Жербалшықты өндірудің негізгі әдістері

Кіріспе

 

 

Алюминий –  қолдану сферасы әрдайым кеңейіп отыратын металл. Өнеркәсіптің және халық шаруашылығының бірқатар аймақтарында дәстүрлі қолданылатын металдар мен қорытпаларды табысты алмастыруда. Алюминийді қолданудың қарқынды дамуы оның тамаша қасиеттерімен түсіндіріледі, оның ішінде ең алдымен төмен тығыздықпен бірге сай келетін жоғары беріктігі, қанағаттанарлықтай коррозиялық тұрақтылығы, құю, қысымдау және кесу кезінде өзінің формасын жақсы өзгертуі; әртүрлі конструкцияларда алюминийден жасалған бөлшектерді дәнекерлеу, жабыстыру және басқа тәсілдер арқылы жалғау мүмкіншілігі; бетін қорғайтын және әртүрлі декоративтік жағулар қолдану мүмкіншілігі болып табылады.

Алюминий кеңінен авиациялық өнеркәсіпте, электротехникалық өнеркәсіпте, автоқұрылыста, құрылыста, химиялық және тамақ өнеркәсібінде, аспап жасауда, кеңінен тұтынылатын аспаптар өндірісінде және т.б. қолданылады. Алюминийдің тұрғын үй құрылыстарында қолданылуы артуда.

Қазіргі заманда өнеркәсіптің алюминийді қолданбайтын саласы жоқ.

Осының барлығы жер қыртысындағы алюминийдің көп қорларымен бірге алюминийді өндіру және тұтынудың даму перспективаларын жоғары етеді.

Қазіргі кезде өндірілетін  алюминий оның тотығын – жербалшықты  ыдырату арқылы ғана өндіріледі.

Жербалшық өндірісі –  алюминий тотығын әртүрлі алюминий кендерінен өндірудің техникалық шешімдерінің күрделі кешені болады. Өндіріске әртүрлі технологиялық сызбанұсқалардың және процестердің көп мөлшері кіреді, сонымен қатар әртүрлі гидрометаллургиялық және пирометаллургиялық жабдықтаулардың кең ассортименті қолданылады.

Алюминий кендерінен жербалшықты алу – көптоннажды  өндіріс. Қазіргі заманғы жербалшық  зауыттарының қуаттылығы жылына 200-ден 1500 мың тонна Al₂O₃; орташа және үлкен қуатты зауыттарда ерітінділердің  сағаттық ағындары 1000-2000 м³ болады. Өндірісте қуатты жоғары өнімді жабдықтаулар қолданылады.

Жербалшық өндірісі –  кешенді өндіріс, себебі бокситтерден жербалшықтан басқа галлий, ванадий, темір және т.б. өндіріледі.

Біздің еліміздегі алюминий өндірісінің даму ерекшелігі, соның  ішінде жербалшық өндірісінің ерекшелігі шикізаттың жоғарыкремнийлі түрлерін – бокситті кендерді, небары кең масштабты қолдануы болып табылады.

Жоғарыкремнийлі шикізаттан жербалшықты Байер-пісірудің бірізді  әдісмен алады. Бұл әдіспен жербалшықты  өндіруде басты орындардың біріне шламды пісірінділерді сілтілеу ие болады.

Қазіргі уақытта өнеркәсіпте  құрамдары әртүрлі болатын алюминатты пісірінділерді сілтілеу бойынша үлкен  тәжірибе жиналған.

 

 

 

1 Жербалшықты өндірудің негізгі әдістері

 

 

Қолданылатын шикізаттың құрамы мен қасиеттеріне байланысты өнеркәсіпте жербалшықты әртүрлі  әдістермен алады.

Қазіргі кезде әлемдік  тәжірибеде жербалшықты өндіру үшін бокситтер, нефелиндер және алуниттер қолданылады. Небары төменсапалы шикізатты: каолиндерді, балшықтарды, аргилиттерді, сілтілік алюмосиликаттарды, көмірлердің күлдерін, сланецтерді және т.б. жақын перспективада қолдану болжалуда.

Шикізаттың бұл түрлері  үшін сілтілік, қышқылдық және құрандалы  қышқыл-негіздік әдістерге негізделген  технологиялық сызбанұсқалар дайындалған. Қазіргі уақытта жербалшық барлық мөлшері дерлік сілтілік әдістермен алынады, олар әрі қарай гидрохимиялық, термиялық және құрандалы сілтілік болып бөлінеді

Өнеркәсіпте жербалшықты алудың келесі сілтілік әдістері қолданылады:

1) Байер әдісі (гидрохимиялық әдіс) – жоғарысапалы бокситтер мен алуниттерге қатынасты қолданылады.

