yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->1.4.2. Виробництво алюмінію

Металургія

1.4.2. Виробництво алюмінію

Сировина для виробництва алюмінію та способи отримання глинозему. Алюміній виробляють із бокситів, нефелінів, алеутів тощо. Основною сировиною є боксити, які складаються з 50 – 60% глинозему, 1 –5% кремнезему, 2 – 25% оксиду заліза, 2 –4% оксиду титану, 10 – 3% води. У цьому мінералі алюміній міститься у вигляді сполук Аl(ОН)3, АІООН, АІ2О3, АІ2О32SіО2·2Н2О. Якість бокситів визначається вмістом в них оксиду алюмінію та кремнезему. Якісні боксити містять 50-60% оксиду алюмінію та не більше 0,2% АІО2 і 0,4% Fе2О3.

Алюміній виробляють у два заходи: спочатку отримують, із бокситів глинозем, а потім з глинозему алюміній.

1.      Способи отримання глинозему. Глинозем отримують електротермічними, кислотними та лужними способами: електротермічний спосіб; кислотний спосіб; лужний спосіб.

Глинозем отримують двома способами: 1) способом спікання та 2) способом Баєра.

Технологічна система виробництва алюмінію складається з чотирьох самостійних підсистем: виробництво глинозему, кріоліту, електродної маси та алюмінію з глинозему.

Виробництво алюмінію з бокситів за способом Баєра. Схему технологічної системи виробництва алюмінію за способом Баєра можна подати у вигляді 8-ми елементів, структурними складовими яких є обладнання та технологічні процеси, які відбуваються в ньому або за його допомогою (рис. 5).

1. Виробництво глинозему. Боксити  сушать у печах (елемент 7), мелють у шарових млинах (елемент 2)  із додаванням лугу  (NаОН). Після  розмелювання до бокситів додають концентрований розчин лугу для перетворення гідрату оксиду-алюмінію в алюмінат натрію.

Це відбувається в автоклавах (елемент 3) за температури 105-250°С. Нагрівають і перемішують пульпу за допомогою пари, яку подають під тиском через сопло в днищі автоклава. У процесі взаємодії гідрату оксиду алюмінію з лугом утворюється алюмінат натрію (NaAlO2):

Al(OH)3 + NaOH ↔ NaAlO2 = 2H2O + (Д + П).

 

                             Глинозем                                                     Алюміній

 

 

                      NaOH    NaOH   Al(OH)3                        Кріоліт

 

Боксити                                                                  Al2O3              Al            Al               Al

             1           2           3           4          5                         6             7              8

 

 

                                Порода                 Вода                             Домішки

 

                              NaOH

 

 

Рисунок 5 - Схема технологічної системи виробництва алюмінію

 

Алюмінат натрію розчиняється у воді, а домішки (Д) та породи (П) випадають в осадок. Їх відфільтровують. Чим більше кремнезему міститься в бокситах, тим більше лугу треба для очищення розчину. Профільтрований розчин алюмінату натрію подають до випарника (елемент 4). Температуру розчину знижують до 45°С.  Протягом 50-70 год. розчин перемішують. За цих умов утворюються кристали гідрату оксиду алюмінію (АІ(ОН)3) і розчин лугу (NаОН).

NaAlO2  + 2H2O ↔ Al(OH)3 + NaOH.

Щоб прискорити процес розпаду алюмінату натрію до розчину додають дрібні кристали АІ(ОН)3, які виконують роль центрів кристалізації, навколо яких ростуть кристали. Отримані великі кристали АІ(ОН)3 після промивання передають до наступного елемента 5. Луг очищають і подають до шарових млинів для мокрого розмелювання бокситів.

Наступним елементом системи є трубна обертова піч або піч із «псевдо киплячим шаром», у якій кальцинується гідрат оксиду алюмінію (елемент 5) для отримання оксиду алюмінію - глинозему. Кальцинацію проводять за температури 1200°С:

2АІ(ОН)3  →АІ2О3 + ЗН2О .

Отриманий глинозем (АІ2О3) містить домішки F2О3, SiО2 тощо. Для виробництва однієї тонни глинозему необхідно розмолоти 2-2,5 т бокситів, витратити 70-90 кг NaOH, 7-9 т водяної пари, 160-180 кг мазуту (у перерахунку на умовне паливо) і близько 280 кВт·год. електроенергії.

2. Виробництво алюмінію з глинозему. Глинозем - це стійка хімічна сполука з температурою плавлення 2050°С, кипіння - 2980°С. Відновлювати алюміній з його оксиду вуглецем не можна, оскільки цей процес закінчується утворенням карбіду алюмінію (АІ3С4).

Не можна отримати алюміній електролізом водного розчину солей, оскільки на катоді виділяється лише водень.

Алюміній отримують електролізом глинозему, розчиненого в розплав­леному кріоліті (Na3AlF6). Сюди ж додають АІF3 і NaF. Процес відбувається в електролізері (елемент 6).

Ванна електролізера окута сталлю  у середині вкладена вуглецевими блоками. До піддона ванни за допомогою мідних шин підведені електричний струм. Отже, вуглецевий піддон служить катодом. Анод виготовлений із вуглецевої маси. Нижня частина анода занурена в електроліт. У процесі електролізу анод згоряє в атмосфері кисню і його нарощують сумішшю, яка складається з нафтового або смоляного коксу і кам'яновугільної смоли. У верхніх шарах анодної суміші температура становить 100-140°С, а в нижніх - 360°С. За допомогою сталевих штирів до анода підведений струм. Напруга на електродах становить  4-4,5 В.

Перед початком процесу ванну прогрівають і поступово завантажують кріоліт. Коли товщина шару розплавленого кріоліту досягне 200-300 мм, у ванну засипають глинозем (10-15% маси кріоліту). Під час проходження струму між анодом і катодом розплав нагрівається до температури 950-1000°С.

Кріоліт і глинозем дисоціюють: на катоді розряджаються іони АІ3+ й утворюється алюміній, а на аноді іони О2- , які окислюють вуглець аноду до СО і СО2. Газові продукти реакції за допомогою вентиляції виводять з ванни. На дні ванни збирається розплавлений алюміній, який періодично випомповують трубкою 8 до вакуумного ковша 9, за допомогою трубки 10. Ванна працює безперервно протягом 2 – 3 років.

Для виробництва 1 т алюмінію необхідно витратити 2 т глинозему, 0,7 т анодної суміші, 0,1 т кріоліту та 16-18 МВт·год. електроенергії. Затрати на електроенергію становлять 30% собівартості алюмінію, 50% припадає на сировину. Отже, щоб зменшити собівартість алюмінію, потрібно раціонально використовувати сировину та електроенергію.

Отриманий алюміній називають первинним. Він містить домішки заліза, кремнію, частинки глинозему, кріоліту та гази, а це все погіршує його властивості.

Рафінування алюмінію. Щоб зменшити кількість домішок, первинний алюміній рафінують (елемент 7). Рафінування проводять продуванням розплавленого алюмінію хлором; електролізом; зонним переплавленням тощо.

 

6