виробництво алюмінію

виробництво алюмінію

Одна вельми сумнівна легенда розповідає, що одного разу до римського імператора Тиберія (42 р. До н.е.. - 37 р. Н.е..) Прийшла людина з металевою, не б'ється чашею. Матеріал чаші нібито був отриманий з глинозему (Al2O3) і, отже, повинен був представляти собою алюміній. Побоюючись, що такий метал з глини може знецінити золото і срібло, Тіберій про всяк випадок наказав відрубати людині голову. Зрозуміло, з цим оповіданням важко повірити: самородний алюміній в природі не зустрічається, а за часів Римської імперії не могло бути технічних засобів, які дозволили б отримати алюміній з його сполук.

За поширеністю в природі алюміній займає перше місце серед металів; його вміст в земній корі становить 7,45%. Однак, незважаючи на широку поширеність в природі, алюміній до кінця XIX століття належав до числа рідкісних металів. У чистому вигляді алюміній не зустрічається внаслідок своєї високої хімічної активності. Він переважно зустрічається у вигляді сполук з киснем і кремнієм - алюмосилікатів.

Рудами алюмінію можуть служити лише породи, багаті глиноземом (Al2O3) і що залягають великими масами на поверхні землі. До таких порід відносяться боксити, нефеліни - (Na, K) 2O? Al2O3? 2SiO2, алуніти - (Na, K) 2SO4? Al2 (SO4) 3? 4Al (OH) 3 і каоліни (глини), польовий шпат (ортоклаз) - K2O? Al2O3? 6SiO2.

Основний рудою для отримання алюмінію є боксити. Алюміній в них міститься у вигляді гидроокисей Al (OH), AlOOH, корунду Al2O3 і каолініту Al2O3? 2SiO2? 2H2O. Хімічний склад бокситів складний: 28-70% глинозему; 0,5-20% кремнезему; 2-50% окису заліза; 0,1-10% окису титану. Останнім часом в якості руди стали застосовувати нефеліни і алуніти.

Великі родовища бокситів знаходяться на Уралі, в Тихвинском районі Ленінградської області, в Алтайському і Красноярському краях.

Нефелін (K? Na2O? Al2O3? 2SiO2) входить до складу апатітонефелінових порід (на Кольському півострові).

Вперше у вільному вигляді алюміній був виділений в 1825 р датським фізиком Ерстед шляхом впливу амальгами калію на хлорид алюмінію. У 1827г. німецький хімік Велер удосконалив спосіб Ерстеда, замінивши амальгаму калію металевим калієм:

AlCl3 + 3K → 3KCl + Al (Реакція протікає з виділенням тепла).

У 1854 р Сент-Клер Девіль у Франції вперше застосував спосіб Велером для промислового виробництва алюмінію, використавши замість калію більш дешевий натрій, а замість гігроскопічного хлориду алюмінію - більш стійкий подвійний хлорид алюмінію і натрію. У 1865 р російський фізико-хімік Н. Н. Бекетов показав можливість витіснення алюмінію магнієм з розплавленого кріоліту. Ця реакція в 1888 р була використана для виробництва алюмінію на першому німецькому заводі в Гмелінгене. Виробництво алюмінію цими так званими «хімічними» способами здійснювалося з 1854 р по 1890 р Протягом 35 років за допомогою цих способів, було отримано в цілому близько 20 т алюмінію.

В кінці 80-х років позаминулого століття хімічні способи витіснив електролітичний спосіб, який дозволив різко знизити вартість алюмінію і створив передумови до швидкого розвитку алюмінієвої промисловості. Основоположники сучасного електролітичного способу виробництва алюмінію Еру у Франції і Холл в США незалежно один від одного подали в 1886 р майже аналогічні заявки на патентування способу отримання алюмінію електролізом глинозему, розчиненого в розплавленому кріоліті. З моменту появи патентів Еру і Холу і починається сучасна алюмінієва промисловість, яка більш ніж за 115 років свого існування виросла в одну з найбільших галузей металургії.

Технологічний процес отримання алюмінію складається з трьох основних стадій:

1) Отримання глинозему (Al2O3) з алюмінієвих руд;
2) Отримання алюмінію з глинозему;
3) Рафінування алюмінію.

Отримання глинозему з руд.

Глинозем отримують трьома способами: лужним, кислотним і електролітичним. Найбільшого поширення має лужний спосіб (метод К. І. Байєра, розроблений в Росії в кінці позаминулого століття і вживаний для переробки високосортних бокситів з невеликою кількістю (до 5-6%) кремнезему). З тих пір технічне виконання його було суттєво покращено. Схема виробництва глинозему за способом Байєра представлена ​​на рис. 1.