2) Әктаспен немесе әктас және содамен пісіру әдісі – төменсапалы (жоғарыкремнийлі және жоғарытемірлі бокситтер) және нефелинді кендерге қатынасты қолданылады.

3) Байер-пісірудің құрандалы әдісі (Байер әдісі мен пісіруді параллельді және бірізді нұсқаларында) - әртүрлі бокситтерге қатынасты қолданылады.

Байер әдісі – ең арзан және небары кең тараған. Ол алюминатты ерітінділердің жоғары температуралар мен жоғары концентрацияларда  метатұрақты күйде болуына және олардың температура мен қысым төмендеген кезде алюминий гидрототығының тұнбаға түсуімен өздігінен ыдырауына (гидролизге) негізделген. Әдістің негізінде келесі негізгі реакциялар жатады

 

                        (1)

                                     

                                        (2)

 

Бірінші реакция бокситті айналмалы алюминатты-сілтілі ерітіндімен  сілтілеу кезінде жүреді. Бокситтің  құрамындағы алюминийдің  бір- немесе үшсулы тотығы белгілі жағдайларда (жоғары температуралар мен жоғары концентрацияларда) ерітіндіге натрий алюминаты ретінде өтеді. Екінші реакция – алюминий гидрототығының тұнбаға түсуімен жүретін гидролиз реакциясы басқа жағдайларда (төмен температуралар мен төмен концентрацияларда) жүреді. 

 Алюминатты ерітінділердің 95 – 100^оС кезіндегі  гидролизге қарсы тұрақтылығын одан қызыл шламды (алғашқы бокситтің ерімейтін минералдары және натрий мен кальцийдің гидроалюмосиликаттарының жаңа қосылыстары) бөліп алуда қолданылады, онан соң бұл ерітіндіні салқындатады және алюминий гидрототығы тұнбаға түсуі үшін тұрақсыз күйге ауыстырады.

Сілтілеу алдында боксит кеніште ірі ұсақталады, сонан  соң металлургиялық зауытта орташаландырskады, орта және ұсақ ұнтақталады және ылғалды ұнтақталады. Қатты боксит зауытта екі – үш сатыда, ал жұмсақ  бір – екі сатыда ұнтақталады.

Бокситті ылғалды ұсақтау, жіктегіштермен және гидроциклондармен  жабық циклде жұмыс істейтін шарлы диірмендерде, концентрленген сілтілік ерітінді ортасында орындалады.

Сонан соң шикі пульпа қабылдаушы араластырғышқа беріледі және орташаландыру және жартылай кремнийсіздендіру  үшін 4-8 сағат бойында ұсталады.

Сонан соң бокситті, алюминий тотығын ерітіндіге ауыстыру үшін сілтілейді. Қазіргі уақытта сілтілеу бірізді  жалғанған автоклавтардан тұратын автоматтандырылған батареяларда үздіксіз процесс ретінде орындалады. Гиббситті бокситтер 95 – 105^о С-да, бемитті бокситтер 150 – 200^о С-да, диаспорлы бокситтер 230 – 245^о С-да сілтілендіріледі.

Сілтілеу нәтижесінде  алынған пульпа натрий алюминаты ерітіндісінен және бокситтің ерімейтін қалдығы – қызыл шламнан тұрады. Оны Al₂O₃-тің концентрациясы 120 – 150 г/л болғанша қызыл шламды жууға қолданған сумен сұйылтады. Сұйылту алюминатты ерітіндіні кремнийсіздендіруді аяқтау үшін және оның тұтқырлығын төмендету үшін қажет.

Қызыл шламды алюминатты ерітіндіден, әртүрлі флокулянттарды қолданумен, қоюлатқыштар жүйесінде  тұндыру арқылы бөліп алады. Сонан  соң сумен қажетсіз судағы  Na₂O-ның мөлшері 1 – 2 г/л болғанша жуады да, үйіндіге жібереді, ал жуатын суларды пульпаны сұйылту үшін қолданады.

Қызыл шламнан бөліп  алғаннан кейін алюминатты ерітіндіде шламның ең нәзік фракцияларының 0.1 – 1.0 г/л қатты жүзгіндері бар. Бұл ерітінді жүзгіннің мөлшері 0,05 г/л-дан аспайтындай мөлшерге дейін Келли, ЛВ-130 немесе ЛВАЖ типті беттік сүзгілерде бақылаулы сүзуден өтеді.

