Бағдарламасы (Syllabus) pga 3302- «Глинозем мен алюминий өндірісі»

Нефелиндер – жер қыртысындағы алюминий тотығының және сілтінің құрамы жоғары, салыстырмалы түрде кремний, темір-магнилі компоненттері аз өнім.

Құрамында алюминий оксиді 32-35% құрайтын нефелиннен алюминий тотығы жеңіл алынады.

Нефелин минералы (Na, K)₂O·Al₂O₃·2SiO₂ – натрий және калий алюмосиликаттары.

Минералдың атауы гректің «нефели» аспан бұлты деген сөзінен шыққан. Нефелин өнімінің құрамына нефелиннің өзінен басқа негізгі апатит немесе дала сілтілік шпаттары кіреді.

Қазақстанда нефелин рудалары Ақтөбе, Павлодар, Шығыс Қазақстан облыстарында қоры жағынан көбірек кездеседі .

Экономикалық тиімділігіне және құрамындағы алюминий тотығы мен сілтіге қарай Тасқұдық өңіріндегі нефелинді сиениттер келешекте өндіруге қолайлы аймақтың бірі болып табылады. Бұл аймақта көбінесе нефелинді және эпинефелинді сиениттер кездеседі.
Кесте 4 – Нефелинді сиониттердің химиялық құрамы

Рентгенфазалы талдау Тасқұдық өлкесіндегі нефелинді сиениттің негізгі фазасын цеолиттер тобына кіретін натролит екендігін көрсетті, яғни (Na₂O Al₂O₃· 3 SiO₂·2H₂O) c (d/n=6,59; 5,85; 4,64; 4,68 ^оА) және аз құрамды альбитте бар екендігі анықталды (d/n=4,11 және 3,25 ^оА).

Талдау сараптамалары бойынша сиенит 70% цеолиттен тұратындығы анықталды.
1.2 Саздар және ақсаздар

Саздар мен ақсаздар құрамында алюминиі бар кең таралған өнім болып табылады. Олардың құрамына алюминий ақсаз минералы ретінде кіреді Al₂O₃·2SiO₂ ·2H₂O. Саз бен ақсаздар өзара құрамдарындағы зиянды кварц, магний, темір және басқа металдардың сан мөлшерлері көп немесе аз екендігімен анықталады.

Ақсаздардың құрамында (оттөзімді саз) ол зиянды металдардың мөлшері аз.

Қазақстанда ақсаздың ең ірі орналасқан аймағы Көкшетау қаласына жақын Алексеевка доломит кенорыны.

Ақсаздың минералдық құрамы төмендегідей: 55-65% каолин, 20-35% кварц, 5% жуық калиі бар дала шпаты, 5-10% биотит.

Ал химиялық құрамы пайызға шаққанда мынадай: 57-70 SiO₂; 16,8-29,3 Al₂O₃; 0,04-2,07 Fe₂ O₃; 0,24-0,91 TiO₂; 0,14-0,41 CaO; 0,14-0,66 MgO; 0,66-2,06 (K₂O+ Na₂O); 0,1-0,006 SO₃; 5,5-9,7 шығын.

Саздардың орасан зор қоры бокситтермен бірге немесе соның маңайында Арқалық кенорындарында шоғырланған.

Арқалық кенорындарындағы саздың химиялық құрамы пайызға шаққанда төмендегідей (АР-3): 41,71 SiO₂; 35,10 Al₂O₃; 5,0 Fe₂ O₃; 2,8 TiO₂; 0,84 CaO; 0,5 Na₂O; 12,98 шығын.

Арқалық кенорындарындағы саздан алюминй тотығын өндіруге мынадай қолайлы мүмкіндіктер бар: біріншіден саздың қоры орасан зор; екіншіден саз жердің бетінде болғандықтан оны қазып алудың қажеті жоқ, сондықтанда қазу үшін қаржыны талап етпейді.

1.2.1 Таскөмірдің қалдық күлдері. Болашақта алюминий өндірісінде Екібастұз көмір әуітіндегі қалдық күлді қолдану әбден мүмкін және бүгінде бұл сұрақ өзекті мәселелердің бірі.

