Переработка алюминийсодержащих руд

Москва  2020

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 
 
Кафедра цветных металлов и золота

С.С. Киров
Р.Т. Хайруллина

ПЕРЕРАБОТКА 
АЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩИХ РУД

Практикум

Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей и направлений  
22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебного пособия  
при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся,  
соответственно, по направлениям 22.03.02 и 22.04.02  
«Металлургия»

№ 4230

УДК 669.71 
 
К43

Р е ц е н з е н т ы 
канд. техн. наук О.А. Брагазина;  
канд. техн. наук Г.Н. Климентенок

Киров С.С.
К43  
Переработка алюминийсодержащих руд : практикум / С.С. Киров, Р.Т. Хайруллина. – М. : Изд. Дом 
НИТУ «МИСиС», 2020. – 130 с.
ISBN 978-5-907227-33-0

 Практикум включает в себя лабораторные работы: определение 
концентраций Na2O и Al2O3 в алюминатных растворах глиноземного 
производства, изучение кинетики выщелачивания бокситов по способу Байера, исследование влияния расхода флокулянтов на скорость 
осаждения красного шлама, изучение процесса выпаривания алюминатного раствора при атмосферном давлении, исследование процесса кальцинации гидроксида алюминия с использованием метода 
термического анализа, расчет материальных потоков глиноземного 
производства при переработке бокситов по способу Байера, изучение 
процесса спекания глиноземсодержащих шихт, изучение процесса 
карбонизации алюминатного раствора СО2-содержащими газами, 
позволяющие приобрести студентам практические навыки. Для лучшего усвоения теоретического материала каждая из работ содержит 
контрольные вопросы и задания.
Предназначен для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлениям 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия», и 
может быть использован для подготовки к квалификационным экзаменам.

УДК 669.71

© Киров С.С.,  
Хайруллина Р.Т., 2020
ISBN 978-5-907227-33-0
© НИТУ «МИСиС», 2020

Содержание

Введение ........................................................................... 4
Лабораторная работа 1 – Определение концентраций Na2O 
и Al2O3 в алюминатных растворах  
глиноземного производства ................................................. 6
Лабораторная работа 2 – Изучение кинетики выщелачивание 
бокситов по способу Байера ............................................... 20
Лабораторная работа 3 – Исследование влияния расхода 
флокулянтов на скорость осаждения красного шлама ........... 31
Лабораторная работа 4 – Изучение процесса выпаривания 
алюминатного раствора при атмосферном давлении .............. 43
Лабораторная работа 5 – Исследование процесса кальцинации 
гидроксида алюминия с использованием метода  
термического анализа ....................................................... 53
Лабораторная работа 6 – Расчет материальных потоков 
глиноземного производства при переработке бокситов  
по способу Байера ............................................................ 65
Лабораторная работа 7 – Изучение процесса спекания 
глиноземсодержащих шихт ............................................... 76
Лабораторная работа 8 – Изучение процесса карбонизации 
алюминатного раствора СО2-содержащими газами ................ 88
Заключение .................................................................... 98
Приложения ................................................................... 99
Список рекомендуемой литературы ...................................129

Введение

Настоящий лабораторный практикум предназначен для 
студентов, обучающихся по направлению 22.03.02 и изучающих 
курс «Производство алюминия и магния. Раздел: Производство 
глинозема».
Основными целями настоящего практикума являются:
 - закрепление знаний, полученных на лекциях, путем иллюстрации наиболее важных теоретических положений;
 - приобретение практических навыков при осуществлении соответствующих процессов на лабораторных установках.

