Каолин (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O) содержит около 391 TP3T оксида алюминия по весу. Это делает его перспективным сырьем для производства высокочистого оксида алюминия (HPA), который имеет чистоту выше 99,991 TP3T и используется в сапфировых подложках светодиодов, покрытиях сепараторов литиевых батарей и полупроводниковых компонентах. Существует несколько технологических способов преобразования каолина в HPA. Каждый способ включает в себя различное оборудование для измельчения, классификации, прокаливания и выщелачивания.
Почему каолин подходит в качестве сырья для производства HPA?
Каолин — распространенный, недорогой материал с четко выраженной кристаллической структурой. Теоретическая химическая формула каолина — Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, в которой теоретическое содержание оксида алюминия достигает 39,53 мас.% (%). Такое соотношение придает каолину экономическую и техническую ценность как источнику оксида алюминия, особенно на фоне все более дефицитных ресурсов высококачественных бокситов. При нагревании до 500–700 °C каолинит теряет структурную воду и превращается в метакаолин — аморфную фазу, которая гораздо более реакционноспособна в кислоте, чем исходный минерал. Именно этот этап термической активации делает возможным последующее химическое извлечение оксида алюминия при разумных концентрациях кислоты и температурах.
Главная проблема — содержание кремнезема. Каолин содержит примерно 461 ТБ3Т кремнезема, и для его удаления с целью достижения чистоты глинозема 99,991 ТБ3Т требуется либо кислотное выщелачивание, которое растворяет глинозем, оставляя кремнезем, либо щелочные процессы, которые делают обратное. Выбор метода определяет необходимое оборудование на последующих этапах обработки.
Маршрут 1: Кислотное выщелачивание метакаолина
Наиболее распространенный способ получения ГПА из каолина использует соляную кислоту (HCl) или серную кислоту (H₂SO₄) для извлечения алюминия из прокаленного каолина.
Процесс начинается с измельчения. Сырая каолиновая руда измельчается до контролируемого размера частиц, обычно D90 менее 45 микрон (325 меш), чтобы увеличить площадь поверхности для реакций обжига и выщелачивания. Стандартная установка для этого этапа — шаровая мельница в паре с воздушным классификатором. Классификатор контролирует верхний слой и возвращает в мельницу частицы большего размера, что обеспечивает узкое распределение частиц по размерам на входе и повышает эффективность выщелачивания.
После измельчения порошок каолина обжигают во вращающейся печи или печи с псевдоожиженным слоем при температуре от 600 до 800 °C. Цель состоит в превращении каолинита в метакаолин без чрезмерного обжига, который снизил бы реакционную способность. Затем обожженный материал выщелачивают соляной кислотой при температуре от 80 до 100 °C. Алюминий растворяется в виде хлорида алюминия, а диоксид кремния остается в виде нерастворимого остатка и удаляется фильтрацией.
Раствор хлорида алюминия проходит этапы очистки, включая экстракцию растворителем или кристаллизацию, для удаления железа, натрия и других примесей. Затем очищенный раствор осаждают в виде гидроксида алюминия или основного хлорида алюминия и прокаливают при температуре от 1100 до 1300 °C для получения альфа-оксида алюминия с чистотой выше 99,991 TP3T.
Маршрут 2: Щелочной процесс спекания
Второй способ заключается в смешивании молотого каолина с карбонатом натрия и спекании смеси при температуре от 900 до 1100 °C. Спеченный продукт содержит алюминат натрия и силикат натрия. Выщелачивание водой растворяет алюминат натрия, оставляя после себя кремнеземный остаток.
Затем раствор алюмината натрия обрабатывают CO₂ или используют в качестве затравки для осаждения гидроксида алюминия, который затем прокаливают до оксида алюминия. Этот способ позволяет избежать использования сильных кислот, но требует более высоких температур спекания и тщательного контроля соотношения Na₂CO₃ к каолину. Измельчающее оборудование для этого способа должно справляться как с исходным каолином, так и со спеченным клинкером, который является более твердым и абразивным.
Маршрут 3: Хлоридный процесс
Третий способ предполагает хлорирование прокаленного каолина при высокой температуре с образованием паров хлорида алюминия, которые затем отделяются от хлорида кремния и других примесей методом фракционной конденсации. Хлорид алюминия окисляется до оксида алюминия. Этот способ позволяет достичь очень высокой чистоты, но требует специализированного коррозионностойкого оборудования и строгих правил обращения с газами. В коммерческом производстве он встречается реже, чем способ кислотного выщелачивания.
Подготовка кормов: измельчение и классификация.
Независимо от способа добычи, первым шагом всегда является измельчение каолиновой руды до подходящего размера частиц. Схема измельчения напрямую влияет на равномерность обжига и кинетику выщелачивания. Крупные частицы обжигаются неравномерно и выщелачиваются медленно, снижая общий выход глинозема. Мелкие частицы увеличивают энергопотребление и могут вызывать проблемы с фильтрацией на последующих этапах.
Типичная схема включает в себя вальцовую или шаровую мельницу, за которой следует воздушный классификатор. Классификатор устанавливает пороговое значение размера частиц, обычно D90, равное 30–45 микронам, для подачи при кислотном выщелачивании. Для щелочного спекания часто допустима более крупная фракция около 75 микрон (200 меш), поскольку реакция спекания менее чувствительна к размеру частиц.
