Комплексная технология переработки анодного сплава электролитического рафинирования алюминия

Актуальность работы. В настоящее время развитие металлургической промышленности сопровождается образованием значительного количества выведенных из хозяйственного оборота твердых отходов. Хранение отходов в отвалах и шламонакопителях является дорогостоящим предприятием и требует очень большого количества земельных площадей. Кроме того, хранение отходов ведет к опасному загрязнению окружающей среды и представляет реальную угрозу здоровью современных и будущих поколений.

Как правило, отходы содержат ценные металлы в концентрациях, превышающих в 2−10 раз их концентрации в рудах. Технико-экономические расчеты, опыт передовых технически развитых стран показывают, что извлечение цветных металлов из этих ресурсов эффективнее и дешевле, чем из первичного природного сырья. Вовлечение в переработку таких отходов позволяет решать задачи экологического, социально-экономического и научно-технического развития.

Одним из таких отходов может служить анодный сплав, представляющий собой остаточный продукт электролитического рафинирования алюминия методом трехслойного электролиза в расплавленных средах. Анодный сплав содержит, %: 50 — 60 алюминия, 30 — 35 меди, 4−8 железа, 1 — 3 кремния, 0,1 -0,3 галлия. Как видно из состава анодного сплава, данный продукт может являться источником получения галлия. Нельзя оставить без внимания высокое содержание в нем алюминия и меди. Поэтому задача разработки технологии комплексной переработки анодного сплава, в условиях сложившейся ситуации в металлургической промышленности, является актуальной.

Цель работы состоит в теоретическом обосновании и разработке технологии комплексной переработки анодного сплава.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач: — изучение кинетических закономерностей процесса выщелачивания анодного сплава щелочными растворами;

— выбор оптимальных условий проведения процесса разложения анодного сплава выщелачиванием;

— изучение влияния формы и размеров алюминиевых гранул на процесс цементации галлия из щелочных растворов;

— разработка технологической схемы извлечения ценных компонентов из анодного сплава с отработкой основных этапов технологической схемы;

— проведение опытно промышленных испытаний разработанной технологии.

Научная новизна работы. Определены величины кажущейся энергии активации процесса выщелачивания галлия, алюминия, меди и кремния из анодного сплава растворами едкого натра. Показано, что процесс растворения галлия протекает в диффузионной области, а алюминия, меди и кремния — в промежуточной. Установлено влияние исходной концентрации щелочи, температуры, продолжительности, отношения Т: Ж на степень извлечения составляющих анодного сплава в раствор.

Впервые определено влияние формы и размеров алюминиевых гранул на полноту извлечения галлия из растворов при цементации.

Рассчитана величина кажущейся энергии активации процесса растворения меди в аммиачном растворе из остатков от разложения анодного сплава. Установлено, что растворение меди протекает в диффузионной области. Определено влияние исходной концентрации аммиака, температуры, отношения Т: Ж на полноту перевода меди в раствор.

На основании проведенных исследований разработана теоретическая основа новой технологической схемы извлечения галлия, алюминия и меди из анодного сплава от электролитического рафинирования алюминия.

Практическая значимость работы. Разработана технологическая схема комплексной переработки анодного сплава с целью извлечения из него галлия, алюминия и меди. Использование разработанной технологии позволяет при переработке 1 т анодного сплава получить 3 кг металлического галлия, 300 кг основного карбоната меди и 500 кг глинозема. Достоинствами разработанной технологии является ее универсальность, безотходность производства, простота и безопасность осуществления процесса на несложном оборудовании, использование доступных реагентов, вписываемость в глиноземное производство, обеспечение глубокого извлечения ценных компонентов анодного сплава (алюминия, меди и галлия) в товарные продукты. Кроме того, использование данной технологии решает ряд вопросов по устранению загрязнения окружающей среды.

Проведены опытно-промышленные испытания вскрытия анодного сплава щелочными растворами и переработки полученных растворов цементацией «нестандартными» (отличающимися по форме, размерам и способу приготовления от применяемых ранее) алюминиевыми гранулами, подтверждающие результаты лабораторных исследований. Технология цементации галлия «нестандартными» алюминиевыми гранулами внедрена на галлиевом участке содового цеха Ачинского глиноземного комбината.

