється при очищенні бокситу (основна сировина для виробництва алюмінію) у виробництві глинозему в так званому Баєровому процесі (процес одержання чистого оксиду алюмінію). Червоний шлам, з якого видобуто оксид алюмінію, забруднений лугом і тому становить небезпеку для оточуючого середовища та людини. Щорічно до 10 млн. тонн таких відходів зливаються в шламосховища, незважаючи на те, що вони є перспективними джерелами цінних речовин. Сьогодні кількість накопичених (через відсутність економічно обґрунтованих способів переробки) відходів обчислюється сотнями мільйонів тонн. Хімічний склад червоних шламів неоднорідний. Вміст окремих компонентів у шламах за 8 пробами наступний (мас. %): АІ2О3 8,28-15,28 SiO2 10,40-15,56 СаО 8,28-15,28 Fe2O3 + FeO 45,61-59,32 ТіО2 1,12-5,31 Na2O 0,76-2,8 характеризується високим вмістом титану та фосфору (до 1%), і геленітвмісного шлаку для наступної переробки. Однак ця технологія економічно недоцільна внаслідок використання декількох дорогих пірометалургійних процесів, що супроводжуються високими тепло- та енерговитратами. Спосіб комплексної переробки червоних шламів, розкритий у книзі «Пирометаллургическая переработка комплексных руд» Л.И. Леонтьев, Н.А. Ватолин, СВ. Шаврин, Н.С. Шумаков. М.: Металлургия, 1997, включає відновлювальне плавлення шламу з вапняком і вугіллям при температурі 1500-1600 °С у послідовно розташованих пічних агрегатах. Цей спосіб дозволяє одержати два готові продукти - переробний чавун і алюмокальцієвий шлак, що саморозсипається. Відповідно до способу відновлювальної обробки червоних шламів, розкритому в патенті US 3876749, червоний шлам з'єднують з відновником, суміш розплавляють, а розплав розділяють на фазу сталі і фазу шлаку. У шлак поза піччю додають кальцинований продукт, забезпечуючи таку концентрацію, щоб разом з СаО вміст шлакової фази мав наступні молярні співвідношення SіO2, ТіО2, Fe2O3 i AI2O3 (±10%): CaO:SiO2=2; CaO:TiO2=1; CaO:Fe2O3=2 і СаО:АІ2О3=0,1-0,5. Продукт змішування плавлять при температурах від 1000 °С до 1600 °С у нейтральному або окислювальному середовищі і в подальшому за допомогою проведеного вилуговування розплаву одержують алюмінат натрію, що утворюється. Однак додавання в шлаки кальцинованого продукту та наступна термообробка при температурах від 1000 °С до 1600 °С вимагають значних додаткових витрат. З патенту RU 2428490 відомий спосіб переробки червоних шламів алюмінієвої промисловості, що включає одержання шихти, яка містить червоний шлам, вуглецевий відновник і боксит, яким молярне відношення вмісту СаО до SiO 2 у шихті доводять до величини не більше 1,2-1,4. Здійснюють плавку отриманої шихти при температурі 1500-1600°С з утворенням металевої частини розплаву та шлакової частини розплаву. Металева частина розплаву являє собою побіжний метал, що відливають у виливниці. В шлакову частину розплаву поза піччю при охолодженні додають вапняк і соду, доводять до концентрації з розрахунку утворення в одержуваному шлаку ортосилікату кальцію, ортофосфату кальцію, титанату кальцію та алюмінату кальцію і обробляють водяною парою. Недоліком цього способу є те, що в ньому передбачена позапічна додаткова переробка отриманих шлаків методом вилуговування, що несе значні економічні витрати. Після видобування зі шлаків ортосилікату кальцію, ортофосфату кальцію, титанату кальцію та алюмінату кальцію залишається шлак, який направляють у шлакові відвали. В основу винаходу поставлено задачу розробити безвідхідний екологічно дружній спосіб переробки червоних шламів. В способі переробки червоних шламів, що включає одержання шихти, яка містить червоний шлам, вуглецевий відновник і матеріал, яким регулюють у шихті масове співвідношення