Проект участка получения чернового галлия в условиях АО «Алюминий Казахстана»

Технические требования на глинозем представлены в таблице 1.

Сырьем для завода являются Тургайские бокситы. Бокситы представляют собой горную породу, состоящую в основном из гидроксида алюминия, оксида железа, оксида минеральных компонентов. Боксит получил своей название от французского города, где впервые он был обнаружен.

Основные составляющие бокситов – гиббсит (гидраргиллит), бемит и диаспор. Кроме того, в  бокситах содержатся минералы железа (гематит, гидрогематит, сидерит); кремнезем  в виде кварца, гидроксида (опал и  др.). В меньших количествах в  бокситах содержится карбонаты кальция и магния, а также примеси органических веществ и редких металлов.

Исходным сырьем для  получения галлия являются слив содоотстойников,  чушковой алюминий, каустик. Слив содоотстойников  поступает с участка выпарки  гидрометаллургического цеха.

Характеристика сырья  представлена в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2 – Характеристика сырья

 

Наименование сырья	Химический состав
Слив содоотстойников	Na2Oоб, г/дм3	Na2Oку, г/дм3	Na2Oкб, Г/дм3	сода, %	уд.вес, г/см3	Al2O3, г/дм3	aобщ.	aку
	~236	~216	~20	~9,0	~1,405	~120	~3,3	~3,0
Алюминий чушковой ГОСТ 11069–74	Al, %	Fe, %	Si, %	Cu, %	Zn, %	Ti, %	Прочие примеси каждой в отдельности	Сумма, %
	99,995	0,0015	0,0015	0,001	0,001	0,001	0,001	0,005

 

Также в качестве вспомогательных  материалов используются:

- капрон, ГОСТ 16428–89, артикул 56003;

- ткань полипропиленовая, артикул 931509;

- сетка проволочная тканая фильтровая П52, ГОСТ 3187–76;

- сетка проволочная тканая фильтровая СД56, ГОСТ 3187–76.

 

 

1.3 Комплексность использования сырья

 

В настоящее время  на отечественных и зарубежных глиноземных заводах, перерабатывающих бокситы, помимо основного продукта – глинозема, извлекают из сырья также редкие металлы – галлий и ванадий. Кроме того, бокситы содержат значительные количества железа, кремния, титана и малые количества таких редких металлов, как скандий, германий и др. Следовательно, бокситы являются ценным сырьем.

За последние годы в разных странах проведено много  научно-исследовательских работ, направленных на комплексное извлечение, исключающих  отходы производства. Эти исследования касаются извлечения из алюминатных растворов галлия и ванадия и переработки красных шламов (отходов существующего производства) на глинозем, щелочь, чугун, цемент и другие строительные материалы.

Галлий относится к  группе рассеянных редких металлов. Редкая распространенность и отсутствие собственных минералов этого металла в природе создают специфическую характеристику технологии получения галлия, связанную с его попутным извлечением из полупродуктов и отходов при переработке сырья основного металла, спутником которого он является [1].

Галлий содержится в  минералах алюминия (бокситах, алунитах, нефелинах). Обычно в алюминиевых  рудах содержится от 0,04 до 0,001 % галлия. Среднее содержание галлия в бокситах Казахстанских месторождений составляет 0,005÷0,007 %. Галлий при этом извлекают в качестве попутной продукции из алюминатных растворов, где он накапливается вследствие их многократного оборота в цикле производства глинозема.

При переработке боксита  по способу Байера галлий частично переходит в алюминатный раствор, в виде растворимых в щелочном растворе соединений. В результате многократного оборота щелочных растворов глиноземного производства происходит постепенное накапливание в них галлия до уровня, при котором возможна организация производства галлия в виде товарного продукта.

Для объективной оценки поведения галлия в глиноземном  производстве, выбора сырьевого источника для попутного извлечения галлия и определения возможных масштабов его производства авторами проведены работы по снятию балансов распределения галлия по полупродуктом, продуктам и отходам технологических схем переработки бокситов и нефелинов на различных предприятиях глиноземной подотрасли. Полученный материал позволяет оценить степень накопления галлия в растворах при переработке различного вида сырья, а также определить места и количество его потерь с различными продуктами технологии глиноземного производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 2 Краткая характеристика химико–металлургического цеха

 

 

Химико – металлургический цех является одним из основных цехов АО «Алюминий Казахстана», основной продукцией, которого является галлий высокой чистоты.

Проектное задание  по производству галлия на Павлодарском алюминиевом заводе было утверждено Министерством цветной металлургии СССР протоколом №93–эк от 5 июля 1974 года.

Проект был разработан институтом “Казмеханобр” (г. Алма–Ата).

Мощности по производству галлия были введены в действие 1 января 1979 года.

После реконструкции химико – металлургического цеха, выполненной на основании технико–экономического обоснования, утвержденного Министерством цветной металлургии СССР 10 августа 1982 года протоколом №100–эк и задания на проектирование, согласованного Советом Министров Каз.ССР 30 июля 1984 года, мощности по выпуску галлия, введенные 1 января 1989 года, удвоились.

Галлий относится к  группе рассеянных редких металлов. Редкая распространенность и отсутствие собственных  минералов этого металла создает  специфическую характеристику технологии получения галлия, связанную с  его попутным извлечением из полупродуктов и отходов при переработке галлия.

Исходным сырьем для  получения металлического галлия на нашем заводе являются оборотные  щелочные растворы глиноземного производства.

