СПОСОБ СОВМЕСТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНАТОВ КАЛЬЦИЯ И ФОСФОРА Российский патент 2010 года по МПК C01B25/27 C01F7/16 

Изобретение относится к области получения неорганических веществ, в частности к способу совместного получения алюминатов кальция и фосфора. Алюминаты кальция могут найти применение при производстве глиноземистого цемента и портландцемента, синтетического шлака. Фосфор - при производстве удобрений, термической фосфорной кислоты, при производстве моющих средств.

Известен способ получения алюминатов кальция при алюмотермическом производстве ферросплавов (ферробора, ферротитана, феррохрома) и металлов, при котором производится плавка шихты, содержащей оксид металла, алюминий в виде крупки или порошка и известь. В первый период происходит восстановление алюминием соответствующего металла по реакции

Восстановленный металл оседает внизу, а вверху оказывается шлаковый расплав, который дошихтовывается известью до содержания 16-20 мас.% в шлаке. После его охлаждения его отделяют от металлического слитка, измельчают для получения высокоглиноземистого цемента (Теория и технология производства ферросплавов: учебник для вузов / М.И.Гасик, Н.П.Лякишев, Б.И.Емлин. - М.: Металлургия, 1988, с.371-378).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ получения фосфора и кальциево-алюминатного шлака из фосфорсодержащих и алюмосодержащих материалов, описанный в патенте US 2488078 (C01F 7/12, 15.11.1949, 2 с., весь документ). В данной заявке предлагается способ получения фосфора и кальциево-алюминатного шлака в процессе восстановления в электропечи из шихты, состоящей из фосфорсодержащего материала и алюмосодержащего материала и кокса. Состав шихты формируется в зависимости от молекулярного соотношения между фтором и щелочными металлами в определенных границах от 1,0 до 1,1, содержащихся в фосфорсодержащих и алюмосодержащих материалах.

Недостатком этого способа является большой расход электроэнергии (свыше 15000 кВт·ч/1 т фосфора) и использование кокса в качестве восстановителя и вследствие этого образование большого количества газовой фазы из СО-СО₂ (а также фосфора, фтористого водорода, пыли), требующей сложной газоочистки, что делает процесс экономически не целесообразным.

Задачей предлагаемого изобретения является представление такого способа совместного получения фосфора и алюминатов кальция путем проведение плавки в режиме горения за счет тепла химических реакций термосинтеза вышеуказанных компонентов.

В системе СаО-Р₂О₅ образуется целый ряд фосфатов кальция: СаО·2Р₂О₅; 2СаО·3Р₂О₅; CaO·Р₂О₅; 2CaO·Р₂О₅; 3СаО·Р₂О₅ и 4СаО·Р₂О₅, различающихся прочностью химической связи. При применении различных фосфатов кальция можно получать в конечном продукте смесь алюминатов кальция с содержанием Al₂O₃ в диапазоне мас.%: 37-92.

Для достижения такого технического результата приготавливают термитную смесь, смешивая окислитель (материал, содержащий фосфаты кальция) и горючее - алюминий, загружают полученную смесь в замкнутый реактор, разогревают смесь до инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и проводят реакции в режиме горения за счет тепла химической реакции термосинтеза фосфора и алюминатов кальция. Алюминий дозируют исходя из количества кислорода, выделяющегося при восстановлении оксида фосфора до фосфора по реакции .

При использовании рудного сырья количество алюминия в шихте увеличивается с учетом восстановления примесных легковосстановимых окислов.

Введение при смешивании таких добавок, как Si, Mg, Fe, в различных количествах уменьшают температуру реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, уменьшают количество тепла, загрязняют при этом продукт.