Екібастұз көмір әуітінің төңірегінде бірнеше жылу электр станциялары жұмыс істейді және олар 80 миллион тоннаға жуық көмірді тұтынады.

Көмірді жаққанда шамамен орташа 54% күлге айналады.

Күлдің құрамындағы алюминий тотығы шикізатты дайындауда ешбір шығынсыз қолданыла алады.

Күлдің пайызға шаққандағы химиялық құрамы: 59-64 SiO₂; 23-32 Al₂O₃; 2,9-9,1 Fe₂O₃ ;1,3 TiO₂; 1,1-3,9 CaO; 0,4-1,6 MgO; 0,5K₂O; 0,28 Na₂O; 0,0,6-1,1 SO₃.

Екібастұз көмірінің фазалық құрамының минералдық бөлімі пайызбен алғанда 28 кварцтан, 54 ақсаздан, 5 кальциттен, 2 магнезиттен, 2 гипстан және 10 сидериттен тұрады.

1.2.2 Домна қождары және серициттік концентраттар. Алюминий шикізатының көзі ретінде домна қожылары мен серициттық концентраттарды да қарастыруға болады.

Кесектелген магнитік лисаков концентратарының қорытылған алюмосиликат қожының химиялық құрамы: 21,28 SiO₂%; 24,44 Al₂O₃%; 48,18CaO%; 2,66MgO%; 0,56TiO₂%; 0,53FeO.

Алюмосиликаттық қождарының кристалооптикалық зерттеу нәтижелері олар негізінен γ-түрлендірілген қоскальцилі силикаттан –

2 CaO·SiO₂ (45-50%), гелениттен - 2 CaO·Al₂O₃·SiO₂ (25-30 %) және кальци алюминатынан – 3CaO·Al₂O₃(25-25 %) тұратындығын анықтады.

Құрамында алюминий тотығы мол темір рудаларының бай кенорындары 10 млрд. тоннаға жуық жалпы қорымен Костанай обылысының Лисаковск және Аят деген жерлерінде есепке алынған.

Балхаш фабрикасындағы қалдықтарды байыту кезіндегі алынған серицитті концентраттың химиялық құрамы төмендегідей: 32,1Al₂O₃%; 7,5K₂O%; 0,71 Na₂O%; 1,48Fe₂ O₃% ; 18 TiO₂%.

Серицитті концентраттардан алюминий тотығын, сілті және цемент алуға болады, негізінен серицит концентраттарының табылған жері Орталық Қазақстан.

Сонымен жоғарыда қарастырылған материалдарға сүйене отырып, Қазақстанның алюминий өндірісіне алюминий шикізатының әртүрлі минералогиялық және химиялық құрамымен орасан зор қоры бар мемлекет деп айтуымызға толық мүмкіндігіміз бар.

Ұсынылатын әдебиеттер: [3], 157-161 б.
3 тақырып. Глинозем қасиеттері. Глиноземның физико-химиялық қасиеттері. Глинозем – электролиз материалы ретінде.

4 тақырып. Алюминий шикізатынан глинозем алу әдістері.

Глинозем алудың сілтілік, қышқылдық және электротермиялық әдістерге сипаттама беру және оларды әртүрлі алюминий шикізатына қолданылуы. Сілтілік әдістің глинозем өндірісінде алатын басымдық мәні.

Алюминий шикізатынан алюминий тотығын өндірудің көптеген әдістері ұсынылғанымен іс жүзінде, амфотерлік қасиетіне байланысты әзірше сілтілік және қышқылдық тәсілдермен ғана алуға болады.

Әлемдік тәжірибеде қазіргі таңда тек сілтілік әдістер ғана қолданылып келеді, ал таза қышқылдық және қышқылды-сілтілік әдістер тәжірибе және жартылай өндірістік зерттеу деңгейінде тұр.

