Разработка технологических принципов получения оксида скандия с заданной степенью чистоты из красного шлама

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 14.578.21.0014 от 05 июня 2014 г. с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 05.06.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

• Проведение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему разделения и обогащения скандийсодержащего сырья с учетом ценных составляющих, а также выщелачивания, концентрирования и очистки от примесей концентратов скандия.
• Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
• Обоснование и выбор направления исследования с целью определения оптимального варианта направления исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы.
• Проведение сравнительной оценки вариантов возможных решений с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной проблеме.
• Разработка методик анализа красных шламов, чернового концентрата скандия, раствора после выщелачивания красного шлама.
• Проведение исследований получения концентратов, в том числе концентрата скандия, с использованием методов обогащения.
• Проведение исследований по кислотному выщелачиванию красных шламов.
• Исследование кавитационного воздействия на сернокислотное выщелачивание красных шламов.
• Разработка методики и проведение исследований по получению чернового концентрата скандия экстракционным и сорбционным методом.
• Проведение исследований по использованию рафинатов экстракции при выщелачивании красных шламов.

Перечень работ, выполняемых за счет внебюджетных средств:

• Проведение исследований по применению продуктов переработки красного шлама на предприятиях черной металлургии.
• Изготовление экспериментальной установки кислотного выщелачивания красного шлама с получением раствора и кека выщелачивания.
• Проведение пуско-наладочных работ на экспериментальной установке кислотного выщелачивания красного шлама.

При этом были получены следующие результаты:

• Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему разделения и обогащения скандийсодержащего сырья с учетом ценных составляющих, а также выщелачивания, концентрирования и очистки от примесей концентратов скандия.
• Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
• Сравнительный анализ проблем и способов их решения при извлечении скандия из различных сырьевых источников, в том числе анализ известных технологических решений по извлечению скандия из красных шламов (КШ), позволил выбрать в качестве оптимального направления исследования переработку КШ гидрометаллургическим путем. Проведена сравнительная оценка вариантов извлечения скандия из КШ, в том числе проведения обогащения, выщелачивания и первичного концентрирования скандия.
• Основными направлениями исследований являются: 1) Изучение возможности получения концентратов (в том числе скандия) из КШ с использованием метода мокрой магнитной сепарации. 2) Проведение кислотного выщелачивания скандия из красного шлама дешевым и доступным реагентом — раствором серной кислоты. 3) Концентрирование скандия с получением ЧКС сорбционным и экстракционным методом с использованием фосфорсодержащих сорбентов и экстрагентов промышленных марок.
• Разработаны методики анализа красных шламов, чернового концентрата скандия (ЧКС), раствора после выщелачивания красного шлама атомно-эмиссионным с индуктивно связанной плазмой и, для определения углерода и серы, инфракрасно-абсорбционным методами.
• Проведены исследования получения концентратов, в том числе концентрата скандия, с использованием с использованием метода мокрой магнитной сепарации. Установлено, что в диапазоне напряженности магнитного поля 50-1360 кА/м получение концентратов ценных компонентов КШ (титан, иттрий и скандий) использованным методом невозможно.
• Определен минералогический, химический, гранулометрический состав КШ. Разработан способ сернокислотного выщелачивания красного шлама, при котором степень выщелачивания скандия составляет 92-96 %. Установлены оптимальные условия выщелачивания КШ (концентрация реагента, соотношение фаз, температура). Расход серной кислоты равен 1,65 т на 1 т КШ. На территории ОАО ГМЗ (Индустриальный партнер) изготовлена экспериментальная установка кислотного выщелачивания красного шлама для получения раствора и кека выщелачивания. Установка состоит из реактора с механическим перемешиванием (V = 6 м³, материал корпуса сталь 12Х17Н10Т, нагрев глухим паром через паровую рубашку), емкости — мерника (V = 300 л, сталь 12Х17Н10Т) для дозирования серной кислоты, камерно-мембранного пресс-фильтра (F = 10 м²), приемной емкости для выщелоченной пульпы и репульпатора (реакторы с механическим перемешиванием (V = 6 м³, сталь 12Х17Н10Т), отстойника — сборника товарного раствора с коническим днищем (V = 12 м³, сталь 12Х17Н10Т). Производительность установки по исходному красному шламу составляет 0,7 т/цикл. На установке наработаны партии раствора для проведения работ по получению чернового концентрата скандия (ЧКС), а также уточнены технологические параметры выщелачивания. Получаемый раствор выщелачивания имеет состав, мг/л: Sc 10-13, Y 4-10, Al 7500 — 10000, Fe 29000 — 33000, Ti 2900-3300, Zr 100 — 120, Mg 500-700, V 48-65, Mn 310-430.
• При изучении ультразвукового воздействия в режиме кавитации на выщелачивание КШ установлена тенденция к селективному извлечению скандия из КШ слабо концентрированными растворами серной кислоты. Для рекомендации использования интенсификации процесса на укрупненной установке необходимо проведение анализа рынка предложений ультразвуковых установок соответствующего класса.
• При исследовании сорбционного концентрирования скандия из растворов выщелачивания КШ изучена статика и кинетика сорбции скандия с использованием недорогого гранулированного неорганического сорбента фосфата титана, и эффективных фосфорсодержащих ионитов Purolite и Lewatit промышленных марок. Определены оптимальные условия ведения процесса (концентрация кислоты, соотношение фаз, скорость пропускания растворов, состав промывного и десорбирующего растворов). Максимальное насыщение наиболее эффективного сорбента Purolite S957 составляет 80-100 мг скандия на кг ионита. Полученный ЧКС содержит 0,2% скандия.
• Экстракционное концентрирование скандия из растворов выщелачивания КШ изучено с применением керосиновых растворов экстрагентов промышленных марок (Д2ЭГФК, ТБФ, ТОА) отечественного производства. Максимальное насыщение органической фазы составляет 850 мг скандия на литр экстрагента. С использованием каскада из 5 центробежных экстракторов получена партия 100 г ЧКС с содержанием, %: Sc 2,2, Тi 21,8, Na 4,3, Al 0,6, Fe 16,7, Zr 5,0, Y 0,56.
• Проведено исследование по использованию рафинатов экстракции при выщелачивании красных шламов. Полученные результаты показали возможность использования рафината при выщелачивании КШ.
• Исследовано влияние добавок КШ в шихту для производства железорудных окатышей в количестве 1-3%, в том числе с добавкой 0.03% полимеров. Установлено, что прочность обожженных окатышей с добавками КШ выше в 1,5 раза по сравнению с окатышами, получаемыми по традиционной технологии. Разработанный способ проходит опытно-промышленную проверку в условиях ОАО «Карельский окатыш».
• Разработанные технологические решения по выщелачиванию и концентрированию скандия при переработке КШ являются оригинальными и охраноспособными.