Пример 1. Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения использовали измельченные на мельнице апатит (окислитель), алюминиевый порошок марки АВ92 (горючее). Порошки дозировались в заданном соотношении, механически смешивались всухую в атмосфере воздуха в мельнице. Полученный образец шихты загрузили в герметичный контейнер в корундовом тигле, инициировали реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с помощью подогрева шихтовых материалов до начала реакции. Под действием выделенного тепла реакции при горении термитной смеси происходило плавление шихты в режиме горения. Температура и скорость горения, количество выделяемой теплоты при реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза были достаточными для восстановления фосфора и плавления алюминатов кальция. Результаты эксперимента по данному примеру представлены в табл.1. Твердый продукт, получаемый при сгорании, представляют собой застывший шлак системы CaO-Al₂O₃.

Образующиеся алюминаты кальция, изготовленные по заявляемой технологии, можно использовать в качестве клинкера для производства портландцемента, глиноземистого и высокоглиноземистого цемента.

В процессе горения происходит восстановление Р₂О₅ из фосфата кальция до газообразного фосфора, вследствие чего газообразный фосфор может без дополнительной очистки отправляться на последующий передел для получения товарных продуктов (Р_ж,тв, Р₂О₅, Н₃РО₄ и их производных).

Таблица А1 Результаты эксперимента с апатитом и алюминиевым порошком Показатели Расчетные Экспериментальные 1. Состав шихты, %: апатит с содержанием СаО 57,45%, Р₂О₅ 40,65%; 78,2 77,5 алюминиевый порошок марки АВ92 21,8 22,5 2. Температура процесса, К: 1900 1800 3. Выход продуктов реакции, %:     шлак 86,62 86,9 фосфор 13,38 13,1 4. Химический состав шлака, %:     СаО 50,56 49,1 Аl₂O₃ 46,00 44,9 Р₂О₅ 0,94 0,98 5. Основная минералогическая фаза по данным рентгенофазового анализа:     основная фаза 12СаО·7Аl₂O₃ 12СаО·7Аl₂O₃ присутствуют незначительно   3СаО·Аl₂O₃,     3СаО·Р₂О₅ и другие

Пример 2. Использовали измельченные на мельнице фосфорит (окислитель), алюминиевый порошок марки АВ92 (горючее). Порошки дозировались в заданном соотношении, механически смешивались всухую в атмосфере воздуха в мельнице. Полученный образец шихты загрузили в герметичный контейнер в корундовом тигле, инициировали реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с помощью подогрева шихтовых материалов до начала реакции. Под действием выделенного при горении термитной смеси тепла реакции происходило плавление шихты в режиме горения. Результаты эксперимента по данному примеру представлены в табл.2.

Таким образом, использование предлагаемого способа совместного получения алюминатов кальция и фосфора из фосфатов кальция обеспечивает получение шлаков системы CaO-Al₂O₃ заданных составов, соответствующих наилучшим маркам глиноземистых и высокоглиноземистых цементов, и газообразного фосфора принципиально новым способом при минимальных энергетических затратах, высокой производительности, а также упрощение технологической схемы и, как следствие, снижение стоимости готовой продукции.

Изобретение может быть использовано для получения глиноземистого цемента, портландцемента и синтетического шлака, удобрений, моющих средств, термической фосфорной кислоты. Готовят шихту из порошков фосфата кальция в качестве окислителя и металлического алюминия в качестве горючего. Шихту загружают в замкнутый реактор, разогревают до инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и выдерживают в режиме горения до окончания реакции. Твердый продукт представляет собой смесь оксидов кальция и алюминия. Изобретение позволяет в одну стадию получать из фосфата кальция алюминаты кальция и газообразный фосфор, который без дополнительной очистки может быть использован для получения товарных продуктов. 2 табл.

Способ совместного получения фосфора и алюминатов кальция из реакционноспособной шихты, включающей фосфат кальция и алюмосодержащий компонент, отличающийся тем, что фосфат кальция используется в качестве окислителя и алюминий - в качестве горючего, загружают полученную шихту в замкнутый реактор, разогревают до инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и проводят реакцию в режиме горения.