Өнеркәсіптерде бокситтен, нефелиннен, алуниттен сілтілік тәсілмен алюминий тотығын өндіру мынадай әдістерге бөлінеді:

– гидрохимиялық (Байер тәсілі);

– күйежентектелу (спекания тәсілі)

– тізбектелген-жүйелі үлгі (Байер тәсілімен күйежентектелу тәсілі қатар немесе жүйеленген түрлеріндегі тәсіл);

– нефелин рудаларын тек балқыту тәсілімен ғана өңдейді.

Алынған бокситті ары қарай қандай тәсілді қолданып өңдеуді анықтау үшін мынадай негізгі факторларға сүйенеді:

– кремнилік модуль;

– бокситтің құрамындағы алюминий тотығының мөлшері;

– зиянды қоспалардың құрамы (карбидтер, сульфидтер және органикалық заттар);

– шикізаттың минералогиялық құрамы.

Жоғарыда атап өткеніміздей Қазақстандағы бокситтердің құрамында зиянды қоспалардың көптігіне байланысты Байер әдісін қолдану экономикалық жағынан өте тиімсіз. Себебі Байерлік тәсілмен алюминий тотығын өндіргенде ерімейтін қызыл шлам ары қарай өңделмей үйіндіге жіберіледі. Қазақстан бокситтерін өңдегендегі шыққан қызыл шламның құрамында 24-27 г/л жуық Na₂O, 23-25 г/л жуық Al₂O₃ бар және қызыл шламдар қиын шөгіндіге түсіп, алынған алюминат ерітінділерін екі валентті темірмен ыластайды. Сондықтан құрамында керекті сілті мен алюминий тотығы бар қызыл шламды ары қарай өңдеп, қосымша алюминий тотығын алуға болатын, яғни Қазақстан бокситтерінен алюминий тотығын өндіретін бірден–бір тиімді тәсіл – бұл тізбектелген жүйелі технологиялық Байер-күйежентектелу сұлбасы.

Бұл тәсіл Қазақстанның шетелдерде бокситке ұқсайтын саз дейтін шикізаттан жылына 1 500 000 тонна алюминий тотығын өндіруге қолайлы бірегей сұлба.

Қолданылып жүрген технологиялық Байер тізбегімен бірге күйежентектелу тізбегі де Қазақстан бокситтерінің сапалық құрамына байланысты бастапқы классикалық үлгісінен әлдеқайда өзгерді.

Павлодар алюминий зауытындағы төменгі сапалы бокситтен жоғарғы сапалы алюминий тотығын өндіру, сапалы әрі тиімді жаңа технологиялық қондырғылардың арқасында іске асқан жұмыс деп білеміз.

Бокситтің химиялық және минерологиялық құрамының тұрақсыздығына байланысты технологиялық тізбектің гидрохимиялық және күйежентектелу тізбектерінеде әр уақытта озық технологиялық қондырғыларды енгізіп отырған абзал.

Енді Павлодар алюминий зауытының қазіргі таңдағы технологиялық тізбектеріне қысқаша тоқталып өтейік.

Ұсынылатын әдебиеттер: [3], 34-36 б.; [6], 44-45 б.
5 тақырып. Байер әдісімен бокситтен глинозем алу.

Әдістің жалпы сұлбасы. Байер әдісі арқылы глиноземді өндірудің физикалық және химиялық негіздері. Әдістің негізгі операциялары: сілтілеуге дайындау және сілтілеу; операцияның негізі сілтілеу кезінде негізгі боксит компоненттерінің сілтілі алюминатты ертінділермен әрекеттесуі. Бокситтерді сілтілеу технологиясы және жабдықтар; Қызыл шламды бөліп алу және шаю; Алюминаттық ерітіндінің декомпозициямен ыдырауы; Негізгі ертіндіні булау, буланған ертіндіден сода және органикалық қосылыстар бөлу; Алюминий гидроксилінің кальцинациясы, физико-химиялық ауысуы және жабдықтар.

Алюминий тотығын Байер әдісімен өндірудің мәні ұсақ ұнтақталған бокситті сілтілік ертіндімен өңдеп, бокситтің құрамындағы алюминий оксидін ерітіндіге натрий алюминаты ретінде көшіруде болып табылады.