Суть методу полягає в тому, що алюмінієві розчини швидко розкладаються при введенні в них гідроксиду алюмінію, а залишився від розкладання розчин після його випаровування в умовах інтенсивного перемішування при 169-170оС може знову розчиняти глинозем, що міститься в боксити. Цей спосіб складається з наступних основних операцій:

1). Підготовки бокситу, що полягає в його дробленні і подрібненні в млинах; в млини подають боксит, їдку луг і невелику кількість вапна, яке покращує виділення Al2O3; отриману пульпу подають на вилуговування;

2). Вилуговування бокситу (останнім часом застосовуються до цих пір блоки автоклав круглої форми частково замінені трубчастими автоклавами, в яких при температурах 230-250 ° С (500-520 К) відбувається вилуговування), що полягає в хімічному його розкладанні від взаємодії з водним розчином лугу; гідрати окису алюмінію при взаємодії з лугом переходять в розчин у вигляді алюмінату натрію:

AlOOH + NaOH → NaAlO2 + H2O

або

Al (OH) 3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2O;

що міститься в боксі кремнезем взаємодіє з лугом і переходить в розчин у вигляді силікату натрію:

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O;

в розчині алюмінат натрію і силікат натрію утворюють нерозчинний натрієвий алюмосилікат; в нерозчинний залишок переходять оксиди титану та заліза, що надають залишку червоний колір; цей залишок називають червоним шламом. Після закінчення розчинення отриманий алюмінат натрію розбавляють водним розчином лугу при одночасному зниженні температури на 100 ° С;

3). Відділення алюмінатного розчину від червоного шламу зазвичай здійснюється шляхом промивання в спеціальних згущувачах; в результаті цього червоний шлам осідає, а алюмінатний розчин зливають і потім фільтрують (освітлюють). В обмежених кількостях шлам знаходить застосування, наприклад, як добавка до цементу. Залежно від сорту бокситів на 1 т отриманої окису алюмінію доводиться 0,6-1,0 т червоного шламу (сухого залишку);

4). Розкладання алюмінатного розчину. Його фільтрують і перекачують у великі ємності з мішалками (декомпозери). З пересичені розчину при охолодженні на 60 ° С (330 К) і постійному перемішуванні витягується гідроокис алюмінію Al (OH) 3. Так як цей процес протікає повільно і нерівномірно, а формування і зростання кристалів гідроксиду алюмінію мають велике значення при її подальшій обробці, в декомпозери додають велику кількість твердої гідроксиду - затравки:

Na2O? Al2O3 + 4H2O → Al (OH) 3 + 2NaOH;

5). Виділення гідроокису алюмінію і її класифікації; це відбувається в гидроциклонах і вакуум-фільтрах, де від алюмінатного розчину виділяють осад, що містить 50-60% частинок Al (OH). Значну частину гідроокису повертають у процес декомпозиції як затравочний матеріал, яка і залишається в обороті в незмінних кількостях. Залишок після промивання водою йде на кальцинації; фільтрат також повертається в оборот (після концентрації в випарних апаратах - для вилуговування нових бокситів);

6). Зневоднення гідроокису алюмінію (кальцинації); це завершальна операція виробництва глинозему; її здійснюють в трубчастих обертових печах, а останнім часом також в печах з турбулентним рухом матеріалу при температурі 1150-1300оС; сира гідроокис алюмінію, проходячи через обертову піч, висушується і зневоднюється; при нагріванні відбуваються послідовно наступні структурні перетворення:

Al (OH) 3 → AlOOH → γ-Al2O3 → α-Al2O3

200 ос

950 ос

1200 оС.

В остаточно прожареному глиноземі міститься 30-50% α-Al2O3 (корунд), решта γ-Al2O3.

Цим способом витягується 85-87% від усього одержуваного глинозему. Утворений окис алюмінію являє собою міцне хімічна сполука з температурою плавлення 2050 ° С.

Отримання алюмінію з його окису

Електроліз окису алюмінію

Електролітичне відновлення окису алюмінію, розчиненої в розплаві на основі кріоліту, здійснюється при 950-970 ° С в електролізері. Електролізер складається з футерованной вуглецевими блоками ванни, до подине якої підводиться електричний струм. Що виділився на подине, що служить катодом, рідкий алюміній важче розплаву солі електроліту, тому збирається на вугільному підставі, звідки його періодично відкачують (рис. 2).

