Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВО "Башкирский государственный университет"
Инженерный факультет
Кафедра "Инженерной физики и физики материалов"
КУРСОВАЯ РАБОТА
"Технология спекания изделий из глинозема на фосфатных связках"
Выполнил: Зарипова Элина Эльбрусовна
Студент 3 курса очной формы обучения
Направление подготовки 22.03.01
"Материаловедение и технология материалов"
Научный руководитель:
к.х.н., доцент Халиков Р.М.
Уфа-2017
Оглавление
К огнеупорам относятся материалы и изделия, способные выдерживать механические и физико-химические воздействия при высоких температурах (1580°С и выше) и применяемые в качестве футеровки различных теплотехнических агрегатов. Наибольшее применение нашли кремнеземистые, алюмосиликатные и магнезиальные огнеупоры.
Цель курсовой работы - рассмотрение особенностей технологии спекания изделий из глинозема на фосфатных связках.
Объект исследования: Технология спекания керамических материалов.
Предмет исследования: Изделия из глинозема на фосфатных связках.
Задачей курсовой работы является углубленное изучение теоретического материала по теме технологического процесса спекания глиноземов, а также рассмотрение основных понятий, касающихся темы исследования: характеристика сырья и готового продукта, технологическая схема производства глинозема 2-мя способами: Байера и спекания; детальное рассмотрение всех составляющих производственного процесса: технологии всех машин, устройств и аппаратов, которые в нем задействованы.
Производство и использование корундовых изделий на базе глинозема являются инновационными, так как корунд обладает термической, механической и химической устойчивостью, высокой технологичностью, позволяющей изготовить разнообразные изделия от беспористых (спеченная керамика) до высокопористых (теплоизоляционных); из корунда можно изготовлять мелкие и крупные изделия; в больших и малых масштабах производства, например, штучные огнеупоры.
Глава 1. Подготовка исходного глинозема и неорганических вяжущих
1.1 Технология производства глинозема из бокситов
Способ Байера - это гидрохимический способ получения глинозема из бокситов. Этот способ был открыт в России Карлом Иосифовичем Байером в 1895-1898 гг.
Большой вклад в разработку способа, особенно для выщелачивания бокситов диаспор-бемитового типа, внесли ученые Д.П. Манойлов, Ф.Н. Строков, Ф.Ф. Вольф, И.С. Лилеев, С.И. Кузнецов и др. В настоящее время более 95 % глинозема получают способом Байера.
Глинозём - это технический оксид алюминия Al2O3 - белый кристаллический порошок, состоящий из модификаций б- Al2O3 и г- Al2O3. Нерастворим в воде; содержит небольшое количество примесей: SiО2, Fe2O3, TiO2, V2O5, Cr2O3, MnO, ZnO, P2O5, Na2O, K2O, H2O - в сумме не более 0,95- 1,88 %.
Способ Байера основан на свойстве алюминатных растворов находиться в метастабильном (относительно устойчивом) состоянии при повышенных температурах и концентрациях (Na2O и Al2O3) и на самопроизвольном разложении (гидролизе) растворов с выделением в осадок гидроксида алюминия с понижением температуры и концентрации Na2O.
Суть способа Байера состоит в выщелачивании предварительно измельченного боксита щелочно-алюминатным раствором и дальнейшем выделении из раствора гидроксида алюминия. Алюминий содержащие минералы взаимодействуют с раствором щелочи (NaOH), в результате чего алюминий переходит в раствор в виде алюмината натрия.
В основе способа лежат реакции
По реакции (1) происходит растворение минералов боксита (гиббсита, бёмита, диаспора) в щелочном растворе. Реакция (2) соответствует процессу разложения насыщенного алюминатного раствора.
В зависимости от состава боксита и местных условий могут быть различные варианты этой схемы. Технологические параметры способа Байера (температуры, концентрации растворов и т.д.) могут колебаться в относительно большом диапазоне, в зависимости от типа и качества боксита.
