Контрольная работа: Производство глинозема
Спекание бокситовых шихт
Назначение этого передела заключается в возможно более полном связывании окиси алюминия и окислов щелочных металлов шихты в щелочные алюминаты, а соединение кремния – в двукальцевый силикат. Кроме этих соединений, при спекании образуются феррит натрия и другие продукты. Образование всех этих соединений возможно при высокотемпературном обжиге шихты температуры спекания определяются минералогическими и химическими составами материалов, входящих в шихту, и составляют для бокситовых шихт около 1150-1250°С.
В процессе спекания последовательно происходит обезвоживание мокрой шихты, нагрев материала, диссоциации известняка, образование спека, охлаждение спека.
Для спека бокситовой шихты применяются барабанные вращающиеся печи диаметром 3-5 м и длиной 50-100.
В качестве топлива для печей спекания используются уголь, мазут, газ. Охлаждение спека от 1000-1100 до 100°С осуществляется во вращающихся барабанных или колосиликовых холодильниках.
После дробления спек направляют на выщелачивание, а отходящие из печей спекания газы очищают от пыли в системе последовательно расположенных пылевых камер, циклонов и электрофильтров. Уловленную пыль возвращают в печи, а часть газов после дополнительной очистки подают на карбонизацию (если существует такой передел).
Изучение физико-химических превращений при спекании различных шихт затруднено наличием большого числа реагирующих окислов, свободных или связанных. Их бывает не менее пяти, а обычно больше.
Взаимодействие между Na 2 CO 3 и Al 2 O 3 при нагревании
Реакция между этими окислами – одна из наиболее важных в бокситовой шихте, так как в результате этой реакции получается растворимый алюминат натрия.
Реакция между окисью алюминия боксита с содой завершается с образованием метаалюмината натрия – Na2 CO3 ∙Al2 O3 (NaAlO2 ).
Взаимодействие между содой и окисью алюминия протекает по реакции:
Взаимодействие между Na2 CO3 и Fe2 O3
Образование феррита натрия в производстве глинозема способом спекания играет немаловажную роль. При выщелачивании спека феррит натрия разлагается в результате гидролиза с освобождением едкой щелочи, необходимой для повышения стойкости алюминатных растворов. Феррит натрия образуется, как и алюминат натрия по реакции:
Взаимодействие между CaCO 3 и Al 2 O 3
При высыхании температурах взаимодействия образуются алюминаты кальция, которые важны не только в производстве глинозема, но и целлита, огнеупоров, керамики. Поэтому система CaO – Al2 O3 изучалась многократно и тщательно. Согласно последним данным, при спекании различных шихт, не содержащих щелочь, в спеках образуются CaO∙Al2 O3 ; 12 CaO∙7Al2 O3 ; 5CaO∙3Al2 O3 , представленное твердым раствором алюминатов кальция с SiO2 ; и MgO др. компонентов.
Взаимодействие между CaCO 3 и SiO 2
В системе CaO – SiO2 известны следующие соединения: 1) метасиликат кальция (CaO∙SiO2 ) с температурой плавления 1540°С. Устойчив до 1150°С ниже образуется β CaO∙SiO2
2) трехкальциевый силикат 3CaO∙2SiO2 , с температурой плавления 1475°С;
3) ортосиликат (двухкальциевый силикат) кальция 2CaO∙SiO2 , плавится при 2130°С;
4) трехкальциевый силикат 3CaO∙SiO2 получается при длительном обжиге смеси CaO и SiO2 при температуре от 1400 до 1500°С.
В производстве глинозема по способу спекания наибольшее значение имеет ортосиликат кальция, так как он возникает первым при нагревании смеси CaO с SiO2 любой пропорции. Установлено, что независимо от соотношения CaO и SiO2 в исходной смеси (от 1:1 до 3:1) в начале спекания образуется всегда двухкальциевый силикат.
Взаимодействие CaCO 3 с TiO 2 и Fe 2 O 3
TiO2 и CaO образуют метатитанат кальция (CaO∙TiO2 ) или первекит. Такое же соединение образуется и в присутствии щелочных карбонатов. Следовательно, при производстве глинозема по способу спекания следует добавлять столько известняка, чтобы он связал не только кремнезем, но и TiO2 .
В этом случае метатитанат натрия образовываться не будет, что снизит потери щелочи. При спекании ненасыщенной содой шихты окись железа образует с CaCO3 ферриты кальция. В системе CaO–Fe2 O3 давно известны два феррита: CaO∙Fe2 O3 и 2CaO∙Fe2 O3 .
Первым при спекании образуется 2CaO∙Fe2 O3 , поэтому если в смеси отношение CaO к Fe2 O3 равно 2,0 то при всех температурах образуется 2CaO∙Fe2 O3 .
Поскольку при низких температурах с содой образуется скорее феррит, чем алюминат, то, если соды не хватает для полного связывания Al2 O3 и Fe2 O3 , она расходуется в основном на образовании феррита натрия, а глинозем остается свободным, но при 900°С и выше продукт реакции состоит главным образом из алюмината натрия, что обусловлено вытеснением Na2 O из феррита по реакции:
С увеличением концентрации феррита натрия снижается температура плавления твердых растворов и уменьшатся термическая площадка спекообразования.
Таким образом, в зависимости от молекулярного отношения Na2 O: R2 O3 в системе Na2 O – Al2 O3 – Fe2 O3 могут образовываться и одновременно присутствовать следующие фазы:
1) при молярном отношении Na2 O: R2 O3 >1 – твердые растворы Na2 O·Al2 O3 – Na2 O·Fe2 O3 и свободная Na2 O и Na2 CO3 ;