Белгілі бір жағдайда натрий алюминаты ерітіндісі ыдырап, алюминий гидроксиді қатты фаза түрінде ажырап шығады.

Бөлінген алюминий гидроксидін жоғарғы температурада қыздырып дымқылсыз алюминий тотығын алады.

Австрия химигі К.И. Байер (1847-1904) 1890-шы жылдары Ресейде тоқыма өндірісіне қажетті бокситтен алюминий тотығын алудың жолдарын қарастыру үстінде екі маңызды жаңалық ашты. Кейінен ол жаңалықтар Байерлік тәсілдің негізін қалады.

Ол жаңалықтардың біріншісі - жаңа тұндырылған қордың әсерімен Al(OH)₃ натрий алюминаты ерітінділерін ыдыратып, алюминий гидроксидін қатты фазаға бөліп шығару. Бұл процесті Байер Петербург қаласындағы Тентел химиялық заводында тұңғыш рет жүзеге асырып, 1889 жылы патентеді.

Екінші жаңалығында (Кама өзені жағасындағы Елабуж заводында) Байер бокситтің құрамындағы алюминий тотығы сілтілік ерітінділермен ерітіліп, натрий алюминатын түзе алатындығын, және сілтілік ерітінді ретінде төл ерітіндіні қолдануға болатыны жайлы жария етіп, 1892 жылы патенттеді.

Сол XIX ғасырдан бері Байерлік тәсілге елеулі жаңалықтар енгізілді.

Ол жетістіктердің көпшілігі кеңес одағы дәуіріндегі ғылымдар үлесінде, атап айта кететін болсақ: Д.П. Маноев (1888-1934); Ф.Ф. Вольф (1892-1960); С.И. Кузнецов; В.А. Бернштейн; М.Н. Смирнов және тағы басқа да атақты ғылымдар. Бұл ғалымдар Байер тәсілінің теориясы мен технологиясына өздерінің елеулі үлестерін қосты.
3.1 Бокситті ерітінділеу

Ұсатылған бокситті алдымен диірмендерде ылғалдап ұнтақтайды, содан кейін айналымдағы жоғары концентратты сілтілік ертінділермен ерітінділейді.

Бокситтің құрамындағы алюминий оксиді гидроксид түрінде натрий гидроксидімен өзара әрекеттесіп, натрий моноалюминат ерітіндісіне өтеді
Al (OH) ₃ + NaOH Na Al (OH) ₄ (3.1)

гидраргиллит

диаспор мен бемит

Бокситтің құрамындағы кремнезем негізгі реакциалармен бір уақытта басқада төмендегідей реакцияларға түседі
2NaOH + SiO₂ = Na₂SiO₃ + H₂O (3.3)
1,7Na₂SiO₃ + 2NaAl (OH) ₄=

Na₂O·Al₂O₃·1,7 SiO₂·H₂O+ 3,4NaOH+1,3 H₂O (3.4)

натрий гидроалюмосиликаты
Соңғы (3.4) реакциясының жүруі натрий гидроалмосиликатының құрамында (НГАС) алюминий тотығы мен сілтінің жоғалуына ұшыратады, яғни бокcиттегі әр килограмм SiO₂ – ға бір килограмм Al₂O₃ және 0,608 кг Na₂O жоғалып отырады.

Осы реакция арқылы бокситтен химиялық немесе теориялық түрде алюминий тотығының қызыл шламмен жоғалғандағы санын ескере отырып оны қанша пайыз өндіруге болатынын есептеуімізге болады

Бокситтерді ерітінділеу жағдайы әртүрлі болып келеді. Жеңілашылатын гидраргиллитті бокситерді әдетте атмосфералық қысымда араластырғыштарда 105-107^оС шамасында ерітінділейді, ал қиын ашылатын қатты бемит, диаспор сияқты бокситтерді автоклав қондырғыларында 100-240°С аралығында ерітінділейді.

Ертінділегенен кейін пісірілген қойыртпақ алынады. Ол алюминат ерітінділерінен және қатты қалдық қызыл шламнан тұрады.

Алюминат ерітінділерінің маңызды көрсеткіштерінің бірі ол каустиктік модулі α_к