SiO2/CaO, плавлення шихти з утворенням металевої частини розплаву та шлакової частини розплаву, видобування побіжного металу та наступну обробку шлакової частини розплаву, відповідно до корисної моделі, поставлена задача вирішується тим, що шляхом введення вуглецевого відновника вміст вуглецю в шихті доводять до 3,5 - 5,5 мас. %, як матеріал, яким регулюють у шихті масове співвідношення SiO2/CaO, використовують пісок з вапняком або доломітом, введенням яких співвідношення SiO2/CaO в шихті доводять до 1,3 - 1,5, здійснюють 1 UA 85719 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 плавлення шихти при температурі 1690-1790°С, відливають шлакову частину розплаву у воду для її спінення та утворення пористого скломатеріалу, застосовуваного в будівництві, а металеву частину розплаву відливають у виливниці. Вміст вуглецю в шихті менш ніж 3,5 мас. % не забезпечує повного відновлення окислів заліза та титану до металевого стану. При плавленні шихти з вмістом вуглецю більше 5,5 мас. % порушуються термодинамічні характеристики: збільшується концентрація вуглецю в розплаві заліза та сплавів на його основі, підвищується концентрація карбідів групи тугоплавких металів титану, які залишаються в шлаковій фазі і суттєво впливають на утворення карбіду кремнію та кальцію, що призводить до значного зниження концентрації карбіду кремнію та кальцію в розплаві шлаків і, як наслідок, негативного впливу на формування пористого скломатеріалу. Якщо масове співвідношення SiO2/CaO буде менше 1,3, розплав шихти буде більш в'язким і відновленому металу буде важко опуститися в розплав металу, він залишиться в шлаковій фазі, внаслідок чого утворення пористого скломатеріалу не відбудеться. При масовому співвідношенні SіО2/СаО більш ніж 1,5 розплав перейде в більш низькотемпературну фазу, значно знизиться відновлення заліза, зміняться термодинамічні характеристики розплаву: збільшаться утворення королькового металу, витрата електричної енергії, знизиться електропровідність розплаву, що утруднить видобування продуктів переробки з плавильного агрегату. Краще як вуглецевий відновник використовувати антрацит, але можна використовувати, наприклад, деревне або буре вугілля, а також кокс. Краще нагрівання шихти до досягнення температури 1690-1790°С здійснювати зі швидкістю 16-18 °С/хв. Така швидкість розігріву шихтових матеріалів обумовлена оптимальною швидкістю фазових переходів окислів заліза (від вищих окислів до нижчого) і тугоплавких металів за реакцією твердофазного відновлення (МеО) + С = [Me] + СО та їхнього плавлення з наступним утворенням твердого розчину на основі заліза, здатного розчиняти в собі краплеподібний (розплавлений) і корольковий (губчастий) метал заліза, що утворюється, важких і тугоплавких металів. В інтервалі температур 1000-1100°С відбувається зсув термодинамічної рівноваги в газовій фазі убік утворення монооксиду вуглецю за реакцією 2СО2 = 2СО + О2 , що забезпечує більш повне відновлення металів з їхніх оксидів шляхом створення в системі псевдокиплячого шару. Відновлення в цьому періоді плавки відбувається за реакцією (МеО) + СО = [Me] + СО 2. В інтервалі температур 1530-1650 °С відбувається хороше розділення металевої та силікатної частин розплаву. Подальше підвищення температури до 1700-1790 °С забезпечує утворення необхідної кількості карбідів кремнію, кальцію та алюмінію, які мають у даному процесі подвійне призначення: сприяють спіненню силікатної частини розплаву в плавильному агрегаті та взаємодії оксидів металів, що знаходяться в шлаковому розплаві, з газовим відновником монооксидом вуглецю та забезпечують піноутворення при контакті шлакового розплаву з водою. Утворення високотемпературної