В процессе выполнения лабораторных работ моделируются основные технологические переделы производства глинозема, 
проводится аналитический контроль технологических растворов, исследуется влияние различных факторов на показатели 
процессов. 
Занимающаяся в лаборатории группа делится на бригады, 
благодаря чему реализуется требование о максимальной самостоятельности студентов при выполнении работы. Бригады выполняют лабораторные работы по индивидуальному графику. 
Индивидуальные задания формируются с учетом взаимодополнения результатов, полученных каждой бригадой, с целью выработки у студентов универсальных компетенций коммуникации 
и работы в команде.
В начале работы преподаватель знакомит студентов с задачами практикума и правилами внутреннего распорядка в лаборатории. О получении инструктажа по технике безопасности 
студенты расписываются в специальном журнале (листе инструктажа по технике безопасности).
Своевременное выполнение необходимого объема работы 
в лаборатории предусматривает домашнюю подготовку студентов по теоретическим вопросам к каждой работе практикума, 
связанной с соответствующей темой.
В начале каждого лабораторного занятия студенты обязаны пройти допуск к работе, целью которого является проверка 
готовности студента к выполнению работы.
Студенты, не получившие допуск, не участвуют в выполнении лабораторной работы, а занимаются самоподготовкой. 

Выполнение работы в этом случае переносится на дополнительные занятия, назначаемые кафедрой.
Защита лабораторной работы осуществляется после ее выполнения при наличии полностью оформленного конспекта (расчеты, выводы) на лабораторном занятии либо в дополнительное 
время, назначаемое кафедрой.

Лабораторная работа 1  
Определение концентраций Na2O и Al2O3 
в алюминатных растворах глиноземного 
производства 
(2 часа)

Цель работы

Изучить основы аналитического определения Na2O и 
Al2O3 в алюминатных растворах глиноземного производства 
методом титрования (используя кислотно-основную и комплексонометрическую методики анализа). Научиться выполнять 
расчеты содержания определяемого вещества в анализируемом 
растворе по результатам титрования. 

Теоретическое введение

Промышленные алюминатные растворы глиноземного 
производства в своей основе содержат соединения алюминия 
и натрия. Кроме того, в их состав входит и значительное количество примесей в виде различных химических соединений, 
в которых присутствуют кремний, углерод, сера, железо, хлор, 
галлий и др. элементы, а также органические вещества. Для 
удобства содержание компонентов в алюминатных растворах 
выражают концентрацией их оксидных форм: Na2O, Al2O3 и 
т.д., выраженные в % или г/дм3.
В ходе осуществления технологического цикла производства глинозема систематически проводится отбор проб алюминатного раствора – экспресс-анализ. Растворы анализируют 
на содержание основных компонентов, что позволяет оценить 
эффективность ведения процессов и принимать оперативные решения по их корректировке.
Основными 
компонентами 
алюминатного 
раствора, 
от которых зависит эффективность всех гидрометаллургических переделов технологии Байера, являются Na2O, Al2O3. При 

определении концентрации оксидов алюминия и натрия особое внимание уделяют их соотношению – каустическому модулю (1.1):

 

2

2
К
2
3

2
3

(Na O)
(Na O) ,
(Al O )
(Al O )

m
M
m
M

α
=
 
(1.1)

где m(Na2O), m(Al2O3) – масса в растворе Na2O и Al2O3, соответственно, г;
М(Na2O), М(Al2O3) – мольная масса Na2O и Al2O3, соответственно, г/моль,
которые определяют устойчивость алюминатного раствора при заданной температуре (рисунок 1.1). 

Рисунок 1.1 – Диаграмма состояния системы  
Na2O–Al2O3–H2O

Наиболее распространенным способом определения содержания основных компонентов (Na2O и Al2O3) в растворах глиноземного производства является метод титрования. 
В основе определения содержания Na2O в алюминатном 
растворе лежит кислотно-основное титрование – это титриметрический метод определения концентрации кислот или оснований, основанный на реакции нейтрализации. Используемые 
для нейтрализации определяемого вещества реагенты называют 
титрантами. Титрантами являются растворы сильных кислот и 
оснований. Концентрации растворов титрантов устанавливают 
путем стандартизации по первичным стандартам. Для стандартизации кислот чаще всего используют декагидрат тетрабората 
натрия (бура, Na2B4O7 ∙ 10H2O) или безводный карбонат натрия 
(Na2CO3). 
При стандартизации соляной кислоты бурой в системе 
протекает следующая реакция (1.2):

 
Na2B4O7 + 2HCl + 5H2O = 4H3BO3 + 2NaCl. 
(1.2)