С увеличением подшихтовки  бокситов Краснооктябрьского месторождения, изменился примесный состав производственных алюминатно-щелочных растворов, отрицательно влияющих на цементацию галлия, снизилось содержание галлия в исходных растворах, что вызвало изыскание новых способов получения. В период с 1999 года по 2004 год была проведена реконструкция химико–металлургического цеха. Рабочий проект выполнен на основании задания на проектирование «Схема получения гидроалюмината натрия» (далее ГАН). Проектом предложена технология производства галлия по схеме с выделением ГАН, которая не зависит от примесного состава растворов, так как при кристаллизации галлиевого концентрата, примеси не переходят в концентрат и в растворах на цементацию высокое содержание галлия.

Данная технологическая  инструкция распространяется на участок  получения чернового галлия химико–металлургического цеха.

 

 

 

 

 

2.1 Технологическая схема производства чернового галлия

 

По проекту галлий извлекали  из предварительно очищенного оборотного раствора глиноземного производства по способу цементации [1].

В оборотном растворе в результате его многократной циркуляции в замкнутом производственном цикле происходит накопление не только галлия, но и других примесей: карбонатов, сульфатов и хлоридов натрия, солей ванадия, органических примесей.

При разработке технологической схемы получения галлия была определена необходимость предварительной очистки оборотного раствора от накопившихся примесей перед ведением процесса цементации [1].

Очистку оборотного раствора от примесей производили постадийно. На начальной стадии оборотный раствор очищали от примесей карбонатов и сульфатов натрия, для чего оборотный раствор с температурой ~ 100 ⁰С подавали в вакуумные самоиспарители. За счет отбора пара из самоиспарителей под вакуумом равновесная температура раствора в самоиспарителе не превышала 75 ⁰С и устанавливалась при вскипании раствора. При резком охлаждении раствора со 100 ⁰С до 70–75 ⁰С за счет вскипания под вакуумом происходило концентрирование раствора и пересыщение его по содержанию примесей, сопровождающееся кристаллизацией карбонатов, сульфатов и хлоридов натрия. Для последующего роста образовавшихся кристалликов оборотный раствор выдерживали в кристаллизаторах в течение 6–8 часов при постоянном перемешивании и в политермическом режиме охлаждения. После выдержки оборотный раствор отфильтровывали на листовых вертикальных автоматизированных фильтрах тип ЛВАЖ–125. В таблице 2.1 приведены составы исходного оборотного раствора и фильтрата.

 

Таблица 2.1 – Содержание основных компонентов и исходном оборотном растворе и в фильтрате

 

Наименование раствора	Содержание компонентов  в растворе, г/дм3
	Na2Oку	Na2Oкб	SO3	Ga	Cl
Оборотный раствор	220 –230	12–13	7–9	–0,3	80–100
Фильтрат	225–235	7–9	3–4	–0,31	–80

 

Содержание Na₂O_kb в растворе приведено, как отношение Na₂O_kb/Na₂0_титр, выраженное в % (Na₂Oтитр –  сумма Na₂0_ку + Na₂O_kb).

Фильтрат оборотного раствора разбавляли горячей водой до концентрации Na₂O_ку ~180–220 г/л.

Полученный смешанный раствор  подавали на вторую стадию очистки  раствора от солей ванадия, фтора, фосфатов, путем глубокого охлаждения и кристаллизации.

Разбавление фильтрата  оборотного раствора производили с  целью снижения вязкости раствора и  увеличения скорости роста кристаллов примесей на стадиях кристаллизации при глубоком охлаждении.

На II стадии очистки смешанный раствор, содержащий 0,7 –1,0 г/дм³ V₂0₅ с температурой 60–65 ⁰С охлаждали до температуры 30–35 ⁰С в кожухотрубчатых те плообменниках. Из охлажденного раствора проводили кристаллизацию пятиокиси ванадия, для чего раствор подавали в кристаллизаторы, составленные в нитку, в которых проводилось дальнейшее каскадное снижение температуры раствора до 15–20 ⁰С в течение 16–20 часов.

Охлажденную суспензию  после кристаллизации солей ванадия  подавали для фильтрации на листовые фильтры ЛВАЖ–125. Остаточное содержание пятиокиси ванадия в фильтрате смешанного раствора составляло 0,18–0,2 г/дм³.

Кек с фильтров, в котором  содержание V₂0₅ составляло 7–12 %,смывали циркуляционной промывной водой, после чего полученный продукт либо откачивали на сброс, либо использовали для приготовления смешанного раствора и получения в следующем цикле более обогащенного V₂0₅ ванадиевого концентрата.

Фильтрат смешанного раствора подавали в отстойники на стадию отстаивания  и выдержки продолжительностью 7–12 суток. Опыт запуска технологической схемы производства чернового галлия показал, что из растворов, подвергающихся перед цементацией длительной выдержке с отстаиванием процесс цементации проходил более успешно: снижалось шламирование ш расход гранулированного алюминия. Химический состав раствора после отстоя и выдержки в отстойниках практически не менялся, однако в нем, по–видимому, происходили изменения на структурном уровне, в частности:

- уменьшалась степень полимеризации алюминатных ионов, которые снижают скорость цементации галлия;

- образовывались мономерные структуры.

После отстоя слив отстойников (твердую фазу отстойников периодически сбрасывали) с температурой 17–20 ⁰С подвергали контрольной фильтрации на ЛВАЖ–125 и далее подавали в подогреватели раствора с целью повышения температуры раствора до 72–76 ⁰С.

В результате всех перечисленных  технологических операций получали нагретый раствор, готовый для проведения процесса цементации. Состав растворов  по всей технологической цепочке  получения нагретого раствора из исходного оборотного приведен в таблице 2.2.