CC BY
38
УДК 669.712
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОЗВРАТНОЙ ПЫЛИ ПЕЧЕЙ СПЕКАНИЯ БОКСИТОВЫХ ШИХТ
© И.В. Логинова1, А.А. Шопперт2, Л.И. Чайкин3
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 620002, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.
Проведено исследование физико-химических характеристик возвратной пыли спекательных печей уральских алюминиевых заводов, работающих по параллельному варианту процесса Байер-спекание. Инфракрасная (ИК) спектрометрия и рентгеноспектральный анализ образцов пыли с различных аппаратов системы пылеулавливания показали, что наибольшее количество каустической щелочи содержится в пыли электрофильтров. Дальнейшее исследование позволило подтвердить, что данная фракция пыли может быть использована в качестве полезной добавки при выщелачивании бокситов в цикле Байера.
Ключевые слова: процесс Байер-спекание; печь спекания; пыль электрофильтров; ИК-спектрометрия; рентгеноспектральный анализ; синхронный термический анализ
STUDYING PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF BAUXITE SINTERING FURNACE RETURN DUST I.V. Loginova, A.A. Shoppert, L.I. Chaikin
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Eltsin, 19 Mir St., Yekaterinburg, 620002, Russia.
Physical and chemical characteristics of the return dust of sintering furnaces of Ural aluminum smelters operating on a parallel variant of Bayer-sintering process are studied. IR spectroscopy and X-ray analysis of dust samples from different devices of the dust collection system have shown that the greatest amount of caustic alkali is contained in the dust of electrostatic precipitators. Further investigation has confirmed that this dust fraction can be used as beneficial additives in bauxite leaching in the Bayer cycle.
Keywords: Bayer sintering process; sintering furnace; electrostatic dust; infrared spectrometry; X-ray analysis; simultaneous thermal analysis
Введение
При спекании в трубчатой вращающейся печи бокситовых шихт, включающих боксит, соду, известняк и воду, помимо спе-ка образуется большое количество пыли (по практическим данным Уральского алюминиевого завода, до 50-60% от загружаемой шихты).
Причиной образования пыли является то, что загружаемый в печь материал находится в постоянном движении, перемешивается и истирается о футеровку. В результате его часть из различных зон печи увлекается отходящими газами и в виде пыли уносится во внепечное пространство,
где улавливается системой газоочистки. На уральских алюминиевых заводах система газоочистки состоит из пылевой камеры, группы циклонов и электрофильтра.
И.В. Логиновой, Ю.Н. Логиновым, Л.И. Чайкиным, А.А. Молочковым был предложен способ переработки бокситов на глинозем, который включает использование пыли электрофильтров в ветви Байера параллельного варианта процесса Байер-спекание. Данный способ позволяет повысить степень извлечения глинозема в раствор и утилизировать наиболее мелкую фракцию пыли, имеющую наибольшую кратность пылевозврата (количество цик-
1
Логинова Ирина Викторовна, кандидат технических наук, профессор кафедры металлургии тяжелых цветных металлов, e-mail: loginova_irina@mail.ru
Loginova Irina, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Metallurgy of Heavy Non-ferrous Metals, e-mail: loginova_irina@mail.ru
2Шопперт Андрей Андреевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры металлургии тяжелых цветных металлов, e-mail: andreyshop@list.ru
Shoppert Andrei, Candidate of technical sciences, Assistant Professor of the Department of Metallurgy of Heavy Non-ferrous Metals, e-mail: andreyshop@list.ru
3Чайкин Леонид Иванович, ведущий инженер кафедры металлургии тяжелых цветных металлов, e-mail: leonidii91073@gmail.com
Chaikin Leonid, Leading Engineer of the Department of Metallurgy of Heavy Non-ferrous Metals, e-mail: leonidii91073@gmail.com
лов, которое проходит пыль через систему пылевозврата, прежде чем она перейдет в спек). Большое значение кратности пыле-возврата означает высокие потери тепла, при этом пыль электрофильтров составляет 15% от общей массы пылевозврата [1].
В предыдущем нашем исследовании [2] также было показано, что при совместном выщелачивании бокситов, спеков и пыли электрофильтров положительное влияние на процесс оказывают повышенные температуры. Механизм ускоряющего действия пыли электрофильтров и температуры на совместное выщелачивание бокситов и спеков до конца не изучен и требует дополнительных исследований.
В работе [3] было изучено влияние пыли электрофильтров на седиментацион-ные свойства красного шлама спекательно-го передела, однако при этом ускоряющего действия пыли электрофильтров на отстаивание красного шлама ветви Байера не наблюдалось. Для объяснения данного явления также требуются дополнительные исследования.