піни та надлишкова концентрація СО в газовій фазі приводить систему до більш глибокого відновлення металів за реакцією (МеО) + СО = [Me] + СО2, більш повному осадженню відновлених металів із силікатного розплаву, а також сприяє видаленню розчинених газів з металевої фази. У процесі відновлювального плавлення відбувається і відновлення сірки (S), що міститься в природних шихтових матеріалах - піску та вапняку і при контакті з водою утворює сірководень (Н2S), що має неприємний запах. Тому бажано силікатну частину розплаву відливати у воду з концентрацією мідного купоросу (CuSO4 nH2O) 0,3-0,5 г/літр для його зв'язування в нерозчинні хімічні сполуки та видалення тим самим неприємного запаху з пористого скломатеріалу. Карбіди кальцію і кремнію, що утворюються в процесі плавлення, при контакті з водою утворюють велику кількість газів, які формують пористість скломатеріалу, що забезпечує його 3 одержання з коефіцієнтом теплопровідності 0,03-0,06 Вт/мК і насипною щільністю 50-150 кг/м . Далі наведені приклади здійснення винаходу. У всіх прикладах використовувалися складові шихти фракцій 0-50 мм. Для здійснення даного способу фракційний склад шихти не має принципового значення і її підготовка за однорідністю не потрібна. Приклад 1 В шихті, що включає червоний шлам, який має наступний склад (мас. %): АІ2О3 12,51 SiO2 14,56 СаО 13,98 Fe2O3 + FeO 52,52 ТіО2 3,63 Na2O 2,80, 2 UA 85719 U 5 10 15 20 25 30 довели вміст вуглецю до 3,5 мас. % додаванням відповідної кількості антрациту, а співвідношення SiO2/CaO + MgO до 1,3 додаванням піску та вапняку. Шихту розігрівали зі швидкістю 16 °С/хв.. до температури 1750 °С. При досягненні зазначеної температури розплав витримували протягом 30 хвилин, при якій за рахунок формування карбідів кремнію та кальцію в розплаві відбувається інтенсивне його насичення оксидом вуглецю (CO) - піноутворення, що сприяє активному перемішуванню шлаків і більш глибокому відновленню металів, а також якісному їх осадженню на подину плавильного агрегату. Після закінчення зазначеного часу шлакову частину розплаву відлили у воду з концентрацією мідного купоросу 0,3 г/літр. При цьому відбулося миттєве спінення маси. Металеву частину розплаву відлили у виливницю. Отриманий пористий скломатеріал мав усереднений коефіцієнт теплопровідності 0,036 Втм/К, 3 насипну щільність 90 кг/м , відповідав ТУ У В.2.7.-14.32553104-001-2004 «Щебень и песок искусственные пористые пеносиликатные» і мав наступний хімічний склад, мас. %: ТіО2 - 0,02, Fе2О3 -0,91, SiO2 - 52,00, СаО - 39,60, АІ2О3 - 6,70. Хімічний склад металевої фази був наступним, мас. %: Fe - 91,962, Ті - 1,988, Si - 5,150, С - не більше 0,900. Вихід металу склав 98,2 % від вихідного його вмісту в шлаку. Приклад 2 В шихті, що включає червоний шлам, який має наступний склад (мас. %): АІ2О3 8,43 SiO2 14,66 СаО 14,22 Fe2O3 + FeO 56,62 ТіО2 4,81 Na2O 1,26, довели вміст вуглецю до 4,5 мас. % додаванням відповідної кількості антрациту, а співвідношення SiO2/CaO до 1,5 додаванням піску та вапняку. Шихту розігрівали зі швидкістю 17°С/хв.. до температури 1770°С. Після досягнення зазначеної температури розплав витримували протягом 20 хвилин, при якій за рахунок формування карбідів кремнію та кальцію в розплаві відбувається інтенсивне його насичення оксидом вуглецю (CO) - піноутворення, що сприяє активному перемішуванню розплаву шлаків і більш глибокому відновленню металів, а також якісному їх осадженню на подину плавильного агрегату. Після закінчення зазначеного часу шлакову частину розплаву відлили у воду з концентрацією мідного купоросу 0,5 г/літр. При цьому відбулося миттєве спінення маси. Металеву частину розплаву відлили у виливницю. Отриманий пористий скломатеріал мав усереднений коефіцієнт теплопровідності 0,031 Втм/К, 3 насипну щільність 100 кг/м , відповідав ТУ У В.2.7.