1.1 Организация производственного процесса Лопаритовый концентрат

ВВЕДЕНИЕ
Тантал и ниобий - важнейшие промышленные материалы, обладающие рядом ценных свойств (тугоплавкость, жаропрочность, пластичность, коррозионная стойкость, магнитная ёмкость). Несмотря на малую распространенность (содержание тантала в земной коре ≥ 2,5∙10-4 %, ниобия 2∙10-3 %) эти металлы применяют в ряде областей техники, важнейшие из которых - производство конденсаторов (Ta), легирование сталей (Nb), жаропрочные и жаростойкие сплавы, химическое машиностроение.
В 70-е годы прошлого столетия Советский Союз быт 3-й мировой редкоземельной державой. В стране производилось 8500 т редкоземельных элементов в пересчете на оксиды (РЗО). Все это количество сбывалось, т.е. складских запасов не накапливалось. 14% от указанного количества направлялось на экспорт практически во все высокоразвитые страны мира (США, Япония, Германия и др.). В стране работало 9 редкоземельных производств. Основными разработчиками технологии РЗЭ были институты Гиредмет и ВНИИХТ, которые работали в тесном сотрудничестве с научными коллективами заводов.
В настоящее время прогнозные ресурсы редкоземельных металлов России оцениваются как крупные и составляют 5,2 млн. тонн в пересчете на сумму оксидов этих металлов; практически все это - ресурсы высоких категорий (Р1 и Р2). Запасы редкоземельных металлов России обеспечивают ей второе место в мире после Китая. Почти три четверти их сконцентрировано в Мурманской области, еще около 16% - в Республике Саха (Якутия).
В большинстве российских месторождений суммарное содержание оксидов редкоземельных элементов ниже, чем в зарубежных: оно редко превышает 1%, в то время как среднее содержание в рудах разрабатываемых китайских месторождений - 5%.
В России на сегодняшний день лопарит - это единственный перерабатываемый в промышленном масштабе концентрат с попутным получением редкоземельной продукции. Уровень переработки этого концентрата доходил на заводе Силмет в 8о-х годах до 16 тыс. т, т.е. производилось 4000 т РЗО/г.
Сегодняшние мощности Соликамского магниевого завода (СМЗ) составляют не более 1500 т РЗО/г. Продукцией является суммарный редкоземельный концентрат, который следует использовать для получения из него индивидуальных лантана, церия, неодима и празеодима. К сожалению, в России до сих пор не создано экстракционного разделительного производства с целью получения перечисленных элементов легкой группы.
1 ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
1.1 Организация производственного процесса
Лопаритовый концентрат является сложным комплексным сырьем, содержащим оксиды большого количества химических элементов. Используемый для переработки концентрат марки КЛ-1 содержит по меньшей мере 95% лопарита и более.
В соответствии с действующими техническими условиями лопарит содержит, вес.%: - оксид тантала (Ta2O5) - 0,57, - оксид ниобия (Nb2O5) - 8,14, - оксид титана (TiO2) - 38,1, - оксиды редкоземельных металлов цериевой группы, в основном, оксиды лантана, церия, празеодима и неодима - 32, - оксид натрия - 7,9-9,06, - оксид кальция - 4,2-5,7, - оксид тория - 0,54 и в незначительных количествах стронций, железо, кремний, алюминий, калий и фосфор.
Основные способы переработки лопаритового концентрата, именуемые хлорной и серно-кислотной технологиями. Переработка лопаритового концентрата способом хлорирования является более простой с технологической точки зрения (А.Н. Зеликман и др. "Металлургия редких металлов", М., Металлургия, 1978, 560 с.). Его сущность состоит в том, что лопаритовый концентрат предварительно подвергают сухому помолу и шихтовке с коксом. Шихту подвергают воздействию 100% осушенным газообразным хлором при температуре 750-850°С. Различия в летучести образующихся хлоридов компонентов лопаритового концентрата позволяют разделить его основные ценные составляющие. Хлорная технология переработки лопарита обеспечивает извлечение 93-94% ниобия и 86-88% тантала в технические оксиды, 96,5-97% титана в технический тетрахлорид, извлечение 95,5-96% РЗЭ в плав хлоридов. Однако хлорная технология очень опасна и вредна для обслуживающего персонала, а также окружающей среды из-за применяемого в больших количествах хлора, и поэтому в настоящее время она не применяется.