Актуальность утилизации пыли печей спекания также показана в исследованиях спекательных переделов производств АО «Алюминий Казахстана» и ОАО «РУ-САЛ Ачинск» [4, 5], но состав и свойства возвратной пыли на различных предприятиях очень сильно отличаются, так как они напрямую зависят от используемого исходного сырья, состава шихты и параметров процесса спекания.
Исходя из вышеизложенного, требуется углубленное изучение состава и свойств спекательной пыли уральских алюминиевых заводов. Цель данной работы - путем исследования физико-химических характеристик возвратной пыли спекательных печей бокситовых шихт найти объяснения явлениям, обнаруженным при использовании пыли электрофильтров на различных стадиях процесса Байер-спекание.
Материалы и методы исследования
В проведенном исследовании в качестве исходных материалов были исполь-
зованы: двух- и трехкомпонентные спеки и пыли спекательных печей Богословского и Уральского алюминиевых заводов и оборотный раствор ветви Байера Уральского алюминиевого завода (Na2Oi< = 315,1 г/дм3; А12О3 = 142,1 г/дм3; каустический модуль раствора (ак) = 3,65).
Опыты с выщелачиванием возвратной пыли проводились в стальных лабораторных автоклавах, помещенных в воздушный термостат. После необходимой выдержки пульпу разбавляли в два раза и фильтровали при помощи вакуумного фильтра. Твердый остаток промывали горячей дистиллированной водой и подвергали сушке в сушильном шкафу при 110оС в течение 12 часов. Затем твердый остаток анализировали для определения химического состава.
Исследование химического состава твердого остатка и возвратной пыли электрофильтров двух- и трехкомпонентных шихт печей спекания уральских заводов проводилось методом рентгеноспектраль-ного флуоресцентного анализа (РФА). Для этого использовался рентгенофлуорес-центный волнодисперсионный спектрометр последовательного действия XRF-1800 фирмы Shimadzu, Япония.
ИК-спектрометрию проводили на ИК-Фурье-спектрометре ФСМ-1201. Рент-геноспектральный анализ выполнялся на приборе XRD-7000, а синхронный термический анализ - на дериватографе Diamond TG-DTA.
Результаты и обсуждение
Известно, что при подготовке бокситовой шихты в качестве реагентов используются известняк и оборотная сода, которые при разложении взаимодействуют с составляющими минералами боксита с получением новых соединений. Образующаяся при спекании пыль, в отличие от общей массы спека, быстро проходит все зоны печи спекания, что препятствует полному протеканию всех твердофазных реакций.
Для того чтобы изучить состав и свойства пыли печей спекания, были проведены различные физико-химические методы анализа. За счет кратности пылевоз-
врата усредняется химический и минералогический составы пыли, что видно по результатам ИК-спектрометрии образцов пыли Уральского алюминиевого завода (рис. 1).
На рис. 1 видно, что в районе 35003800 см-1 наблюдаются два интенсивных
л
пика с максимумами 3620 и 3530 см-1, которые указывают на валентные колебания химических связей иН - ОН [6], характеризующие наличие в соединении гидроксил-ионов, что косвенно указывает на присутствие гидроксидов щелочных металлов.
Судя по интенсивности пиков, преобладающее количество химических связей подобного типа находится в пыли электрофильтров (спектр 3). Это также подтверждается из рентгенограмм сравнения всех видов пыли двухкомпонентных шихт (рис. 2).
На рис. 2 видно, что дифракционные отклонения (5,667; 2,834; 2,343 А), соответствующие МаОИ [6], имеют более интенсивные пики на рентгенограмме пыли электрофильтров.
Следовательно, наибольшее количество каустической щелочи обнаруживается в пыли электрофильтров (ПЭФ), поэтому данная фракция была подвергнута дальнейшему исследованию методом синхронного термического анализа (рис. 3).
Эндотермические эффекты при 246 и 292оС, а также при 456 и 518оС указывают на присутствие смеси карбонатов кальция и алюминия - ГКАК (гидрокарбоалюмината кальция), о чем свидетельствует и эндотермический эффект при 776оС. На это также указывает ступенчатое удаление структурированной воды в процентах: 21-200оС - 9,6%; 200-360оС - 2,3%; 360-580оС - 5,8%; 580-780оС - 7,1% [7].
Исследование возвратной пыли электрофильтров двух- и трехкомпонент-ных шихт печей спекания уральских заводов на количественный состав было проведено методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа (РФА). В табл. 1 представлен химический анализ ПЭФ двух-компонентной шихты, для сравнения также показан химический состав спека.
