СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТИТАН-КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ КОНЦЕНТРАТОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО РУТИЛА Российский патент 2008 года по МПК C22B34/12 C01G23/47 C22B3/12 

Изобретение относится к металлургии редких металлов, а именно к технологии переработки титан-кремнийсодержащих концентратов Ярегского месторождения, и может быть использовано для получения искусственного рутила - чистого диоксида титана.

Искусственный рутил является наиболее технологичным исходным сырьем в производствах получения металлического титана и пигментного диоксида титана.

Большие запасы титансодержащего сырья Ярегского месторождения и высокая востребованность отечественными и зарубежными рынками искусственного рутила для различных отраслей промышленности: металлургической, машиностроительной (титановые сплавы), лакокрасочной (пигментный диоксид титана), бумажной и для производства пластмасс делает актуальной технологию переработки титан-кремнийсодержащих концентратов.

Известен способ переработки титан-кремнийсодержащих концентратов Ярегского месторождения, включающий вскрытие исходного концентрата фторидом аммония при температуре 195-205°С, отгонку образовавшегося кремнефторида аммония и получение в остатке искусственного рутила, содержащего 90-95% диоксида титана.

Возгоны кремнефторида аммония обрабатывают аммиачной водой, полученной на стадии селективного фторирования исходного сырья с получением осадка диоксида кремния (SiO₂·nH₂O - белая сажа) и раствора кремнефторида аммония, который упаривают с получением оборотного фторида аммония. (См. патент РФ №2264478, С22В 34/12, опубл. 2005 г.)

Способ позволяет получить искусственный рутил с высоким содержанием основного вещества и оборотом использованных фторирующих реагентов.

Однако фторидная технология, использующая агрессивные реагенты, требует повышенных мер по соблюдению техники безопасности, повышающие производственные затраты.

Известен способ переработки титан-кремнийсодержащих концентратов с получением искусственного рутила, включающий обжиг концентрата в присутствии модифицирующих добавок оксидных соединений железа при температуре 1450-1525°С, последующее охлаждение, измельчение и автоклавное щелочное выщелачивание с получением в остатке искусственного рутила. (См. патент РФ №2216517, С01G 23/047, опубл. 20.11.2003 г.)

Способ многооперационный, энергоемкий, и, кроме того, автоклавный процесс требует специальной сложной аппаратуры.

Известен способ переработки титан-кремнийсодержащих концентратов с получением искусственного рутила, включающий смешивание концентрата с щелочным реагентом, например с содой, термообработку, охлаждение, измельчение и выщелачивание с получением осадка диоксида титана. Термообработка с содой для SiO₂ эффективна только при температуре плавления соды. (См. Резниченко В.А. и др. Химическая технология титана. М., Наука, 1983, с.37-39). Способ принят за прототип.

Недостатком способа является необходимость использования операции измельчения спека и связанные с этим потери диоксида титана и дополнительные энергозатраты. Кроме того, термообработку ведут при высокой температуре и высоком расходе соды на весовую часть диоксида кремния в исходном сырье.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение процесса за счет сокращения количества операций, упрощение аппаратурного оформления процесса, а также снижение энергоемкости процесса получения искусственного рутила.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки титан-кремнийсодержащих концентратов с получением искусственного рутила, включающем термообработку в присутствии щелочи, выщелачивание с получением осадка диоксида титана, согласно изобретению исходный концентрат смешивают с концентрированным раствором щелочи, термообработке подвергают полученную пульпу путем нагрева пульпы со скоростью 5-8°С/мин до температуры 480-520°С и последующей выдержкой при этой температуре в течение 2,0-2,5 часов, а выщелачиванию подвергают непосредственно продукт термообработки;

для смешивания с исходным концентратом используют раствор гидроксида натрия с концентрацией 1000-1600 г/л при массовом соотношении щелочи к диоксиду кремния в концентрате (2,7-4,0):1;

процесс термообработки ведут в горизонтальной печи при перемешивании материала по длине печи с непрерывной загрузкой исходной пульпы и выгрузкой сыпучего конечного продукта;

выщелачивание ведут раствором с концентрацией 15-20% гидроксида натрия.

Сущность способа заключается в следующем.

При перемешивании исходного титан-кремнийсодержащего сырья с концентрированным раствором гидроксида натрия при заявленном массовом соотношении гидроксида натрия к диоксиду кремния в концентрате щелочной реагент равномерно распределяется по поверхности частиц во всем объеме исходного концентрата, и при последующем плавном нагреве с регулируемой скоростью достигают максимально возможной полноты селективного взаимодействия гидроксида натрия с диоксидом кремния с извлечением кремния в растворимую форму силиката натрия. Для завершения этого процесса достаточно выдержки уже при температуре 480-520°С. Кроме того, сочетание этих приемов (приготовление пульпы, низкотемпературная термообработка с регулируемой скоростью и последующая выдержка) приводит не только к селективности и полноте взаимодействия кремния с гидроксидом натрия, но и к образованию сыпучей структуры спека, не требующей дополнительного измельчения. Поэтому спек, без дополнительного на него воздействия, сразу подвергают выщелачиванию. Это сокращает количество операций и единиц оборудования.

Проведение процесса термообработки не требует сложного аппаратурного оформления. Использование горизонтальной печи со шнеком, позволяющим непрерывно перемещать материал в процессе выдержки, делает возможным организацию непрерывного процесса.

Заявленный способ обеспечивает селективность взаимодействия кремния со щелочным реагентом (гидроксидом натрия), практически исключающим потери диоксида титана на стадии выщелачивания. Использование на стадии приготовления пульпы концентрированного раствора гидроксида натрия существенно снижает энергозатраты на испарение воды.