Полученные на 1 этапе работы результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту. Дальнейшая работа по разработке основ технологии получения технического оксида скандия из ЧКС может быть продолжена согласно плану-графику.

В настоящее время КШ используют преимущественно в строительстве в количестве 3-4% от объемов его получения. Остальная часть складируется в шламохранилищах. Ведутся интенсивные работы по поиску путей его комплексной переработки. Подтверждением этого является объявление о 15 вакансиях для PhD по участии в работе по направлениям, связанным с переработкой КШ в исследовательских центрах в Бельгии, Финляндии, Швеции, Германии и др. странах (redmud.org). За последние 3 года заметно выросло число патентов по переработке КШ (наиболее заметно в КНР).

Наличие охраноспособных результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки не предусмотрено на 1 этапе выполнения Соглашения.

Назначение и область применения результатов проекта:

• Авиа- и ракетостроение, производство спортивного инвентаря (алюминиевые сплавы с добавками скандия); светотехника (иодид скандия).
• По результатам ПНИ планируется выполнение проекта ТЗ на проведение ОТР по созданию технологии получения оксида скандия квалификации ОС-99,0 из красных шламов. По результатам ОТР может быть осуществлено практическое внедрение технологии по получению оксида скандия из КШ.
• При создании мощностей по производству соединений скандия из КШ можно ожидать снижения цены на продукцию, что позволит использовать скандийсодержащие сплавы в других направлениях (в автомобильной промышленности, судостроении), оксид скандия — в производстве топливных элементов (вместо оксида иттрия), для получения новых перспективных материалов (лазеров, катализаторов, эмиттеров Шоттки, сенсоров, и др.), а также может стать стимулом для изучения свойств новых скандийсодержащих материалов, в том числе в рамках международного сотрудничества.

Эффекты от внедрения результатов проекта — создание новых рабочих мест, уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду.

Формы и объемы коммерциализации результатов проекта.

По результатам ПНИ планируется выполнение проекта ТЗ на проведение ОТР по созданию технологии получения оксида скандия квалификации ОС-99,0 из красных шламов. По результатам ОТР может быть осуществлено практическое внедрение технологии по получению оксида скандия квалификации ОС-99,0 из КШ при участии Индустриальных партнеров «РУСАЛ ИТЦ» и ОАО «Гидрометаллургический завод». Это позволит создать отсутствующее в настоящее время производство соединений скандия. В настоящее время на рынке скандия преимущественно востребована алюминиево-скандиевая лигатура. Создание производства соединений скандия позволит использовать скандийсодержащие сплавы и соединения скандия в новых областях техники.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.