Рис. 1. Результаты ИК-спектрометрии сравнения пыли, улавливаемой на различных стадиях системы пылеулавливания: 1 - пылевая камера; 2 - группа циклонов; 3 - электрофильтр (двухкомпонентная шихта)
Рис. 2. Рентгенограмма сравнения интенсивности различной пыли: 1 - электрофильтров; 2 - группы циклонов; 3 - пылевой камеры
Рис. 3. Результаты синхронного термического анализа пыли электрофильтров
Как видно из данных табл. 1, химические составы ПЭФ и спека значительно отличаются друг от друга. В первую очередь, это связано с незавершенностью процесса спекания пыли, которая достаточно легкая и очень быстро проходит горячие зоны печи.
Далее, для исследования возможности использования пыли электрофильтров при совместном выщелачивании с бокситами, проводились опыты по выщелачиванию пыли с оборотным щелочно-алюминатным раствором при температуре 90оС - при нормальных условиях и 240оС -в автоклаве; во всех опытах отношение Ж : Т = 3. Данные РФА отображены в табл. 2.
Исходя из полученных данных, делаем вывод, что при температуре 90оС, при прочих равных условиях, в количественном составе изменений проб ПЭФ двух- и трех-компонентных шихт почти не произошло, но следует отметить, что кремневый модуль пыли двухкомпонентной шихты значительно увеличился. Имея кремневый модуль больше 12, твердая фаза, полученная после выщелачивания ПЭФ двухкомпонент-ной шихты в воде или щелочно-алюминатном растворе, может быть ис-
Химический состав пыли
пользована как сырье классического процесса Байера.
Наибольшие изменения в химическом составе видны при автоклавном выщелачивании ПЭФ, поэтому красные шла-мы, полученные при выщелачивании пыли при 240оС, были подвергнуты синхронному термическому анализу (рис. 4, 5).
На кривой ДТА (тепловой эффект) наблюдается характерный экзотермический пик при 430,50оС. Это указывает на появление в структуре красного шлама нового соединения, не наблюдаемого при выщелачивании боксита в данных условиях, -алюможелезистого гидрограната (АЖГГ).
Предположительно появление АЖГГ связано с тем, что кальцит, взаимодействуя с каустической щелочью, переводит ее в карбонатную. Высвобождается активный кальций, который далее может взаимодействовать с шамозитом с образованием алюможелезистых гидрогранатов. Примерный химический состав этих соединений отвечает следующей формуле: 3СаО-(0,7А12<Эз + 0,3Ре20з)^Ю2пН20. Остальное вещество в образце представляет собой гематит, который является термоинертным соединением.
Таблица 1
электрофильтров и спека
Элементы ППП AI2O3 SIO2 Na2O K2O MgO CaO Fe2Os
ПЭФ 2к, % 24,80 25,50 2,49 28,30 0,44 0,10 2,50 12,20
Спек 2к, % 0,50 34,80 3,99 33,00 0,32 0,80 4,76 16,60
ПЭФ 3к, % 25,70 25,00 3,70 23,90 0,23 0,20 6,90 10,40
Спек 3к, % 0,60 33,10 5,12 27,50 0,32 2,00 11,20 14,80
Таблица 2
РФА шламов ПЭФ двух- и трехкомпонентных шихт, полученных после
выщелачивания в оборотном щелочно-алюминатном растворе
Элемент ППП AI2O3 SIO2 Na2O K2O MgO CaO Fe2O3 TIO2 S
2-хкомп. 90оС 14,00 36,26 3,91 1,94 0,27 0,82 4,39 34,74 3,06 0,34
3-хкомп. 90 оС 13,80 38,19 5,52 1,94 0,33 0,82 7,68 28,91 2,34 0,40
2-хкомп. 240оС 8,30 12,44 9,05 6,25 0,23 0,76 16,48 41,00 4,23 1,04
3-хкомп. 240оС 10,30 14,58 9,73 6,34 0,38 0,79 19,57 34,50 2,92 0,89
К
S
"и;
3 о
О -о.эо
га Ж ja
с; -«.35
15 ю
^ -0,*0
90
га" о о га
го|\ DTG 1 ----1 425 00 *С В ООО-с <MhV
\ Г»
70 00*С 3.0315 mg/mi у \ ч циЛ mgymin
/ 1 \ V
\ V4 41
430 24 * V. 48 3387 Л4 mW -1
/ / V \\ \ ч —. ....______
/ / / / / 1338.00 У 34 1900 1 lW \ Delta Y = ' \ 558% i5-170)*C —. _____^ ■4 ч 'ч^
/ / / Deila Y =! (1: Deila Y = 1 « 194% 0-425)4: 394% 25-8001*0 ч ч Ч ч ч ч
/ / ЭТА j Deila Y = 0 <эа 103% -1150)*C ч \ ч ч \
.Л5ООО • 3.133 ■с mW Deila Y - 8 (25-1150)1 249 % PerldnElm \ \ t
н со
50
S к
«о <Ц
•е-
Г)
эо
О Ш О
£
100 200 ЭОО 400 500
700 ООО 900 1000 1100 1160
Температура, С
Рис. 4. Результаты синхронного термического анализа шлама двухкомпонентной пыли
Температура, "С Рис. 5. Результаты ДТА шлама трехкомпонентной пыли
На дериватограмме рис. 5 видны те же эффекты, что и на дериватограмме предыдущего образца: физическая влага всего 0,9% (до 160оС); ГАСН - 9,0%; экзотермический пик при 430,50оС почти отсутствует. Это обусловлено тем, что при подготовке трехкомпонентных шихт бокситы Тимана не дозируются, а в основе идет высоко карбонизированный боксит СУБРа (технологические особенности БАЗа). Также имеется экзотермический пик при 880оС, который относится к началу полиморфных превращений в ГАСНе.
