Переработка мелкодисперсного техногенного сырья производства алюминия с целью извлечения ценных компонентов

Представлены результаты экспериментальных работ по гидрометаллургической переработке мелкодисперсного техногенного сырья производства первичного алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами (на примере Иркутского алюминиевого завода) – лежалого шлама. Составляющими данного шлама являются пыль электрофильтров (79,7 %), шлам «мокрой» газоочистки (4,4 %) и хвосты флотации угольной пены (15,8 %). Согласно проведенному гранулометрическому анализу, частицы пробы лежалого шлама имеют крупность –50 мкм. По результатам анализа химического состава пробы шлама, основными компонентами в нем являются углерод, криолит, хиолит с незначительным количеством других соединений (корунда, ральстонита, сподумена, флюорита). Эксперименты по выщелачиванию фтора проводились раствором 2 %-ного едкого натра при числе оборотов мешалки ~1020 об/мин. Методом математического планирования трехфакторного эксперимента установлено, что для достижения максимальной концентрации фтора в растворе (15,844 г/дм³) оптимальными параметрами щелочного выщелачивания фтора являются температура 90 °C, отношение жидкого к твердому 9 : 1 и продолжительность
90 мин. Получено уравнение многомерного полинома процесса щелочного выщелачивания фтора из лежалого шлама. Из фторсодержащих растворов был получен криолит (по реакции взаимодействия фторида натрия с бикарбонатом натрия и алюминатным раствором), что подтверждено данными рентгенофазового анализа.

1. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to aluminium electrolysis. Düsseldorf: Aluminium-Verlag, 1993.

2. Stojanovic B., Bukvic M., Epler I. Application of aluminum and aluminum alloys in engineering. Appl. Eng. Lett. 2018. Vol. 3. No. 2. P. 52—62. https://doi.org/10.18485/aeletters.2018.3.2.2.

3. Varshney D., Kumar K. Application and use of different aluminium alloys with respect to workability, strength and welding parameter optimization. Ain Shams Eng. J. 2021. Vol. 12. Iss. 1. P. 1143—1152. https://doi.org/10.1016/j.asej.2020.05.013.

4. Summers P.T., Chen Y., Rippe C.M., Allen B., Mouritz A.P., Case S.W., Lattimer B.Y. Overview of aluminum alloy mechanical properties during and after fires. Fire Sci. Rev. 2015. Vol. 4. No. 3. https://doi.org/10.1186/s40038-0150007-5.

5. Dudin M.N., Voykova N.A., Frolova E.E., Artemieva J.A., Rusakova E.P., Abashidze A.H. Modern trends and challenges of development of global aluminum industry. Metalurgija. 2017. Vol. 56. No. 1—2. P. 255—258.

6. Tarcy G.P., Torklep K. Current efficiency in prebake and Sоderberg cells. Essent. Read. Light Metals. 2013. Vol. 2. P. 211—216. https://doi.org/10.1002/9781118647851.ch30.

7. Mann V., Buzunov V., Pitertsev N., Chesnyak V., Polyakov P. Reduction in power consumption at UC Rusal’s Smelters 2012—2014. Light Metals. 2015. Р. 757—762. https://doi.org/10.1002/9781119093435.ch128.

8. Бажин В.Ю., Смольников А.Д., Петров П.А. Концепция энергоэффективного производства алюминия «Электролиз 600+». Междунар. науч-исслед. журн. 2016. No. 5. Ч. 3. С. 37—40. https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.47.113.

9. Григорьев В.Г., Тепикин С.В., Кузаков А.А., Пьянкин А.П., Тимкина Е.В., Пинаев А.А. Автоматическая подача сырья в производстве алюминия. Вестн. Горно-металл. секции Росс. академии естеств. наук. Отд-ие металлургии. 2017. No. 39. С. 97—104.

10. Шепелев И.И., Головных Н.В., Сахачев А.Ю., Жижаев А.М., Котлягин А.Г. Улучшение качества спека известняково-нефелиновой шихты путем ввода в нее гипсоангидритового техногенного сырья. Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. 2018. Т. 22. No. 5. С. 225—239. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-5-225-239.

11. Bazhin V.Yu., Brichkin V.N., Sizyakov V.M., Cherkasova M.V. Pyrometallurgical treatment of a nepheline charge using additives of natural and technogenic origin. Metallurgist. 2017. Vol. 61. Iss. 1. P. 147—154. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0468-y.

12. Pawlek R.P. Spent potlining: An update. Light Metals. 2012. P. 1313—1317. https://doi.org/10.1007/978-3-31948179-1_227.

13. Виноградов А.М., Пинаев А.А., Виноградов Д.А., Пузин А.В., Шадрин В.Г., Зорько Н.В., Сомов В.В. Повышение эффективности укрытия электролизеров Содерберга. Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. No. 1. С. 19—30. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-119-30.

14. Баранов А.Н., Тимкина Е.В., Тютрин А.А. Исследования по выщелачиванию фтора из углеродсодержащих материалов производства алюминия. Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. 2017. Т. 21. No. 7. С. 143—151. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-7-143-151.

15. Бурдонов А.Е., Зелинская Е.В., Гавриленко Л.В., Гавриленко А.А. Изучение вещественного состава глиноземсодержащего материала алюминиевых электролизеров для использования в технологии первичного алюминия. Цветные металлы. 2018. No. 3. С. 32—38. https://doi.org/10.17580/tsm.2018.03.05.

16. Tian X., Zhu A., Wei J., Han R. Preparation and forming technology of particle reinforced aluminum matrix composites. Mater. Sci.: Adv. Compos. Mater. 2017. Vol. 1. No. 1. P. 1—9.