Более безопасным является способ переработки лопаритового концентрата с использованием концентрированной серной кислоты (А.Н. Зеликман и др. "Металлургия редких металлов", М., Металлургия, 1978, 560 с.). Серно-кислотный способ основан на разложении лопаритового концентрата серной кислотой и разделении ценных составляющих с использованием различий в растворимости двойных сульфатов титана, ниобия, тантала и редкоземельных элементов. Исходный концентрат лопарита измельчают до крупности 0,075 мм. Вскрытие концентрата осуществляют с помощью 85% серной кислоты. В результате вскрытия, протекающего при температуре 150-250°C, ниобий, тантал и титан образуют хорошо растворимые сульфаты, а редкоземельные элементы образуют малорастворимые двойные сульфаты. Продукт сульфатизации подвергают водному выщелачиванию. В результате этого в твердой фазе остаются сульфаты РЗЭ, а жидкая фаза представляет собой сернокислый раствор титана, ниобия и тантала. Титан из данного раствора в виде малорастворимой соли сложного состава осаждают сульфатом аммония. Термическим воздействием на данную соль получают технический диоксид титана. Остающийся после выделения титана раствор содержит тантал и ниобий, извлекаемые экстракцией с применением плавиковой кислоты. Для извлечения РЗЭ осуществляют дополнительный самостоятельный технологический цикл конверсии сульфатов РЗЭ в карбонаты.
Данный способ переработки лопаритового концентрата обеспечивает извлечение РЗМ и ТМ в примерно такие же конечные продукты, как и при хлорной технологии. В нем для вскрытия концентрата используется более безопасный для окружающей среды химический реагент - серная кислота.
Данный способ переработки лопаритового концентрата обладает рядом существенных недостатков. Основным из них является то, что сразу же на первом этапе переработки - вскрытии до 25-30% тантала и ниобия уходят с сульфатами РЗЭ. Для возвращения тантала и ниобия приходится осуществлять дополнительную переработку отвального кека РЗЭ. Кроме того безвозвратно теряются тантал и ниобий с кристаллами титановой соли при ее высаливании из сернокислого раствора. Сернокислотный способ является многостадийным, состоящим из отдельных периодических операций, которые невозможно объединить в единую автоматически управляемую схему. Все это делает способ сложным, дорогостоящим и громоздким по аппаратурному оформлению.
Наиболее перспективна технология азотно-кислотного вскрытия лопаритового концентрата.
В соответствии с этим способом исходный концентрат лопарита измельчают до крупности частиц не более 0,075 мм путем мокрого помола. Вскрытие лопаритового концентрата осуществляют концентрированной 70-75%-ой азотной кислотой при исходной концентрации кислоты в пульпе С = 600-700 г/л и температуре 115-118oC. В результате вскрытия концентрата азотной кислотой получают азотнокислую пульпу гидратного кека окислов тугоплавких металлов (ОТМ) и объединенный азотнокислый раствор редкоземельных элементов (РЗЭ) с примесями и активностью. Затем азотнокислую пульпу гидратного кека разбавляют водой и охлаждают. После охлаждения осуществляют фильтрацию раствора азотнокислой пульпы гидратного кека и последующую его отмывку чистой водой от азотнокислых растворов редкоземельных элементов и примесей. Гидратный кек является исходным продуктом для получения из него окислов тугоплавких металлов. Объединенный азотнокислый раствор редкоземельных элементов со всеми примесями и активностью подвергают дезактивации с последующей фильтрацией. Чистый нитратный раствор РЗЭ является исходным продуктом для получения из него карбонатов редкоземельных элементов.
По сравнению с сернокислотной технологией переработки лопаритового концентрата данный способ обладает рядом преимуществ. Способ уже на самом начальном этапе вскрытия обеспечивает полное отделение тантала, ниобия и титана от редкоземельных элементов, радиоактивных и других примесей. Полученный гидратный кек ОТМ и нитраты РЗЭ находятся в удобном для последующей переработки виде.
При всех своих преимуществах способ обладает рядом недостатков. Вскрытие лопаритового концентрата осуществляется только лишь специальной 70-75% азотной кислотой. 70-75% азотная кислота является сильно действующей ядовитым веществом (СДЯВ), что усложняет ее транспортировку, хранение и тем более работу с ней. Вследствие очень высокой прочности и плотности упаковки кристаллической решетки минерала, применение даже столь высококонцентрированной кислоты и высоких температур в способе-прототипе, не обеспечивают полного вскрытия концентрата. Способ имеет значительные энергетические затраты, являющиеся следствием высокой температуры и большой продолжительности процесса. Кроме того при реализации способа имеет место низкая скорость фильтрации получаемой пульпы вскрытия из-за наличия в ней геля, образующегося при столь высоких температурах из соединений кремния, содержащегося в примесных минералах (кварц, эгирин) и выделяющегося при их разложении.