Выполнен расчет эффективности разработанной технологии. Показано, что годовая прибыль от внедрения разработанной технологии составит 17 млн руб. при переработке 500 т анодного сплава.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием современных химических и физико-химических методов: химико-аналитический, атомно-адсорбционный, рентгенографический анализ.

Достоверность научных положений, выводов и заключений обусловлена анализом большого объема экспериментальных данных, полученных с применением современных методов исследований, воспроизводимостью результатов в параллельных опытах и современными методами обработки с использованием компьютерной техники, а также результатами опытно-промышленных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты работ докладывались и обсуждались на зональной студенческой научно-технической конференции «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки руд» (Красноярск, 1996), на региональной студенческой научнотехнической конференции «Совершенствование технологий производства цветных металлов» (Красноярск, 1997), на второй международной конференции «Благородные и редкие металлы» (Донецк, 1997), на международной научной конференции «Металлургия 21 века: шаг в будущее» (Красноярск, 1998), на Всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки руд» (Красноярск, 1999), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техникиразвитию сибирских регионов» (Красноярск, 2000), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2000), на краевой научно-практической конференции «Новые технологии для управления и развития регионов» (Красноярск, 2000), на научном фестивале «Молодежь и наука — третье тысячелетие» (Красноярск, 2000).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3 статьях и в 11 тезисах докладов.

На защиту выносится:

— кинетические закономерности процесса растворения галлия и алюминия из анодного сплава в щелочном растворе, показывающие, что процесс растворения галлия протекает в диффузионной области, а алюминия — в промежуточной;

— результаты исследований выделения галлия из растворов после выщелачивания анодного сплава цементацией алюминиевыми гранулами различного типа;

— кинетические закономерности растворения меди из остатков от выщелачивания анодного сплава в аммиачно-карбонатных растворах, показывающие что растворение меди протекает в диффузионной области;

— разработанная технология переработки анодного сплава, позволяющая извлекать ценные составляющие анодного сплава (галлий, медь и алюминий) в товарные продукты. 8.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературысодержит, НО страниц основного текста, в том числе 40 рисунков, 14 таблиц и список литературы, состоящий из 73 наименований. В приложение включены документы, подтверждающие практическое применение работы.

ЗАКЛЮЧЕНШ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Диссертация является законченным научным исследованием, направленным на решение актуальной для цветной металлургии задачи, В данной работе в практическом отношении решаются одновременно две взаимосвязанных проблемы: первая — сырьевая, вовлекается в переработку нетрадиционное сырье — анодный сплав, представляющий собой остаточный продукт электролитического рафинирования алюминия методом трехслойного электролиза в расплавленных средахвторая — проблема комплексного использования сырья, так как разработанной технологией предусматривается получение сразу нескольких товарных продуктов: галлия, основного карбоната меди и глинозема.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. На основании анализа литературных данных для переработки анодного сплава с целью извлечения из него ценных компонентов выбрано щелочное вскрытие. Данный способ позволяет эффективно отделить хорошо растворимые в щелочи алюминий и галлий, от практически нерастворимых меди и железа, а также не нарушает общей технологии глиноземного производства.

2. Изучен состав анодного сплава. Показано, что основными составляющими анодного сплава являются алюминий, медь, железо, кремний, содержание которых соответственно 50, 30, 4 — 5%. Содержание галлия в анодном сплаве 0,25 — 0,6%. Рентгенографический анализ показал, что в анодном сплаве присутствует кремний, окисленная и металлическая медь, соли бария. Линий, характерных для железа и алюминия не обнаружено, что связано с наличием в анодном сплаве интерметаллических соединений и твердых растворов.

3. Изучено влияние крупности анодного сплава на переход галлия и алюминия из анодного сплава в щелочной раствор. Показано, что оптимальная крупность для выщелачивания «0,16 — 0,2 мм» и «1 — 2 мм», при которых извлечение галлия в раствор максимально.

4. Получены кинетические уравнения, позволяющие определить продолжительность выщелачивания галлия и алюминия из анодного сплава щелочными растворами.

