Технологические схемы по переработке цирконового концентрата

1. Технологическая схема по переработке цирконового концентрата с получением оксидов циркония и кремния

Разработчики:

Томский Атомный Центр (, )

Сибирский химический комбинат (, )

Северская государственная технологическая академия (, )

Томский политехнический университет ()

Томский государственный университет – НИИ ТММ ()

Описание проекта: на основании анализа существующих технологий получения диоксида циркония и опыта работы разработана принципиальная технологическая схема очистки цирконового концентрата и получения диоксида циркония и диоксида кремния. Ряд технологических операций (плазмотермическое разложение цирконата и разделение оксидов циркония и кремния) предлагаются впервые и требуют проведения научно-исследовательских работ.

Воздушно-центробежный классификатор (ВЦК-9)

Классификатор состоит:

1.  дозатор порошкообразных материалов;

2.  блок сепарации;

3.  разгружатель;

4.  циклон;

5.  бункер с крупной фракцией;

6.  бункер со средней фракцией;

7.  бункер с мелкой фракцией.

Назначение ВЦК-9:

Воздушно-центробежный классификатор ВЦК-9 предназначен для разделения тонко-дисперсных порошков металлов, органических и неорганических соединений на отдельные по крупности частиц – фракции.

Частицы с размерами, большими граничной, для которых центробежная сила выше аэродинамической, выбрасываются из зоны сепарации в бункер приема крупной фракции. Мелкие частицы увлекаются потоком несущей среды внутрь ротора, улавливаются в циклоне и скапливаются в бункере приема мелкой фракции.

Регулирование скорости вращения ротора со стабилизацией на каждом режиме обеспечивает широкие возможности выбора границ разделения.

Расчет аэродинамики гетерогенного закрученного потока и оптимизация условий разделения частиц в зоне сепарации позволяют достичь высокого качества классификации во всем диапазоне варьирования границ разделения, плотности и дисперсности исходного материала.

ВЦК-9 может быть использован в лабораторных условиях для получения необходимых фракций порошкообразных материалов и проведения анализа дисперсного состава порошков.

Применение ВЦК-9 в промышленных условиях совместно с пневматическими измельчительными установками обеспечивает автоматическое и непрерывное производство порошков с жестко заданным гранулометрическим составом.

ВЦК-9 предназначен для эксплуатации в атомной промышленности, химической промышленности, порошковой металлургии, станко-инструментальной промышленности, промышленности строительных материалов и других отраслях народного хозяйства, использующих и перерабатывающих порошки.

Принцип действия:

Классификация порошкообразного материала на крупную и мелкую фракции относительно установленной границы разделения фракции проводится в несущей газовой среде (воздухе) в блоке сепарации ВЦК-9 под действием двух противоположно направленных сил: центробежной, обусловленной вращением ротора классификатора и силы аэродинамического сопротивления частиц несущему потоку.

Технические характеристики:

1.

Производительность (в зависимости от плотности исходного материала), кг/час

60–100

2.

Диапазон изменения границ

разделения, мкм

5–200

3.

Шаг разделения, мкм:

4.

в диапазоне 5—100 мкм

5–10

5.

в диапазоне 100—200 мкм

10–20

6.

Эффективность классификации (в зависимости от дисперсного

исходного материала)

0,75–0,85

7.

Скорость вращения ротора, об/мин

200–2000

8.

Расход воздуха, м3/час

60

9.

Влажность воздуха, %

не более 85

Температура воздуха, °С

10–35

Габариты, мм

1000х1000х1600

Масса, кг

85

На графике представлены кривые разделения, полученные для различных порошков.

2. Технологическая схема очистки цирконового концентрата с получением катализатора «Клауса».

Разработчики:

Сибирский химический комбинат ()

Северская государственная технологическая академия (, )

Описание проекта: перспективным способом очистки цирконового концентрата от примесей является обработка его концентрированной серной кислотой при 160-180 0С и отмывка его от сульфатов примесных элементов. Высокое содержание TiO2 и Al2O3 в цирконовом концентрате, переходящих в раствор после сублимации, позволяет получать из этого раствора ценный продукт – катализатор Клауса, применяемый при получении элементарной серы из смеси оксида серы и сероводорода, выделяемых при переработке серосодержащих нефтей.

Титановый концентрат по аналогичной схеме был получен в конце 80-х годов на Ленинабадском горно-химическом заводе из ильменитового концентрата Туганского месторждения. Его характеристики приведены в нижеследующей таблице.

Таблица – Качественные характеристики титаноксидного катализатора, полученного из ильменитового концентрата Туганского месторождения

№ опыта

Насыпная плотность,

г/см

Содержание TiO2, % мас.

Увеличение прочности к истиранию по сравнению с серийными

Степень конверсии H2S

1

0,81

81,9

1,9

90,1

2

0,81

79,1

1,5

89,1

3

0,83

81,3

0,9

88,3

4

0,79

83,1

1,2

88,0

5

0,83

82,6

0,4

86,3

Присутствие в катализаторе примесей РЗЭ, перешедших из цирконового концентрата, повышает его механическую прочность и термическую стабильность в реакции Клауса по сравнению с серийными катализаторами.