-14.32553104-001 -2004 «Щебень и песок искусственные пористые пеносиликатные» і мав наступний хімічний склад, мас. %: Fe2O3 - 0,33, SiO2 - 55,80, СаО - 37,90, ТіО2 - 0,09, АІ2О3 - 5,88. Хімічний склад металевої фази був наступним, мас. %: Fe - 90,745, Ті - 2,703, Si - 5,752, С - не більше 0,80. Вихід металу склав 99,6 % від вихідного його вмісту в шлаку. Приклад 3 В шихті, що включає червоний шлам, який має наступний склад (мас. %): АІ2О3 15,21 SiO2 12,02 CaO 10,65 Fe2O3 + FeO 59,12 3 UA 85719 U 5 10 15 20 25 30 35 TiO2 1,48 Na2O 1,52, довели вміст вуглецю до 5,5 мас. % додаванням відповідної кількості антрациту, а співвідношення SiO2/CaO до 1,4 додаванням піску та вапняку. Шихту розігрівали зі швидкістю 18 °С/хв.. до температури 1790 °С. Після досягнення зазначеної температури розплав витримували протягом 15 хвилин, при якій за рахунок формування карбідів кремнію та кальцію в розплаві відбувається інтенсивне його насичення оксидом вуглецю (CO) - піноутворення, що сприяє активному перемішуванню розплаву шлаків і більш глибокому відновленню металів, а також якісному їх осадженню на подину плавильного агрегату. Після закінчення зазначеного часу шлакову частину розплаву відлили у воду з концентрацією мідного купоросу 0,3 г/літр. При цьому відбулося миттєве спінення маси. Металеву частину розплаву відлили у виливницю. Отриманий пористий скломатеріал мав усереднений коефіцієнт теплопровідності 0,041 Втм/К, 3 насипну щільність 110 кг/м , відповідав ТУ У В.2.7.-14.32553104-001-2004 «Щебень и песок искусственные пористые пеносиликатные» і мав наступний хімічний склад, мас. %: Fе2О3 - 0,61, АІ2О3 -18,19, SiO2 - 48,74, CaO - 31,83, ТіО2 - 0,63. Хімічний склад металевої фази був наступним, мас. %: Fe - 84,51, Ті - 1,86, Si - 12,83, С - не більше 0,80. Вихід металу склав 98,9 % від вихідного його вмісту в шлаку. Метал, отримуваний описаним способом, може використовуватися як основа для виробництва спецсталей і сплавів, а з отриманого пористого скломатеріалу виготовляється продукція будівельного призначення - теплоізоляційний матеріал, легкі бетони, фільтри, кераміка, піноскло, скловолокно. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб переробки червоних шламів алюмінієвої промисловості, що включає одержання шихти, яка містить червоний шлам, вуглецевий відновник і матеріал, яким регулюють у шихті масове співвідношення SiO2/CaO, плавлення шихти з утворенням металевої частини розплаву та шлакової частини розплаву, видобування побіжного металу та наступну обробку шлакової частини розплаву, який відрізняється тим, що шляхом введення вуглецевого відновника вміст вуглецю в шихті доводять до 3,5-5,5 мас. %, як матеріал, яким регулюють у шихті масове співвідношення SiO2/CaO, використовують пісок з вапняком або доломітом, введенням яких співвідношення SiO2/CaO у шихті доводять до 1,3-1,5, здійснюють плавлення шихти при температурі 1690-1790 °С, відливають шлакову частину розплаву у воду для її спінення та утворення пористого скломатеріалу, застосовуваного в будівництві, а металеву частину розплаву відливають у виливниці. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як вуглецевий відновник використовують антрацит. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що нагрівання шихти до досягнення температури 1690 -1790 °С здійснюють зі швидкістю 16-18°С/хв. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що шлакову частину розплаву відливають у воду з концентрацією мідного купоросу (CuSO4 nH2O) 0,3-0,5 г/літр. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4