В результате пыль электрофильтров, в особенности полученная при спекании двухкомпонентных шихт, можно использовать как дополнительный компонент в ветви гидрохимии, так как в ее составе больше всего каустической щелочи и ее присутствие при выщелачивании в процессе Байер-спекания способствует образованию алюможелезистых гидрогранатов.
Выводы
1. Методами рентгенофазового и ИК-спектрометрического анализов выявлено, что содержание каустической щелочи в пыли спекательных печей увеличивается по мере уменьшения размеров частицы. Наибольшее количество каустической щелочи обнаружено в пыли электрофильтров.
1. Пат. № 2360865 C1, РФ, МПК C01F 7/06, C01F 7/38. Способ переработки бокситов на глинозем / Логинова И.В., Логинов Ю.Н., Чайкин Л.И., Молоч-ков А.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет - УПИ». № 2007144804/15; заявл. 03.12.07; опубл. 10.07.09. Бюл. № 19.
2. Логинова И.В., Шопперт А.А., Чайкин Л.И. Влияние добавки пыли электрофильтров печей спекания на совместное выщелачивание бокситов и спеков // Металлург. 2015. № 8. С. 64-68.
3. Чайкин Л.И., Шопперт А.А. Влияние пыли электрофильтров на процесс сгущения красных шламов в цикле Байера // Научно-технический вестник Поволжья. 2015. № 4. С. 145-147.
4. Абикенова Г.А., Ковзаленко В.А. Утилизация пыли электрофильтров печей спекания с выделением
2. Впервые показано появление в пыли электрофильтров нового составляющего - гидрокарбоалюмината натрия. Наличие гидрокарбоалюмината натрия в составе пыли электрофильтров объясняет ее коагулирующие свойства при сгущении красного шлама.
3. Установлено, что химические составы ПЭФ и спека значительно отличаются друг от друга. В первую очередь, это связано с незавершенностью процесса спекания пыли, которая достаточно легкая и очень быстро проходит горячие зоны печи. Незавершенность процесса спекания ПЭФ подтверждается ее выщелачиванием при 90оС, так как при этом большая часть глинозема концентрируется в шламе. Значительная часть кремнезема переходит в раствор, в результате образуется продукт, который может быть использован для получения глинозема по классическому варианту Байера.
4. Показано, что при выщелачивании пыли электрофильтров при 240оС в оборотном алюминатном растворе в шламе появляются алюможелезистые гидрогранаты. Это подтверждает обнаруженный ранее эффект уменьшения потерь каустической щелочи и глинозема при выщелачивании бокситов совместно с пылью электрофильтров.
Статья поступила 12.01.2016 г.
чий список
соединений серы: сб. докладов XIII Международной конференции «Алюминий Сибири-2007». Красноярск: ООО «Версо», 2007. С. 247-249.
5. Жижаев А.М., Шепелев И.И., Бочков Н.Н., Саха-чев А.Ю. Исследование состава и морфологических характеристик пыли электрофильтров печей спекания глиноземного производства ОАО «РУСАЛ АЧИНСК» с целью ее использования: сб. докладов VII Международного конгресса «Цветные металлы и минералы». Красноярск, 2015. Красноярск: ООО «Версо», 2015. С. 317-320.
6. Ни Л.П., Халяпина О.Б. Физико-химические свойства сырья и продуктов глинозёмного производства. Алма-Ата: Наука, КазССР. 1978. 249 с.
7. Цветков А.И., Вальяшихна Е.П., Пилояш Г.О. Дифференциальный термический анализ карбонатных минералов. М.: Наука, 1963. 168 с.