Зверху в електроліт занурені вугільні аноди, які згорають в атмосфері що виділяється з окису алюмінію кисню, виділяючи оксид вуглецю (CO) або двоокис вуглецю (CO2). На практиці знаходять застосування два типи анодів:

а) самообжігающіеся аноди Зедерберга, що складаються з брикетів, так званих «хлібів» маси Зедерберга (малозольний вугілля з 25-35% кам'яновугільного пеку), набитих в алюмінієву оболонку; під дією високої температури анодна маса обпалюється (спікається);

б) обпалені, або «безперервні», аноди з великих вугільних блоків (наприклад, 1900 × 600 × 500 мм масою близько 1,1 т).

Сила струму на електролізерах складає 150 000 А. Вони включаються в мережу послідовно, т. Е. Виходить система (серія) - довгий ряд електролізерів.

Робоча напруга на ванні, що становить 4-5 В, значно вище напруги, при якому відбувається розкладання окису алюмінію, оскільки в процесі роботи неминучі втрати напруги в різних частинах системи. Баланс сировини та енергії при отриманні 1 т алюмінію представлений на рис. 3.

Електроліз хлориду алюмінію (метод фірми Алкоа)

У реакційному посудині окис алюмінію перетворюється спочатку в хлорид алюмінію. Потім в щільно ізольованою ванні відбувається електроліз AlCl3, розчиненого в розплаві солей KCl, NaCl. Виділяється при цьому хлор відсмоктується і подається для вторинного використання; алюміній осідає на катоді.

Перевагами даного методу перед існуючими електролізом рідкого кріолітогліноземного розплаву (Al2O3, розчинена в кріоліті Na3AlF6) вважають: економію до 30% енергії; можливість застосування окису алюмінію, яка не годиться для традиційного електролізу (наприклад, Al2O3 з високим вмістом кремнію); заміну дорогого кріоліту більш дешевими солями; зникнення небезпеки виділення фтору.

Відновлення хлориду алюмінію марганцем (Toth - метод)

При відновленні марганцем з хлориду алюмінію звільняється алюміній. За допомогою керованої конденсації з потоку хлориду марганцю виділяються пов'язані з хлором забруднення. При звільненні хлору хлорид марганцю окислюється в оксид марганцю, яка потім відновлюється до марганцю, придатного до вторинного застосування. Відомості в наявних публікаціях дуже неточні, так що в даному випадку доведеться відмовитися від оцінки методу.

Отримання рафінованої алюмінію

Для алюмінію рафінуючі електроліз з розкладанням водних сольових розчинів неможливий. Оскільки для деяких цілей ступінь очищення промислового алюмінію (Al 99,5 - Al 99,8), отриманого електролізом кріолітогліноземного розплаву, недостатня, то з промислового алюмінію або відходів металу шляхом рафінування отримують ще більш чистий алюміній (Al 99, 99 R). Найбільш відомий метод рафінування - тришаровий електроліз.

Рафінування методом тришарового електролізу

Одягнена сталевим листом, що працює на постійному струмі (представлена ​​на рис. 4 - див. Вище) ванна для рафінування складається з вугільної подини з токоподводами і теплоізолюючих магнезитової футеровки. На противагу електролізу кріолітогліноземного розплаву анодом тут служить, як правило, розплавлений рафініруемий метал (нижній анодний шар). Електроліт складається з чистих фторидів або суміші хлориду барію і фторидів алюмінію і натрію (середній шар). Алюміній, розчиняється з анодного шару в електроліті, виділяється над електролітом (верхній катодний шар). Чистий метал служить катодом. Підведення струму до катодного шару здійснюється графітовим електродом.

Ванна працює при 750-800 ° С, витрата електроенергії становить 20 кВт? Год на 1 кг чистого алюмінію, т. Е. Трохи вище, ніж при звичайному електролізі алюмінію.

Метал анода містить 25-35% Cu; 7-12% Zn; 6-9% Si; до 5% Fe і незначна кількість марганцю, нікелю, свинцю і олова, решта (40-55%) - алюміній. Всі важкі метали і кремній при рафінуванні залишаються в анодному шарі. Наявність магнію в електроліті призводить до небажаних змін складу електроліту або до сильного його ошлакования. Для очищення від магнію шлаки, що містять магній, обробляють флюсами або газоподібним хлором.

В результаті рафінування отримують чистий алюміній (99,99%) і продукти сегрегації (Зайгер-продукт), які містять важкі метали і кремній і виділяються у вигляді лужного розчину і кристалічного залишку. Лужний розчин є відходом, а твердий залишок застосовується для розкислення.

Рафінований алюміній має звичайно наступний склад,%: Fe 0,0005-0,002; Si 0,002-0,005; Cu 0,0005-0,002; Zn 0,0005-0,002; Mg сліди; Al інше.

Завантажити весь реферат >>>