Уполовникова А.Г., Удоева Л.Ю., Чумарев В.М.
Институт металлургии УрО РАН, Екатеринбург, Россия

The technique of rational planning of multifactorial experiment based on the matrixes and M.M.Protodjakonov's equation is applied to research of hydrometallurgical process.The sulphuric acid leaching of the cakes from niobium electron-beam remelting sublimates with sodium carbonate are considered.The private dependences of the main leaching parameters and the generalized equation are received. The optimum condition for a division of aluminum and niobium are determined with the help of the five-factorial mathematical model.

В процессе электронно-лучевого переплава алюмотермического ниобия образуются возгоны. Они представляют собой спек конденсата металлов в виде сплава ниобия с алюминием и примеси (0.5-2.5% Fe, 0.5-3.0% Ca, 0.5-3.0% Cr, 0.5-1.0% Si, 6-10% О и др.). Являясь попутным продуктом с высоким содержанием ниобия (от 20 до 80%), возгоны требуют дополнительной переработки. Предполагаемая технологическая схема извлечения ниобия из возгонов предусматривает ряд операций: обжиг-спекание с содой, водно-щелочная обработка спеков и последующее кислотное выщелачивание твердого остатка [1,2].

Для экспериментального исследования стадии кислотного выщелачивания кеков водно-щелочной обработки спека возгонов с содой использовали усовершенствованную В.П.Малышевым [3] методику рационального планирования многофакторного эксперимента, основанную на латинских квадратах и уравнении М.М.Протодъяконова. Практика применения этой методики на металлургических и химических объектах показала, что выборки на точечные зависимости и обобщение их в многофакторную модель достаточно корректны, а полученные расчетные данные вполне адекватно отражают реальные процессы [4,5].

Согласно РФА, кеки водно-щелочной обработки спека возгонов с содой преимущественно состоят из метаниобата и алюмината натрия. При выщелачивании серной кислотой основная часть алюминия переходит в раствор, а ниобий концентрируется в твердом остатке. Контроль над процессом в экспериментах по кислотному выщелачиванию осуществляли по изменению извлечения в твердый остаток алюминия.

Математическое моделирование выполнено на результатах 25 опытов, условия которых заданы путем варьирования уровней изучаемых факторов (таблица 1) таким образом, чтобы значения любого параметра процесса встречались один раз с каждым из значений всех остальных факторов.

Таблица 1

Уровни изучаемых факторов

Из массива данных пятифакторного эксперимента сделана выборка на точечные графики (рис.1), отражающие влияние каждого фактора на извлечение алюминия в кек. Значимость частных зависимостей оценивалась коэффициентом нелинейной множественной корреляции R и его значимостью tR для 5 %-ного уровня (tR >2 tR), достаточного в металлургических исследованиях:

(1); (2),
где N - число описываемых точек, K - число действующих факторов, Yэ - экспериментальный результат, Yр - расчетный результат, Yс - среднее экспериментальное значение.
Полученные частные зависимости извлечения алюминия в кек в аналитическом виде и их значимость представлены в таблице 2.

Рис. 1. Частные зависимости степени извлечения алюминия в кек от изучаемых факторов

Характер влияния крупности частиц спека, концентрации серной кислоты, температуры и плотности пульпы (отношение жидкого к твердому) на извлечение алюмината натрия в кек согласуется с общими закономерностям процессов выщелачивания. Незначимость временной зависимости объясняется некорректным выбором интервала изменения данного фактора: все значения попали в область предельного растворения алюмината натрия. Кинетические исследования процесса проведены дополнительно в отдельной серии экспериментов при оптимальных значениях остальных параметров.

Таблица 2
Коэффициент корреляции и его значимость для частных функций

Для описания статистической многофакторной зависимости использовали формулу обобщенного уравнения, представляющего собой математическую модель процесса, где Y_п- извлечение в твердый остаток алюминия:

                                                   (3)

Полученное уравнение позволяет оптимизировать исследуемый процесс путем выбора минимальных, в нашем случае, значений всех частных функций и подстановкой соответствующих условий в обобщенную формулу. С помощью обобщенного уравнения легко определить оптимальные условия перевода в раствор алюминия, из продуктов спекания возгонов с содой с разной крупностью частиц. Например, при средних размерах частиц 0,05мм, кислотное выщелачивание твердого остатка водно-щелочной промывки следует проводить при температуре 85⁰С 20%-ным раствором H₂SО₄ при отношение Ж:Т=10 в течение 30-40 мин. Экспериментально показано, что степень извлечения алюминия в кек в этих условиях составляет 8-10%, что хорошо согласуется с расчетными данными, полученными по уравнению (3).

Следовательно, полученная по методике рационального планирования эксперимента математическая модель процесса разделения алюминия и ниобия может использоваться для прогнозирования и коррекции качества ниобатного концентрата - продукта переработки возгонов электронно-лучевого переплава ниобия.

Литература

1. Чумарев В.М., Гуляева Р.И., Марьевич В.П., Уполовникова А.Г., Удоева Л.Ю. Химизм и кинетика окисления возгонов электронно-лучевого переплава ниобия // Металлы. №6, 2003.- С. 3-7
2. Уполовникова А.Г., Чумарев В.М., Гуляева Р.И., Удоева Л.Ю. Влияние карбоната натрия на процесс окисления возгонов электронно-лучевого переплава ниобия // Металлы. №1, 2007.- С. 14-17
3. Малышев В.П. Математическое планирование металлургического и химического эксперимента. Алма-Ата: «Наука» КазССР, 1977. -37с.
4. Балтынова Н.З., Удоева Л.Ю., Абишев Д.Н. Опытно-промышленные испытания сферической агломерации некондиционных молибденовых концентратов // Комплексное использование минерального сырья. №3, 1991.-С.27-30
5. Ямпуров М.Л., Лайнер Ю.А., Ветчинкина Т.Н., Рожков Д.Ю. Комплексная переработка минеральной части углей Подмосковного бассейна с получением глинозема, коагулянтов и строительных материалов // Химическая технология. №12, 2006.- С. 18-23

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья