Министерство образования и науки российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

КАФЕДРА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ЗОЛОТА

НАПРАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЯ

Домашнее задание

на тему: Принципиальная схема переработки лопаритового концентрата с получением металлического ниобия и ее описание.

Выполнил: Миронова К.Л

Группа: МЦМ-09-1

Проверил: Кропачева Е.Н.

Москва 2012

Содержание

1 Введение 3

2 Описание технологических операций 4

2.1 Хлорирование 4

2.2 Конденсация хлоридов 6

2.3 Ректификация 8

2.4 Восстановление водородом в печах КС 10

3 Технологическая схема 11

1 Введение

Лопарит по химической природе – титанониобат натрия, кальция и редкоземельных элементов. Общая формула минерала (Na, Са, Се...)₂ (Ti,Nb)₂О₆. Минерал содержит, %: 39,2-40 ТiO₂; 32-34 (Р3)₂O₃; 8-10 (Nb, Та)₂О₅; 4,2-5,2 СаО; 7,8-9 Na₂О; 2,0-3,4 SrО; 0,2-0,7 К₂О; 0,2-0,7 ТhO₂. Содержание тантала в 15 раз ниже, чем ниобия. Цвет минерала черный, плотность 4,75-4,89 г/см³. В России крупное месторождение лопаритовых руд находится на Кольском полуострове.

Руды обычно бедны содержанием ниобия и тантала (содержание суммы пентоксидов составляет 0,003-0,2%). Ввиду комплексного характера большинства месторождений минералы ниобия и тантала извлекаются попутно с другими ценными минералами (касситеритом, вольфрамитом, литиевыми минералами, бериллом, цирконом и др.).

Основным способом обогащения лопаритовых руд является гравитация (отсадка, концентрация на столах). Получаемые черновые концентраты доводят до требуемых кондиций флотацией, электромагнитным и электростатическим методами.

В лопаритовом концентрате по действующим требованиям должно содержаться не менее 8% (Nb, Та)₂О₅. Обычно рудные концентраты перерабатывают на химические соединения трех типов: оксиды (Та₂О₅, Nb₂O₅), фтористые комплексные соли (К₂ТаF₇, К₂NbF₇) и хлориды.

2 Описание операций

2.1 Хлорирование

Все ценные составляющие лопарита наиболее просто извлечь способом хлорирования. Сущность его состоит в том, что рудный концентрат обрабатывают газообразным хлором при 750–850° С в присутствии угля или кокса. Различия в летучести образующихся хлоридов позволяют разделить основные компоненты концентрата.

Хлориды тантала, ниобия и титана, имеющие сравнительно низкие точки кипения, в процессе хлорирования уносятся с газами и улавливаются в конденсационных устройствах; высококипящие хлориды редкоземельных металлов, натрия и кальция остаются в хлораторе.

Прочные кислородные соединения обычно хлорируют в присутствии углеродсодержащего материала, что позволяет вести процесс при 750–850° С.

Ниже приведены реакции хлорирования основных ценных составляющих лопарита:

Nb₂O₅ + 3С1₂ + 1,5С = 2NbOCl₃ + 1,5СО₂; (1)

Nb₂O₅+ 5С1₂ + 2,5С = 2NbCl₅ + 2,5СО₂; (2)

Та₂О₅+ 5С1₂+2,5С = 2ТаС1₅ + 2,5СО₂; (3)

TiO₂ + 2С1₂ + С = ТiС1₄ + СО₂; (4)

(РЗ)₂О₃ + 3С1₂ + 1,5С = 2(РЗ)С1₃ + 1,5СО₂; (5)

СО₂ + С↔2СО. (6)

Другие образующиеся при хлорировании хлориды: СаС1₂, NаС1, А1С1₃, FеС1₃, SiCl₄. Соотношение СО/СO₂ в газовой фазе зависит от условий хлорирования, которое проводят в хлораторах шахтного типа с брикетированной шихтой или в хлораторах с солевым расплавом. Технология хлорирования брикетированной шихты в шахтной электропечи имеет существенные недостатки: операции приготовления брикетов и их прокаливания связаны со значительными затратами; длительность работы ограничена необходимостью остановки печи для чистки от непрохлорированного остатка.

Эти недостатки устраняются при осуществлении хлорирования в солевом расплаве, разработанном в последние годы. При хлорировании в расплаве тонкоизмельченные концентрат и нефтяной кокс подаются в расплав высококипящих хлористых солей, через который барботирует хлор, поступающий через фурмы в нижнюю часть хлоратора (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема установки для хлорирования лопаритового концентрата в солевом расплаве:

1 - вибромельница; 2 - сушилка концентрата; 3 - шнековый питатель; 4 - рукавные фильтры над бункерами; 5 - хлоратор; 6 - графитовые пористые фильтры; 7 - копильник расплава хлоридов РЗЭ; 8 - конденсатор твердых хлоридов со скребковым устройством; 9 - рукавный фильтр; 10 - конденсатор четыреххлористого титана; 11 - ловушка; 12 - сборник хлорида тантала с погружным насосом; 13 - смеситель-испаритель конденсата хлоридов; 14 - сборник хлоридов

Преимущества хлорирования в солевом расплаве в сравнении с хлорированием брикетированных шихт следующие: исключаются трудоемкие процессы приготовления брикетов и их прокаливания; благодаря эффективному массо- и теплообмену в перемешиваемом барботирующим хлором расплаве обеспечивается высокая скорость процесса и соответственно высокая удельная производительность хлоратора. Процесс хлорирования осуществляется непрерывно.

При хлорировании лопаритового концентрата расплавленная ванна создается образующимися хлоридами натрия, калия, кальция и редкоземельных элементов.

Хлоратор представляет собой шахту прямоугольного сечения с высотой уровня расплава 3,1–3,2 м. По мере хлорирования избыточный расплав непрерывно сливается через переточный канал и собирается в копильнике. Перед переточным каналом расположены фильтры из пористого графита, предназначенные для очистки сливаемого расплава от взвешенных в расплаве частиц концентрата и кокса. Нагревается расплав с помощью графитовых электродов, вмонтированных в стенки хлоратора. Конденсационная система состоит из пылевой камеры для улавливания твердых хлоридов (ниобия, тантала, алюминия, железа), рукавного фильтра с рукавами из стеклоткани (для отделения частиц твердых хлоридов, уносимых потоком газов из пылевой камеры) и оросительного конденсатора для жидкого четыреххлористого титана. Пылевая камера снабжена скребками и охлаждается воздухом. В рукавном фильтре поддерживается температура 120–130° С. Хлорирование ведут при 850–900 °С, среднем содержании лопаритового концентрата в расплаве 1,5% и среднем содержании углерода ~5%. В этих условиях удельная производительность хлоратора по концентрату 4–5 т/(м²-сут).

Особенностью хлорирования в расплаве является преобладание содержания СО₂ над СО в газовой фазе (отношение СО₂:СО в среднем равно 19:1). Из этого следует, что реакции хлорирования оксидов в расплаве идут преимущественно с образованием СО₂, а реакция Будуара (СО₂+С↔2СО) протекает лишь частично, так как пузырьки СО₂ быстро удаляются из расплава, не успевая вступить в реакцию со взвешенными частицами кокса.