Таза алюминатты ерітінді 95 – 100 ^о С-дан 50 – 55^о С-ға дейін салқындатылып ыдыратылуға (декомпозициялауға) беріледі. Декомпозициялау процесі алюминатты ерітіндіні араластыруы үздіксіз механикалық немесе ауалық болатын және кристалдау центрлері – алюминий гидрототығының жаңадан тұнбаға түскен затравкасы бар декомпозерлерде ұзақ уақыт (50 – 60 сағат) бойы жалғасады.

Декомпозициялау нәтижесінде  алынатын гидратты пульпа тұнбаға түскен алюминий гидрототығынан және негізгі сілтілік ерітіндіден тұрады. Алюминий гидрототығын негізгі ерітіндіден қоюлату арқылы бөліп алады; алынған алюминий гидрототығының бір бөлігі декомпозициялауға берілетін ерітіндінің келесі порцияларына затравка ретінде қайтарылады, ал қалған гидрототық сүзу және жуудан кейін 1200 – 1250^о С-да қатты қыздырылады (кальцинацияланады). Зауыттардың басым көпшілігінде жербалшықты кальцинациялау түтікті айналатын пештерде, ал қатты қыздырылған жербалшықты салқындату барабанды тоңазытқыштарда орындалады.

Байер циклін тұйықтау үшін негізгі ерітінді айналымды ерітіндідегі Na₂O-нің концентрациясы 200-ден 300 г/л болғанша суалтады. Суалту үшін бір аппарат, немесе сиретілуде жұмыс істейтін суалту қондырғысы (батарея) қолданылуы мүмкін. Жербалшық өндірісі тәжірибесінде қабыршақты буланатын, ерітіндіні табиғи және еріксіз циркуляциялаумен, екіжолды суалту аппараттары қолданылады.

Айналымды ерітіндіні суалту кезінде  бөлінген жирен соданы, сонымен қатар  таза соданы Байер әдісіндегі Na₂O-ның жоғалуларын компенсациялау үшін каустикалық сода ерітіндісін алу мақсатында әк сүтпен каустификациялайды. Каустификациялау үздіксіз түрде үш – бес каустицерлерден (араластырғышы бар бактар) тұратын жүйеде орындалады.

Жербалшықты қазіргі уақытта Байер  әдісімен өндіру жоғары техника-экономикалық көрстекіштермен сипатталады. Қазіргі уақытта дүние жүзінде өндірілетін жербалшықтың 95%-на жуығы бокситтерден Байер әдісімен өндіріледі.

Пісіру әдісі небары қымбат, бірақ  небары жан-жақты және жоғары кремнийлі  алюминий шикізатының әрбір түріне қолданылуы мүмкін. Пісіру әдісінінің негізінде шикізаттағы кремнийді сілтілік ерітінділерде азерігіш қосылыс – кальций ортосиликатына, ал алюминий мен темірді алюминийлі шикізатты содамен және әктаспен күйдіру кезінде натрий алюминаты мен ферритіне ауыстыру жатыр.

Әдістің негізгі міндеті пісіруге арналған алғашқы шихтаны қатесіз  құрастыру және пісіру процесін пісіріндіде  жақсы еритін натрий (калий) алюминатын және сулы ерітінділерде гидролизденетін  натрий ( калий) ферритін, сонымен қатар азерігіш кальций ортосиликатын алу үшін дұрыс жүргізу болып табылады.

Шихтаны пісіруге дайындауға шикізатты  ұнтақтау, оны ылғалды үгіту, шихтаны  дайындау және коррекциялау кіреді. Алынған  ұнтақтың нәзіктігі мен шихта  компоненттерінің тура дозалануына аса үлкен көңіл бөлінеді. Бокситті, әктасты және нефелин кенін ұнтақтау бетті, сүйірлі және балғалы ұнтақтағыштарда бірнеше сатыда ( екі – үш) орындалады. Ылғалды ұсақтау құбырлы диірмендерде орындалады. Әдетте бокситті содалы ерітіндідегі әктаспен бірге орындайды. Нефелинді өндірісте нефелин мен әктас бөлік ұнтақталады, сонан соң бірге ұнтақату аяқталады, бұл нефелин мен әктастың қаттылықтарының әртүрлі болуымен анықталады. Нефелиндердің бокситтерден айырмашылығы, олардың құрамында пісіруге жеткілікті немесе жеткіліктіге жақын мөлшерде сілті бар. Сондықтан нефелиндер тек қана әктаспен пісіріледі. Сілтінің жетіспейтін мөлшері шихтаға айналымды жуатын сулар ретінде және сода-сілтілік ерітінді ретінде еңгізіледі.