3. Технологическая схема фторидного способа получения циркония и его сплавов из рудного сырья.

Разработчики:

Сибирский химический комбинат ()

Северская государственная технологическая академия (, , )

Описание проекта: переработка цирконового концентрата фторидным способом включает фторирование цирконового концентрата элементарным фтором, очистку получаемого тетрафторида циркония вакуумной сублимацией и получение металлического циркония и его сплавов кальциетермическим восстановлением очищенного тетрафторида. Основные технологические пределы способа опробованы в промышленных аппаратах.

Разработанный участниками проекта вакуумный сублимационный аппарат внедрен в производство на Приднепровском химическом заводе. Из очищенного на таком аппарате тетрафторида циркония на Новосибирском заводе химконцентратов с применением индукционного подвода энергии в восстановительную плавку получен слиток кондиционного металлического циркония. В лабораторном масштабе была изучена кинетика фторирования цирконового концентрата.

Для определения технологических параметров фторирования цирконовых концентратов в промышленных фтораторах предварительно были проведены эксперименты по фторированию элементарным фтором обезжелезненного циркона марки КЦП-1 с содержанием ZrO2 – 66,0% крупностью до 0, 316 мм с преимущественным (до 45 %) содержанием частиц от 0,063 до 0,100 мм. Эксперименты проводили в горизонтальном трубчатом реакторе, в который помещали лодочку с насыпанным цирконом с толщиной слоя 30 мм.

Взаимодействие циркона с фтором, как и в случае с природным цирконом Туганского месторождения, начиналось при температурах не ниже 300 0С.

Для проверки возможности фторирования цирконового концентрата в промышленных масштабах был поставлен эксперимент по его фторированию в промышленном фтораторе в виде трубчатой печи, снабженной наружным обогревом и перемешивающим устройством. Во фторатор загрузили 300 кг цирконового концентрата, при включенном перемешивающем устройстве включили его обогрев, и при 300 0С через него стали пропускать фтор с расходом 3,2-3,5 кг/час.

Выгруженный из фторатора продукт представлял белый кристаллический порошок с песочно-желтым оттенком и гранулы размером от 0,063 до 1,00 мм. Содержание в нем тетрафторида циркония составляло 96%. В качестве примесей присутствовали недофторированный циркон и продукты коррозии материала фторатора.

Для его очистки использовалась сублимационная установка.

Химический состав продуктов фторирования циркона до и после сублимационной очистки представлен в таблице.

Таблица – Химический состав образцов тетрафторида циркония, полученного из цирконового концентрата, мас. %

Вид образца

Определяемая примесь

Недофторированный циркон

Fe

Si

Al

Ni

Ca

Th

Неочищенный ZrF4, выгруженный из промышленного фторатора

1,50

1,50

0,25

0,60

0,03

0,08

0,01

Кристаллы ZrF4, сублимированного за счет теплоты реагирования при фторировании в неподвижном слое

отсутствует

0,01

0,04

0,04

0,03

0,05

отсутствует

ZrF4, очищенный однократной вакуумной сублимацией

отсутствует

0,03

отсутствует

отсутствует

0,02

отсутствует

отсутствует

ZrF4, очищенный 6-ти кратной вакуумной сублимацией

отсутствует

0,001

отсутствует

отсутствует

0,001

отсутствует

отсутствует

Требования по примесям к циркониевому порошку

согласно ТУПУ

отсутствует

0,05

0,02

0,008

0,007

0,03

Не регламентирован

Данные в приведенной таблице подтверждают, что продукт фторирования циркона не пригоден для получения металлического циркония из-за высокого содержания в нем примесей недофторированного циркона и продуктов коррозии конструкционного материала – железа и никеля.

Очистку тетрафторида циркония проводили на вакуумном сублимационном аппарате периодического действия Ц-20, конструкция которого представлена на рисунке.

1 – токоподводы, 2 – крышка, 3 – корпус, 4 – десублиматор,

5 – тарели с очищаемым материалом, 6 – электронагреватель

На базе аппарата Ц-20 с разовой загрузкой очищаемого тетрафторида циркония 20кг нами была создана экспериментальная установка, ставшая прототипом установки для очистки тетрафторида циркония в промышленных масштабах Ц-500, внедренный на Приднепровском химическом заводе (г. Днепродзержинск).

Завершающим переделом при переработке цирконового концентрата до металлического циркония или его сплавов является восстановление тетрафторида циркония.

С развитием высокочастотной техники и созданием высокотемпературных перегородок, прозрачных для электромагнитного излучения, был получен ряд металлов кальциетермическим восстановлением фторидов в «холодном тигле» типа РИТХП, разработанном в 70-х годах XX века в ВНИИХТ для завода химконцентратов в г. Новосибирске.

Таким способом из тетрафторида циркония, синтезированного фторированием циркона элементарным фтором и очищенного 2-х кратной сублимацией, были получены слитки металлического циркония массой до 10 кг.

Полученный цирконий обладал прочностными характеристиками, соответствующими стандартам, и низким содержанием примесей.