Технология способа Байера. Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим объемом оборотного щелочного раствора (ж:т = 0,8_1,9) и направляют в мельницу мокрого размола. Такое низкое отношение ж:т в мельнице обеспечивает максимальную ее производительность. К диаспоровому бокситу добавляют 3-5 % извести. Мельницы обычно работают в замкнутом цикле с классификаторами, которые иногда заменяют или дополняют гидроциклонами. Пульпа из мельниц - "сырая" пульпа - собирается в сборниках, куда подают остальное количество оборотного раствора с Na2O = 300 г/л. Здесь ее нагревают паром сепарации до 90-100°С и выдерживают 4-8 часов при перемешивании для предварительного обескремнивания боксита, т. е. перевода большей части активного кремнезема из боксита в раствор:
SiO2тв + 2NaOH р-р = Na2SiO3р-р + H2O
р-р и далее в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия (ГАСН):
1,7Na2SiO3р-р + 2NaAl(OH)4р-р = Na2O·Al2O3·1,7 Si O2n H2Ovтв + 3,4NaOH р-р + 1,3 H2Oр-р.
Этим достигается меньшее зарастание алюмосиликатной накипью трубок подогревателей, через которые пульпа проходит в автоклавы.
Далее "сырая" пульпа поршневыми насосами подается в систему подогревателей, где пульпа сепараторным паром (или вареной пульпой) нагревается до 140-160 °С. Такое ограничение нагрева пульпы связано с тем, что при более высокой температуре на внутренних поверхностях греющих трубок интенсифицируется процесс выделения осадков, содержащих соединения титана, хрома, кальция, фосфора, в результате чего существенно снижается теплопередача.
После нагрева "сырая" пульпа поступает в батарею автоклавов колонного типа для выщелачивания боксита по реакции (1). В первые два автоклава, называемые греющими, поступает "острый" пар с ТЭЦ (Рпар= 28-30 атм/2,8-3 МПа, t = 300 °С), нагревающий пульпу до 230-240 °С. В последующих реакционных автоклавах (8-10 шт.) батареи производится выдержка пульпы, в зависимости от типа боксита, в течение 1,5-2,5 часов. Автоклавы работают в режиме, близком к идеальному вытеснению. Продуктом выщелачивания является так называемая "вареная" пульпа, которая состоит из взвеси: раствора алюмината натрия и нерастворимого остатка боксита - красного шлама.
Из последнего автоклава батареи "вареная" пульпа (Na2O = 290-295 г/л, Al2O3= 250-270 г/л) перетекает в систему сепараторов (пароотделителей) последовательно - сначала в сепаратор I ступени, затем в сепаратор II ступени, где от самоиспарения "вареной" пульпы образуется пар - процесс дросселирования. Высокотемпературный пар сепаратора I ступени (Р = 2,25>0,6-07 МПа, t = 165-170 °С) используется для предварительного нагрева "сырой" пульпы в подогревателях перед автоклавным выщелачиванием, пар сепаратора II ступени (Р = 0,6-0,7>0,16-0,2 МПа, t = 125-130 °С) используется для подогрева "сырой" пульпы или нагрева промводы. (Для более эффективного использования тепловой энергии сепараторного пара рекомендуется использовать 3-, 4- и т.д. кратную сепарацию.)
Из последнего сепаратора пульпа поступает в агитатор "вареной" пульпы, где давление снижено до атмосферного, а температура - до 95-100°С. Пар с агитатора используется для подогрева в полочном подогревателе барометрической воды до 90 °С, используемой при промывке красного шлама.
"Вареная" пульпа из агитатора насосом подается в мешалки для разбавления промывной водой c Na2Oобщ = 45-50 г/л и б К = 1,7-1,8 до состава Na2Oобщ = 140-150 г/л, Al2O3 = 125-135 г/л, б К = 1,6-1,7 и µ Si = 250-300 и далее на отделение и промывку красного шлама в систему 4-5 сгустителей, работающих по принципу противотока при t = 100-105 °С. Разбавление "вареной" пульпы осуществляют для уменьшения вязкости и дополнительного обескремнивания раствора. Процесс сгущения красного шлама очень медленный, обусловлен осаждением очень мелких частиц и наличием одноименных электрических зарядов на их поверхности. Для ускорения сгущения добавляются специальные вещества - коагулянты и/или флокулянты, которые обеспечивают укрупнение мелких частиц с образованием более крупных агрегатов. Промытый и сгущенный в последнем сгустителе красный шлам откачивается в отвал на шламовое поле; промывные воды используют для разбавления "вареной" пульпы.