Ұнтақталғаннан кейін шихта  коррекциялайтын бассейндерге (аэролифтті араластырғыштары бар үлкен ыдыстарға) сорылады, онда қажетті химиялық құрамға дейін жеткізіледі. Шихтаның ығалдылығы минималды болуы тиіс (нефелинді шихталар үшін 27 – 29%, бокситті шихталар үшін 35 – 38% ).

Коррекцияландырылған шихтаны пісіреді: бокситті шихтаны 1200 – 1250^оС-да, нефелинді шихтаны 1250 – 1300^оС-да. Пісіру үшін ұзындығы 50 – 100 метр болатын түтікті пештер қолданылады. Передел циклондардан, электрсүзгілерден және ылғалды скрубберлерден тұратын шаң ұстайтын қондырғымен жабдықталған. Әрі қарай пісірінді тоңазытқышқа түсіріледі, онда 100 – 150^о С-ға дейін салқындатылады. Қазіргі уақытта жербалшыққұрамды пісірінділерді салқындату үшін негізінде барабанды айналатын тоңазытқыштар қолданылады.

Салқындатылған пісірінді  ірілігі 6 – 7 мм болатындай етіп, грохоттармен тұйық циклде жұмыс істейтін қысқа сүйірлі ұнтақтағыштарда ұнтақтайды және сілтілейді. Пісіріндіні сілтілеудің ағынды және агитациялық түрі болады. Бокситті пісіріндіні әдетте диффузорларда, перколяторларда және түтікті сілтілегіштерде сумен ағынды әдіспен сілтілейді. Ағынды сілтілеу үшін кесекті пісірінді берілуі тиіс. Бокситті пісіріндінің ұсақ фракцияларын сілтілеу үшін агитациялық әдіс қолданылады. Агитациялық сілтілеу диірмендер мен араластырғыштарда орындалады.

Нефелинді пісірінді  диірмендерде агитациялық әдіспен  сілтілейді. Сонымен қатар сілтілеудің  екі сатылы схемасы қолданылады, онда бірінші сатыда түтікті аппараттар, ал екінші сатыда диірмендер қолданылады.

Пісіріндінің ерімеген бөлігі (шлам) үйіндіге жіберіледі, ал алюминатты ерітінді кремнийсіздендіруге жіберіледі. Байер әдісінде кремнийсіздендіру бокситті сілтілеу, автоклавты пульпаны сұйылту және қызыл шламды қоюлату операцияларымен бірге орындалады, себебі бұл операцияларды жүргізу жағдайлары (ұзақтық, жоғары температура, алюминатты ерітінділердің концентрациясының аса жоғары болмауы) кремнийсіздендіруге қолайлы. Пісіру әдісінде бұндай жағдайлар жоқ.  Екісатылы кремнийсіздендіру кеңінен қолданылады. Бірінші сатыда автоклавтар мен араластырғыштар қолданылуы мүмкін, ал екінші сатыда тек қана араластырғыштар қолданылады. Соңғы кезде қайнау тәртібі деп аталатын тәртіпте жұмыс істейтін, кремнийсіздендіру ұзақтығы  150 – 170^оС –да 2 – 2,5 сағат болатын, немесе атмосфералық қысымда бірізді жалғанған араластырғыштыры бар кремнийсіздендіру ұзақтығы  95 – 100^оС –да 4 – 5 сағат болатын автоклавты батареялар қолданылады.

Нефелинді кендер мен  концентраттарды өңдеу кезінде  алюминатты ерітіндіні ұзақтығы  90 – 95^оС –да 1,5 – 2 сағат болатын терең кремнийсіздендіру қажет.

Кремнийсіздендіру кезінде  бөлінетін тұнбада (ақ шлам) кремнеземмен қатар жербалшық және сілті бар, сондықтан оны пісіру үшін дайындалатын шихтаға қайтарады.

Кремнийсіздендірілген ерітіндіден алюминий гидрототығын бөліп алады. Ол үшін карбонизациялау  – құрамында  10 – 14% СО₂ бар газдармен ерітіндіні өңдеу. Ол бірмезгілде негізгі содалық ерітінді алуға мүмкіншілік береді. Карбонизациялауды бір немесе екі сатыда цилиндр немесе цилиндрсүйір карбонизаторларда орындалуы мүмкін және мерзімді және үздіксіз болуы мүмкін. 70 – 80^оС болатын ерітінді температурасы газдар жылуы салдарынан сақталады.