Металлургия алюминия. Получение алюминия Получение глинозема из бокситовых руд

Свойства

Алюминий - элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов.

Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния). Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

Важнейшими минералами, содержащими алюминий, являются:

Корунд- Al 2 O 3

Диаспор (бемит) -AlOOH

Шпинель - Al 2 O 3 ·MgO

Гиббсит -Al(OH) 3

Кианит (андалузит, силимонит) - Al 2 O 3 ·SiO 2

Каолин - Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O

Основные алюминиевые руды – бокситы, нефелины, алуниты, каолины и кианиты. Содержание глинозёма в промышленных бокситах колеблется от 40 % до 60 % и выше. Используется также в качестве флюса в чёрной металлургии. К числу крупных месторождений бокситов в нашей стране относится Тихвинское (Ленинградская область), Северо-уральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябинская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область).

Физические свойства

металл серебристо-белого цвета, лёгкий,

плотность - 2,7 г/см³,

температура плавления у технического алюминия - 658 °C, у алюминия высокой чистоты - 660 °C

удельная теплота плавления - 390 кДж/кг,

температура кипения - 2500 °C

твёрдость по Бринеллю - 24…32 кгс/мм²,

высокая пластичность: у технического - 35 %, у чистого - 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу

модуль Юнга - 70 ГПа.

Алюминий обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм·м) и теплопроводностью (1,24×10−3 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

слабый парамагнетик

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин)

Сродство алюминия к кислороду очень большое. При его окислении выделяется большое количество тепла (~ 1670000Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при: нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Алюминий соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной ~ 0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому алюминий стоек против коррозии. Поверхность алюминия хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии.

Производство

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая - эти получение глинозема (Аl 2 O 3) из рудного сырья и вторая- получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Способ Байера

Способ Байера - способ выделения глинозема из боксита - основан на выщелачивании, цель которого растворить содержащийся в боксите оксид алюминия Аl 2 O 3 , избежав перевода в раствор остальных составляющих боксита (SiO 2 , Fe 2 O 3 и др.). В основе способа лежит обратимая химическая реакция:

Аl 2 O 3 · n Н 2 O + 2NaOH = Na 2 O · Аl 2 O 3 + (n + 1)H 2 O

При протекании реакции вправо глинозем в виде алюмината натрия переходит в раствор, а при обратном течении реакции образующийся гидратированный Аl 2 O 3 выпадает в осадок.

1. Подготовка боксита к выщелачиванию. Боксит дробят и размалывают до фракций размером 0,05-0,15 мм в среде добавляемой щелочи и оборотного раствора щелочи NaOH, добавляют также немного извести, активизирующей выщелачивание.

2. Выщелачивание боксита, заключается его в химическом разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlOOH+NaOH → NaAlO 2 +H2O

Al(OH) 3 +NaOH → NaAlO 2 +2H 2 O;

SiO 2 +2NaOH → Na 2 SiO 3 +H 2 O;

В растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100 °С.

Выщелачивание производится в автоклавах - сосудах, работающих под давлением. Продуктом является автоклавная пульпа, состоящая из алюминатного раствора (содержащего Na 2 O · Аl 2 O 3) и шлама (осадка, в который выпадают остальные примеси боксита).

3. Отделение алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют).Получаемый красный шлам (окраску ему придают частицы Fe 2 O 3) идет в отвал, шлам содержит, %: Аl 2 O 3 12-18, SiO 2 6-11, Fe 2 O 3 44-50, CaO 8-13.

4. Разложение алюминатного раствора , называемое также декомпозицией или выкручиванием, проводят с целью перевести алюминий из раствора в осадок в виде Аl 2 O 3 · 3 Н 2 O, для чего обеспечивают течение приведенной выше реакции выщелачивания влево, в сторону образования Аl 2 O 3 · 3 Н 2 O. Чтобы указанная реакция шла влево, необходимо понизить давление (до атмосферного), разбавить и охладить раствор, ввести в него затравки (мелкие кристаллы гидрооксида алюминия) и пульпу для получения достаточно крупных кристаллов Аl 2 O 3 · 3 Н 2 O перемешивать в течение 50-90 ч. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси - затравки:

Na 2 O·Al 2 O 3 + 4H 2 O → Al(OH) 3 +2NaOH;

5. Отделение кристаллов гидрооксида алюминия от раствора и классификация кристаллов по крупности. После декомпозиции пульпа поступает в сгустители, где гидрооксид отделяют от раствора. Полученный гидрооксид в гидросепараторах разделяют на фракцию с размером частиц 40-100 мкм и мелкую фракцию (размером < 40 мкм), которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

6. Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации) ; это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150-1300 °С; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

Al(OH) 3 → AlOOH→ γ-Al 2 O → α-Al 2 O 3

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% α- Al 2 O 3 (корунд), остальное γ- Al 2 O 3 .