Борная кислота H3BO3 является слабой одноосновной кислотой (Ka = 5,9∙10–10), поэтому основность ее сопряженной щелочи H2BO3 – достаточно велика (Kb = Kw / Ka = 1,7 ∙ 10–5), чтобы ее 
можно было титровать с помощью HCl. 
Из-за 
большой 
молекулярной 
массы 
буры 
(Mбуры = 
= 381,4 г/моль) ошибка взвешивания относительно мала, поэтому 
титрование проводят по навескам вещества. При стандартизации 
HCl (0,1 моль/дм3) необходимая концентрация буры – 0,05 моль/л, 
при этом в конце титрования концентрация образовавшейся борной кислоты H3BO3 составляет 0,1 моль/дм3 (1.3): 

 

+
10
6
Н
5,9 10
0,1
7,78 10
а
b
C
K
C
−
−
=
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
 моль/л, 
  
 
рН = 5,11,  
(1.3)

следовательно, при таком pH в точке эквивалентности можно использовать в качестве индикатора метиловый красный. 
Расчет концентрации соляной кислоты ведут по формуле (1.4)

 
буры
НСl
буры
HCl

2
.
m
C
М
V

⋅
=
⋅
 
(1.4)

Для определения концентрации щелочи в растворе необходимо иметь раствор соляной кислоты c известной концентрацией HCl (0,1 моль/дм3). При титровании протекает реакции 
нейтрализации (1.5–1.6):

 
NaOH + HCl = NaCl + H2O, 
 (1.5)

 
NaAl(OH)4 + HCl = NaCl + Al(OH)3 + H2O. 
(1.6)

Суммарная реакция (1.7)

 
NaOH + NaAl(OH)4 + 2HCl = 2NaCl + Al(OH)3 + 2H2O. (1.7)

Определение конечной точки обычно основано на резком 
изменении рН, наблюдаемом вблизи точки эквивалентности. 
Для того чтобы зафиксировать момент нейтрализации, прибегают к помощи кислотно-основных индикаторов (фенолфталеина 
или метилоранжа) – это органические красители, обладающие 
свойствами слабых кислот или оснований, причем их кислотные 
и основные формы различаются по окраске. Такие вещества претерпевают хорошо заметное изменение окраски в определенной 
области значений рН раствора. 
Одним из наиболее распространенных индикаторов является фенолфталеин. Он бесцветен в кислых средах и окрашен в щелочной среде. Структурные изменения фенолфталеина 
в растворе представлены на схеме:

C O

O
C

OH
HO

C OH

O
C

OH
HO

C

O
C

O

O

O

O
O

+2H O
+2H O
2
-H O
3
+
-H O
3
+

бесцветный
бесцветный
красный

Для определения концентрации Al2O3 в алюминатном 
растворе используют метод комплексонометрического титрования – метод титриметрического анализа, основанный на реакции 
комплексообразования катионов металлов с комплексонами – 
аминополикарбоновыми кислотами и их солями. В настоящее 

время среди известных комплексонов наибольшее применение 
для комплексонометрического титрования получила динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, известная под 
названиями: натрия эдетат, трилон Б, комплексон III и др. Трилон Б образует внутрикомплексные соединения с катионами металлов за счет валентных связей с карбоксильными группами, 
вытесняя из них атомы водорода, а также за счет координационных связей ионов-комплексообразователей с атомами азота.
Взаимодействие катиона-комплексообразователя с трилоном Б протекает по схеме:

Если анион сокращенно обозначить через H2L2-, то схематически реакции комплексообразования с катионами, имеющими различные степени окисления, можно представить уравнениями (1.8–1.10):

 
H2L2– + Ме2+ ↔ [MeL]2– + 2Н+, 
(1.8)

 
H2L2– + Ме3+ ↔ [MeL]– + 2Н+, 
(1.9)

 
H2L2- + Ме4+ ↔ [MeL] + 2Н+.  
(1.10)

Индикаторы, применяемые для визуального определения 
конечной точки титрования, называются металлоиндикаторами