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 спо-
собу Байера, исследование влияния расхода флокулянтов на скорость 
осаждения красного шлама, изучение процесса выпаривания алю-
минатного раствора при атмосферном давлении, исследование про-
цесса 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 луч-
шего усвоения теоретического материала каждая из работ содержит 
контрольные вопросы и задания.
Предназначен для студентов бакалавриата и магистратуры, обу-
чающихся по направлениям 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия», и 
может быть использован для подготовки к квалификационным экза-
менам.

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 ил-
люстрации наиболее важных теоретических положений;
 - приобретение практических навыков при осуществле-
нии соответствующих процессов на лабораторных установках.

В процессе выполнения лабораторных работ моделируют-
ся основные технологические переделы производства глинозема, 
проводится аналитический контроль технологических раство-
ров, исследуется влияние различных факторов на показатели 
процессов. 
Занимающаяся в лаборатории группа делится на бригады, 
благодаря чему реализуется требование о максимальной само-
стоятельности студентов при выполнении работы. Бригады вы-
полняют лабораторные работы по индивидуальному графику. 
Индивидуальные задания формируются с учетом взаимодопол-
нения результатов, полученных каждой бригадой, с целью выра-
ботки у студентов универсальных компетенций коммуникации 
и работы в команде.
В начале работы преподаватель знакомит студентов с за-
дачами практикума и правилами внутреннего распорядка в ла-
боратории. О получении инструктажа по технике безопасности 
студенты расписываются в специальном журнале (листе ин-
структажа по технике безопасности).
Своевременное выполнение необходимого объема работы 
в лаборатории предусматривает домашнюю подготовку студен-
тов по теоретическим вопросам к каждой работе практикума, 
связанной с соответствующей темой.
В начале каждого лабораторного занятия студенты обяза-
ны пройти допуск к работе, целью которого является проверка 
готовности студента к выполнению работы.
Студенты, не получившие допуск, не участвуют в выпол-
нении лабораторной работы, а занимаются самоподготовкой. 

Выполнение работы в этом случае переносится на дополнитель-
ные занятия, назначаемые кафедрой.
Защита лабораторной работы осуществляется после ее вы-
полнения при наличии полностью оформленного конспекта (рас-
четы, 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 комплек-
сонометрическую 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 ре-
шения по их корректировке.
Основными 
компонентами 
алюминатного 
раствора, 
от которых зависит эффективность всех гидрометаллургиче-
ских переделов технологии Байера, являются Na2O, Al2O3. При 

определении концентрации оксидов алюминия и натрия осо-
бое внимание уделяют их соотношению – каустическому моду-
лю (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, со-
ответственно, г;
М(Na2O), М(Al2O3) – мольная масса Na2O и Al2O3, соответ-
ственно, г/моль,
которые определяют устойчивость алюминатного раство-
ра при заданной температуре (рисунок 1.1). 

Рисунок 1.1 – Диаграмма состояния системы  
Na2O–Al2O3–H2O

Наиболее распространенным способом определения содер-
жания основных компонентов (Na2O и Al2O3) в растворах глино-
земного производства является метод титрования. 
В основе определения содержания Na2O в алюминатном 
растворе лежит кислотно-основное титрование – это титриме-
трический метод определения концентрации кислот или осно-
ваний, 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 стандар-
тизации 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 кис-
лотой (Ka = 5,9∙10–10), поэтому основность ее сопряженной щело-
чи 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 бор-
ной 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 ис-
пользовать в качестве индикатора метиловый красный. 
Расчет концентрации соляной кислоты ведут по форму-
ле (1.4)

 
буры
НСl
буры
HCl

2
.
m
C
М
V

⋅
=
⋅
 
(1.4)

Для определения концентрации щелочи в растворе необ-
ходимо иметь раствор соляной кислоты c известной концентра-
цией 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, прибега-
ют 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 пре-
терпевают хорошо заметное изменение окраски в определенной 
области значений рН раствора. 
Одним из наиболее распространенных индикаторов яв-
ляется фенолфталеин. Он бесцветен в кислых средах и окра-
шен 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 титрова-
ния – 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 динатри-
евая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, известная под 
названиями: натрия эдетат, трилон Б, комплексон III и др. Три-
лон Б образует внутрикомплексные соединения с катионами ме-
таллов за счет валентных связей с карбоксильными группами, 
вытесняя из них атомы водорода, а также за счет координацион-
ных связей ионов-комплексообразователей с атомами азота.
Взаимодействие катиона-комплексообразователя с трило-
ном Б протекает по схеме:

Если анион сокращенно обозначить через H2L2-, то схема-
тически реакции комплексообразования с катионами, имеющи-
ми различные степени окисления, можно представить уравнени-
ями (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 

(металлохромные индикаторы). В химическом отношении они, 
как правило, являются органическими кислотами и обладают 
способностью изменять окраску при образовании комплексных 
соединений с катионами металлов. Взаимодействие металлоин-
дикаторов с катионами определяемых металлов должно быть 
обратимым, и константа устойчивости металлоиндикаторного 
комплекса должна быть на 104 меньше константы устойчивости 
комплекса катиона металла с титрантом. В качестве индикато-
ров могут применяться мурексид, эриохром черный Т, эриохром 
сине-черный Б, цинкон и др.

Описание установки 

Оборудование:
1) штатив с бюретками вместимостью 50 см3;
2) мерная колба на 250 см3;
3) конические колбы на 100 см3;
4) пипетки на 5–15 см3 и резиновая груша;
5) мерный цилиндр на 50–100 см3.

Необходимые реагенты:
1) соляная кислота, конц.; 
2) 25%-й раствор NH4OH;
3) ацетатный буферный раствор; 
4) стандартный раствор трилона Б;
5) стандартный раствор CuSO4;
6) стандартный раствор соляной кислоты (HCl, 0,1 моль/дм3);
7) фенолфталеин (2 г/дм3); 
8) индикатор ПАН;
9) бумажка «Конго»;
10) дистиллированная вода.

Вспомогательные реагенты:
1) алюминий марки А995 по ГОСТ 11069, стружка;
2) цинк металлический по ГОСТ 3640–94;
3) натрий уксуснокислый 3-водный по ГОСТ 199;
4) спирт 
этиловый 
ректификованный 
технический 
по ГОСТ 18300;
5) кислота серная по ГОСТ 4204;
6) кислота соляная по ГОСТ 3118, разбавленная 1:1, 1:2 и 1:3;