Все эти факторы приводят к сокращению количества операций, упрощению аппаратурного оформления процесса, предотвращению потерь материала и возможности дополнительного загрязнения и, наконец, к существенному сокращению энергозатрат.

Обоснование параметров.

Использование для приготовления пульпы щелочного раствора с концентрацией гидроксида натрия менее 1000 г/л приводит к повышенному расходу электроэнергии, связанному с испарением воды.

Использование для приготовления пульпы щелочного раствора с концентрацией гидроксида натрия более 1600 г/л приводит к загустеванию пульпы и неудовлетворительному распределению щелочного реагента по объему концентрата и, следовательно, к неполноте вскрытия концентрата и ухудшению качества искусственного рутила.

Использование для приготовления пульпы массового соотношения гидроксида натрия к диоксиду кремния (2,7-4,0):1 позволяет равномерно распределять щелочь по объему исходного материала и обеспечить селективность взаимодействия с диоксидом кремния.

Массовое соотношение диоксида натрия к диоксиду кремния менее 2,7:1 может привести к неполноте извлечения кремния в растворимую форму, а значит к неполноте вскрытия и ухудшению качества искусственного рутила.

Массовое соотношение гидроксида натрия к диоксиду кремния более 4,0:1 непроизводительно увеличит энергозатраты на испарение воды и расход гидроксида натрия.

Регулируемый нагрев пульпы со скоростью 5-8°С/мин обеспечивает полноту вскрытия по всему объему исходного концентрата и при дальнейшей выдержке при температуре 480-520°С селективность и полноту превращения диоксида кремния в растворимую форму - силикат натрия.

Скорость нагрева пульпы менее 5°С/мин непроизводительно увеличивает время термообработки, скорость нагрева пульпы выше 8°С/мин может привести к спеканию шихты и, соответственно, к снижению извлечения кремния в растворимую форму и, следовательно, к ухудшению качества искусственного рутила.

Заявленные интервалы температуры и времени выдержки 480-520°С и 2,0-2,5 часа необходимы и достаточны для прохождения химических превращений, разрушения структуры исходного концентрата и формирования сыпучего продукта.

При проведении выдержки при температуре ниже 480°С и времени менее 2,0 часов возможны неполнота химического превращения диоксида кремния в силикат натрия и получения продукта в виде агломератов.

При проведении выдержки при температуре выше 520°С и времени выдержки более 2,5 часов процесс термообработки будет сопровождаться повышенным расходом электроэнергии.

Пример осуществления способа.

Исходный концентрат Ярегского месторождения с содержанием в % мас. TiO₂ - 68,0; SiO₂ - 28,5, остальное - 3,5% оксиды Al, Fe, Са и др., смешивали с раствором гидроксида натрия концентрацией 1300 г/л при массовом соотношении гидроксида натрия к диоксиду кремния - 3,3. Полученную пульпу помещали в горизонтальный реактор и нагревали до температуры 500°С со скоростью нагрева 7°С/мин. По достижении температуры 500°С материал выдерживали при этой температуре при перемешивании в течение 2,5 часов, затем полученный продукт высыпали в изложницу, охлаждали, взвешивали и выщелачивали 20%-м раствором гидроксида натрия в течение 1,0 часа при температуре 60-65°С и Т:Ж=1:3. В результате получен осадок диоксида титана с содержанием TiO₂ - 95,2%. После фильтрации раствор силиката натрия направляли на стадию регенерации щелочи с получением побочного продукта - силиката кальция.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить следующий положительный эффект.

1. Обеспечить возможность организации процесса в непрерывном режиме загрузки исходной пульпы и выгрузки сыпучего продукта термообработки.

2. Снизить энергозатраты, исключив высокотемпературную термообработку (480-520°С против 1000-1200°С в аналогах и 800-850°С в прототипе).

3. У простить технологию за счет сокращения количества операций, исключив измельчение спека.

4. Упростить аппаратурное оформление процесса.

Способ может быть использован в редкометаллической промышленности при переработке титан-кремнийсодержащих концентратов для получения искусственного рутила. Способ включает смешивание концентрата с щелочным реагентом, термообработку и выщелачивание с получением осадка диоксида титана. При этом смешивание исходного концентрата ведут с использованием в качестве щелочного реагента концентрированного раствора гидроксида натрия. Термообработке подвергают полученную пульпу путем нагрева ее со скоростью 5-8°С/мин до температуры 480-520°С и последующей выдержки при этой температуре в течение 2,0-2,5 часов. Выщелачиванию подвергают непосредственно продукт термообработки. Техническим результатом является существенное снижение энергозатрат, упрощение технологии и аппаратурного оформления процесса. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ переработки титан-кремнийсодержащих концентратов с получением искусственного рутила, включающий смешивание концентрата с щелочным реагентом, термообработку и выщелачивание с получением осадка диоксида титана, отличающийся тем, что смешивание исходного концентрата ведут с использованием в качестве щелочного реагента концентрированного раствора гидроксида натрия, термообработке подвергают полученную пульпу путем нагрева ее со скоростью 5-8°С/мин до температуры 480-520°С и последующей выдержки при этой температуре в течение 2,0-2,5 ч, и выщелачиванию подвергают непосредственно продукт термообработки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для смешивания с исходным концентратом используют раствор с концентрацией гидроксида натрия 1000-1600 г/л при массовом соотношении гидроксида натрия к диоксиду кремния в концентрате (2,7-4,0):1.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку ведут в горизонтальной печи при перемешивании по длине печи с непрерывной загрузкой полученной пульпы и выгрузкой продукта в виде сыпучего продукта.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выщелачивание продукта термообработки ведут раствором гидроксида натрия с концентрацией 15-20%.