17. Stojanović B., Ivanović L. Application of aluminium hybrid composites in automotive industry. Tehničkivjesnik. 2015. Vol. 22. No. 1. P. 247—251. https://doi.org/10.17559/TV-20130905094303.

18. Su Hai, Gao Wenli, Feng Zhaohui, Lu Zheng. Processing, microstructure and tensile properties of nano-sized Al2O3 particle reinforced aluminium matrix composites. Mater. Design. 2012. Vol. 36. P. 590—596. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.11.064.

19. Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. М.: Изд. дом «МИСиС», 2010.

20. Куликов Б.П., Истомин С.П. Переработка отходов алюминиевого производства. Красноярск: Классик Центр, 2004.

21. Немчинова Н.В., Тютрин А.А., Бараускас А.Э. Анализ химического состава техногенных материалов производства первичного алюминия для поиска рациональных методов их переработки. Цветные металлы. 2019. No. 12. С. 22—29. https://doi.org/10.17580/tsm.2019.12.03.

22. Mann V., Pingin V., Zherdev A., Bogdanov Y., Pavlov S., Somov V. SPL Recycling and Re-processing. Light Metals. 2017. P. 571—578. https://doi.org/10.1007/978-3-31951541-0_71.

23. Patrin R.K., Bazhin V.Yu. Spent linings from aluminum cells as a raw material for the metallurgical, chemical, and construction industries. Metallurgist. 2014. Vol. 58. Iss. 7—8. Р. 625—629. https://doi.org/10.1007/s11015014-9967-2.

24. Kruger P.V. Use of Spent Pot Lining (SPL) in Ferro silico manganese Smelting. Light Metals. 2011. Р. 275—280. https://doi.org/10.1002/9781118061992.ch49.

25. Petrovskiy A.A., Nemchinova N.V., Tyutrin A.A., Korepina N.A. Use of leaching cake from refractory lining of dismantled electrolysers in cement production. In: Proc. of the Intern. Symp. «Engineering and earth sciences: Applied and fundamental research» dedicated to the 85th anniversary of H.I. Ibragimov (ISEES 2019). 2019. Vol. 1. Р. 465— 470. https://doi.org/10.2991/isees-19.2019.91.

26. Flores I.V., Fraiz F., Lopes Junior R. A., Bagatini M.C. Evaluation of Spent Pot Lining (SPL) as an alternative carbonaceous material in ironmaking processes. J. Mater. Res. Technol. 2019. Vol. 8. Iss. 1. P. 33—40. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2017.11.004.

27. Nemchinova N.V., Tyutrin А.А., Korepina N.A., Belskii S.S. On the possibility of carbonaceous dust waste use of prebaked anode production in silicon metallurgy. In: IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 411. Р. 012052. https://doi.org/10.1088/1757899X/411/1/012052.

28. Зенкин Е.Ю., Гавриленко А.А., Немчинова Н.В. О переработке отходов производства первичного алюминия ОАО «РУСАЛ Братск». Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. 2017. Т. 21. No. 3. С. 123—132. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-3-123-132.

29. Тимкина Е.В., Баранов А.Н., Петровская В.Н., Ершов В.А. Термодинамика процесса выщелачивания фтора из отходов алюминиевого производства. Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. 2016. Т. 20. No. 12. С. 182—192. https://doi.org/10.21285/1814-3520-201612-182-192.

30. Гуляев А.В., Гавриленко Л.В., Баранов А.Н., Ножко С.И. Утилизация твердых углеродсодержащих отходов на алюминиевом заводе, оснащенном электролизерами с самообжигающимися анодами с верхним токоподводом. Экология и пром-сть России. 2017. Т. 21. No. 5. С. 8—10. https://doi.org/10.18412/18160395-2017-5-8-10.

31. Nemchinova N.V., Yakushevich P.А., Yakovleva A.А., Gavrilenko L.V. Experiment for use of Bratsk aluminium plant technogenic waste as a reducing agent during cast iron smelting. Metallurgist. 2018. Vol. 62. Iss. 1—2. P. 150—155. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0637-7.

32. Nemchinova N.V., Mineev G.G., Tyutrin A.A., Yakovleva A.A. Utilization of dust from silicon production. Steel Transl. 2017. Vol. 47. Iss. 12. P. 763—767. https://doi.org/10.3103/S0967091217120087.

33. Немчинова Н.В., Леонова М.С., Тютрин А.А. Экспериментальные работы по плавке окомкованной шихты в производстве кремния. Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. 2017. Т. 21. No. 1. С. 209—217. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-1-209-217.

34. Петлин И.В., Малютин Л.Н. Технология комплексной переработки фторсодержащих отходов алюминиевой промышленности с целью получения фторида водорода. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2014. Т. 7. No. 2. С. 24—31.

35. Бараускас А.Э., Немчинова Н.В. Гидрометаллургическая переработка мелкодисперсного фторуглеродсодержащего техногенного сырья производства первичного алюминия. Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. 2020. Т. 24. No. 6. С. 1311—1323. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-6-1311-1323.

36. Немчинова Н.В., Сомов В.В., Тютрин А.А. Определение оптимальных параметров выщелачивания фтора из угольной части отработанной футеровки демонтированных электролизеров производства алюминия. Записки Горн. инст-та. 2019. Vol. 239. С. 544—549. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.5.544.

37. Комарова Н.В., Каменцев Я.С. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «Капель». СПб.: ООО «Веда», 2006.

38. Боровиков В.В. Популярное введение в современный анализ данных в системе STATISTICA. М.: Горячая линия-Телеком, 2013.

39. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки: Учеб. пос. Пенза: Изд-во ПГУ, 2006.