Алюминатный раствор (слив) из первого (основного) сгустителя с содержанием твердого 1-5 г-тв/л подается на контрольную фильтрацию для отделения взвеси шлама, полученный раствор должен содержать не более 0,01 г-тв/л. Чистый алюминатный раствор (Na2Oобщ = 150-160 г/л, Al2O3 = 125-135, б К = 1,65-1,7, µ Si = 250-300) охлаждается до 60-75 °С в теплообменниках и поступает вместе с затравочным гидроксидом алюминия на декомпозицию (разложение) в батарею декомпозеров; температура в "хвостовом" декомпозере- 47-55 °С.
Для ускорения процесса декомпозиции вводят свежеосажденные кристаллы гидроксида алюминия - затравочный гидроксид. Происходит разложение по реакции
После декомпозиции, по реакции (5) в течение 40-100 часов, получается пульпа, состоящая из выпавшего в осадок гидроксида алюминия и маточного щелочного раствора. Пульпу направляют на сгущение, отделяется маточный раствор (слив), а сгущенный гидроксид алюминия после классификации по крупности (или без нее) делят на две части: одну часть (крупная фракция в случае классификации) тщательно отмывают от щелочи и отправляют на кальцинацию; другую часть (около 3/4 всего гидроксида) используют в качестве затравки. Иногда затравочный гидроксид также предварительно промывают, но не так тщательно, как товарный (для кальцинации).
При работе предприятия только по способу Байера для уменьшения удельного расхода свежей каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют в воде для каустификации известковым молоком (раствор + взвесь Ca(OH)2) по реакции
NaCO3 + Ca(OH)2 - 2NaOH + CaCO3
Получающийся при этом разбавленный раствор каустической щелочи упаривают вместе с маточным раствором или же в отдельных выпарных аппаратах. К упаренному маточному раствору добавляют свежую едкую щелочь (гидроксид натрия - NaOH) для возмещения химических и механических потерь NaOH, и полученный оборотный раствор вновь направляют на выщелачивание новых порций боксита - схема Байера работает в замкнутом цикле по щелочи.
Готовый гидроксид алюминия Al(OH)3 прокаливают при температуре около 1200 °С во вращающихся барабанных печах или в печах "кипящего слоя" при температуре 1050 °С, топочные газы печей тщательно очищают от глинозема.
Процесс кальцинации можно описать выражением:
(гидроксид алюминия) Al(OH)3 > Al2O3 (глинозём)
Способ Байера - самый дешевый и распространенный в мире. Однако для его осуществления необходимо использовать высококачественные бокситы с относительно невысоким содержанием кремнезема - SiO2. Байеровский боксит должен иметь высокий кремневый модуль µSi ? 6-8 и не содержать больших количеств серы и CO2, которые осложняют переработку боксита по этому способу. В настоящее время способ Байера - основной способ производства глинозема во всем мире.
1.2 Методы получения фосфатных связок
глинозем боксит фосфатный спекание
Известно связующее, включающее гидрат окиси алюминия, продукт переработки боратовой руды и ортофосфорную кислоту (авт. св. СССР N 1263672 кл. C 04 B 28/34, 1986, Б.И. N 38). Данное связующее позволяет получить покрытия с малой пористостью. Однако данное связующее обладает рядом недостатков: низкая стабильность при хранении покрытия на такой основе требует термической обработки при температуре 120? С.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения фосфатного связующего, включающий перемешивание ортофосфорной кислоты с гидратом окиси алюминия и введение восстановителя - 37% раствор формалина (авт. св. СССР N 536125, кл. C 04 B 12/02, 1966 г.).
Применение известного связующего позволяет сократить время отверждения композиций, а покрытия с данным связующим обладают хорошими адгезионными характеристиками. К недостаткам известного связующего относится длительность синтеза и нестабильный состав конечного продукта. Технический результат, достигаемый данным изобретением, заключается в упрощении способа снижения времени синтеза, достижения более стабильного состава конечного продукта.