Эпический порошок поставки Вертикальная валковая мельница серии SRM в паре с ИТК или ХТС Турбовоздушный классификатор для схем измельчения каолина. Мельница SRM измельчает каолин путем сжатия и сдвига между валком и измельчающим столом, что потребляет меньше энергии, чем шаровая мельница при той же производительности. Классификатор ITC использует одноступенчатый турбинный ротор для получения частиц размером от 10 до 150 микрон. Классификатор HTS использует многороторную конструкцию для получения более тонких частиц размером до D97 (3 микрона), с более четким распределением частиц по размерам, что помогает предотвратить попадание крупных частиц в сыпучий материал.
Для минимизации загрязнения железом рекомендуется использовать мельницы и классификаторы с керамической футеровкой. Даже небольшое количество железа, попавшего в мельничные шары из стали, может осложнить последующие этапы очистки, поскольку железо является одной из самых трудноудаляемых примесей из алюминиевого раствора. Компания Epic Powder предлагает варианты футеровки из оксида алюминия и диоксида циркония как для мельниц SRM, так и для классификаторов ITC/HTS, чтобы снизить уровень попадания железа.
Оборудование для кальцинирования
Температура и время выдержки при кальцинировании определяют степень превращения каолинита в метакаолин. Вращающаяся печь обеспечивает хорошую равномерность температуры и позволяет обрабатывать большие объемы материала. Для небольших объемов производства или при необходимости точного контроля температуры, печь с псевдоожиженным слоем обеспечивает более быструю передачу тепла и лучший контроль фазы метакаолина.
Переобогащение при температуре выше 900 °C превращает метакаолин в шпинельную фазу, а затем в муллит, который гораздо менее реакционноспособен в кислой среде. Контроль температуры на выходе из печи обжига и поддержание ее в пределах 50 °C имеет решающее значение для стабильной эффективности выщелачивания.
Контроль примесей
Железо, натрий, калий и титан являются основными примесями, ограничивающими конечную чистоту глинозема. Железо попадает в руду из самой руды и из измельчительного оборудования. Использование мельниц с керамической футеровкой и мелющих тел из глинозема снижает загрязнение железом на этапе добычи. Натрий и калий поступают из примесей полевого шпата и слюды в каолиновом месторождении. Селекция руды и этапы обогащения, такие как магнитная сепарация и пенная флотация перед измельчением, могут снизить содержание этих примесей.
После выщелачивания экстракция растворителем со специальными экстрагентами позволяет удалить железо до низких концентраций в частях на миллион (ppm). Многократные циклы кристаллизации дополнительно очищают соль алюминия перед окончательным прокаливанием. Каждый этап очистки имеет свою стоимость, поэтому снижение количества примесей до их попадания в химический процесс экономичнее, чем их удаление позже.
Классификаторы ITC и HTS от Epic Powder с керамической футеровкой обеспечивают классификацию каолина HPA без содержания железа. Керамическая футеровка предотвращает прямой контакт порошка со стальными поверхностями внутри корпуса классификатора и ротора, поэтому содержание железа в большинстве случаев остается ниже 10 ppm.
Выбор оборудования для проекта по преобразованию каолина в HPA.
На стадии измельчения и классификации используется стандартное оборудование для переработки неметаллических минералов. Шаровая мельница с воздушным классификатором, футеровка которой выполнена из керамики там, где важен контроль содержания железа, хорошо справляется с подготовкой каолина. Для стадии обжига выбор оборудования зависит от производительности и требований к контролю температуры. На стадиях выщелачивания и очистки требуются коррозионностойкие материалы, такие как реакторы с футеровкой из стекла, трубопроводы с футеровкой из ПТФЭ и титановые теплообменники.
Эпический порошок Компания предлагает комплексные системы измельчения и классификации для подготовки сырья для производства каолина HPA. Типичная линия включает в себя вертикальную валковую мельницу SRM, воздушный классификатор ITC или HTS, циклонный пылесборник, пылесборник и панель управления, все компоненты подобраны в соответствии с требуемой производительностью. Система поставляется «под ключ» с поддержкой при монтаже и вводе в эксплуатацию.
Для окончательного обжига до альфа-глинозема необходима печь, способная достигать температуры 1300 °C в контролируемой атмосфере. На этом этапе продукт представляет собой высокоценный порошок, поэтому необходимо проверить наличие загрязнений от огнеупорных материалов печи. Для заключительного этапа обжига обычно используются высокочистые огнеупорные материалы из оксида алюминия или футеровка из карбида кремния.
Испытание материалов
Месторождения каолина различаются по минералогическому составу, профилю примесей и реакционной способности. Перед приобретением оборудования необходимо провести лабораторные испытания конкретной каолиновой руды, чтобы определить оптимальную температуру обжига, концентрацию кислоты, время выщелачивания и ожидаемый выход глинозема. Компания Epic Powder предлагает услуги по анализу материалов для измельчения и классификации, включая анализ гранулометрического состава и тестирование на загрязнение железом с использованием оборудования с керамической футеровкой.
Эпический порошок
В компании Epic Powder мы предлагаем широкий выбор моделей оборудования и разрабатываем индивидуальные решения, отвечающие вашим конкретным потребностям. Наша команда обладает более чем 20-летним опытом в области обработки различных порошков. Epic Powder специализируется на технологиях обработки мелкодисперсных порошков для горнодобывающей, химической, пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности.
Связаться с нами Получите бесплатную консультацию и индивидуальные решения уже сегодня!
Веб-сайт: www.nonmetallic-ore.com
Электронная почта: [email protected]
WhatsApp: +86-15762272120
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем EPIC Powder. Зельда для любых дальнейших запросов».
— Джейсон Ван, Инженер