5. Изучены кинетические закономерности процесса выщелачивания галлия, алюминия, меди и кремния из анодного сплава. Установлено, что для галлия, алюминия, меди и кремния кажущаяся энергия активации процесса растворения соответственно равна 39,8 кДж/моль, 27,39 кДж/моль, 12,74 кДж/моль и 7,17 кДж/моль, а порядок реакции соответственно 1- 0- 0,2 и 0,3 что указывает на промежуточную область протекания процесса растворения алюминия, меди и кремния. Растворение галлия характеризуется диффузионной областью протекания процесса.

6. Изучено влияние основных параметров процесса выщелачивания анодного сплава щелочными растворами на степень извлечения галлия и алюминия. Установлено, что оптимальными условиями являются: исходная концентрация едкого натра в растворе 150 — 200 г/л, отношение Т: Ж = 1:10, температура 40 — 80ЛС, продолжительность выщелачивания 30 — 60 мин. В этих условиях извлечение галлия в раствор 90−100%, а алюминия 82%.

7. Изучен состав нерастворимого остатка после выщелачивания анодного сплава. Показано, что нерастворимый остаток содержит от 35 до 50% меди, медь представлена в виде оксидов меди и частично алюминатов.

8. Изучена кинетика выщелачивания остатков аммиачно-карбонатными растворами. Определена кажущаяся энергия активации (19 кДж/моль), что указывает на протекание процесса растворения щелочных медных остатков в диффузионной области. Определены оптимальные условия процесса выщелачивания меди из остатков: температура процесса 40 — 70 °Сконцентрация аммиака 150 г/лконцентрация карбоната аммония 70−80 г/лТ:Ж =1:10. При этом извлечение меди составляет 90 — 97%.

9. Проведены исследования по замене стандартных алюминиевых гранул на гранулы иной формы. Изучено влияние формы и размеров алюминиевых гранул на извлечение галлия. Показано, что наилучшие результаты получаются при использовании в качестве цементатора алюминия в виде пустотелых «хвостов».

Ю.Опытно-промышленные испытания процесса выщелачивания анодного сплава на действующем оборудовании галлиевого участка содового цеха ОАО «АГК» показали, что извлечение галлия в раствор при выщелачивании анодного сплава составило 95% (концентрация в растворе 1,1 г/л), алюминия — 89,3% (65 г/л). Полученный остаток от выщелачивания содержит 39,7% меди, является сырьем для получения черновой меди.

11. Промышленные испытания по выявлению возможности замены «стандартных» алюминиевых гранул при цементации галлия показали, что нестандартные алюминиевые гранулы позволяют вести процесс цементации с таким же расходом алюминия, что и при ведении процесса цементации «стандартными» алюминиевыми гранулами. Однако при этом порционная загрузка должна составлять 150 — 170 грамм алюминия, а исходная температура раствора не выше 40 — 45 ЛС. Разработанная технология цементации галлия нестандартными алюминиевыми гранулами внедрена на галлиевом участке содового цеха Ачинского глиноземного комбината.

12. Разработана аммиачно-карбонатная технология переработки медьсодержащих остатков. Технология включает: выщелачивание остатков аммиачно-карбонатными растворами в оптимальном режиме с целью перевода меди в раствор, переработку медьсодержащих растворов дистилляцией с получением осадка основного карбоната меди.

13. На основании проведенных лабораторных исследований разработаны и опробованы в промышленном масштабе отдельные этапы технологической схемы комплексной переработки анодного сплава. Результаты опытно-промышленных испытаний показали, что при переработке 1 т анодного.

103 сплава может быть получено 3 кг металлического галлия, 300 кг основного карбоната меди и 500 кг глинозема. 14. Разработанная технология является безотходной, легко вписывается в глиноземное производство, обеспечивает глубокое извлечение ценных компонентов в товарные продукты, решает ряд вопросов по устранению загрязнения окружающей среды, подтверждается высокими технико-экономическими показателями. Проведен ориентировочный расчет экономической эффективности от внедрения разработанной технологии. Показано, что годовая прибыль без учета налогообложения составит 17 млн руб. (цены приведены на ноябрь 2001 г.).