Извлечение глинозема при использовании описанного способа Байера составляет около 87 %. На производство 1 т глинозема расходуют 2,0-2,5 т боксита, 70-90 кг NaOH, около 120 кг извести, 7-9 т пара, 160-180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт · ч электроэнергии.

Заочная форма обучения. Курс - Металлургия цветных металлов

Краткий конспект

Подготовка сырья к металлургическому производству

Металлургия меди

Металлургия цинка

Металлургия алюминия

Все металлы делят на две группы: черные и цветные.

К группе черных металлов относят железо, а также марганец (Mn), ванадий (V) и хром (Cr).

Все остальные металлы составляют группу цветных.

В свою очередь цветные металлы подразделяются на следующие под­группы по физико-химическим свойствам:

а)тяжелые цветные металлы (плотность больше 5 г/см 3): Cu(медь), Ni (никель), Pb (свинец), Sn(олово), Zn(цинк), Cd(кадмий),Co (кобальт), As (мышьяк), Sb (сурьма);

б) легкие цветные металлы (плотность до 5 г/см 3): Al(алюминий), Mg (магний), Na (натрий), а также Be (бериллий),Li (литий), Ba(барий), Ca (кальций), Sr (стронций), K(калий), Ti (титан), Zr(цирконий);

в)благородные металлы: Au(золото), Ag (серебро), Pt платина), Os(осьмий), Ir (иридий), Rh (родий),Ru (рутений), Pd (палладий);

г)редкие металлы, которые подразделяются на:

- тугоплавкие (температура плавления более 1873 К): Hf (гафний), Nb(ниобий), Ta (тантал), Mo (молибден), W(вольфрам), Re(рений);

- рассеянные: Ga ( галлий), Tl (таллий), Ge (германий), Se(селен), Te (теллур),In (индий), Rb(рубидий), Cs (цезий);

- редкоземельные: Sc (скандий), Y(иттрий), La (лантан) и лантаноиды (14 элементов от церия до лютеция);

- радиоактивные: Ra (радий), Ac (актиний), актиноиды (торий, протактиний, уран и заурановые элементы), полоний.

Следует иметь в виду, что редкие металлы не обязательно содержатся в земной коре в малых количествах. Металлы этой подгруппы получили название «редкие» главным образом потому, что они рассеяны в большом количестве других пород. Отсюда невелика концентрация этих металлов в рудах, а месторождения руд редких металлов имеют небольшие размеры (запасы).

Исходным сырьём для производства абсолютного большинства металлов являются минеральные образования, добываемые из земной коры, - руды.

Рудой называется горная порода, содержащая металл в такой форме и в таком количестве, что его экономически выгодно извлекать на данном уровне развития техники.

Руда любого металла состоит обычно из двух основных частей: рудного минерала , представляющего химическое соединение металла с другим (другими) элементом, механически перемешанного с соединениями, не содержащими данного металла - пустой породой.

руда = рудный минерал + пустая порода.

Все рудные минералы (более 3000) по вещественному составу подразделяются на:

I группа самородные (золото, платина, S, углерод)

II группа сульфидные – это минералы, в состав которых входит сера.

III группа несульфидные (окисленные), которые подразделяются на:

1) окислы (Fe 3 O 4 – магнетит, SiO 2 – кварц, SnO 3 – касситерит)

2) силикаты (цирконий ZrSiO 4)

3) карбонаты (РbСО 3 – церрусит)

IV группа смешанные

Таким образом, npoцecc получения металла из руды включает две последовательные операции:

а) отделение рудного минерала от пустой породы – это достигается в процессе обогащения на обогатительных фабриках;

б) отделение металла от элемента, с которым он образует химическое соеди­нение – это происходит в пиро- или гидрометаллургических процессах на металлургических предприятиях.

Характеристика руд цветных металлов

1. Руды цветных металлов являются комплексным сырьем. В рудах цветных металлов, наряду с основными металлами (медью, свинцом, цинком, никелем, кобальтом, молибденом, вольфрамом, висмутом), присутствуют золото, серебро, кадмий, индий, селен, теллур, рений, таллий, галлий, редкие земли, сера, барит, флюорит, кварц и другие элементы и минералы. Основная масса (80–85 %) цветных металлов в рудах представлена сульфидными минералами. Благородные металлы и примеси присутствуют в рудах главным образом в виде изоморфных примесей и тонкодисперсных включений в минералы основных и сопутствующих полезных компонентов. Несульфидные минералы представлены оксидами, силикатами, карбонатами, фосфатами и другими породными минералами в различном их соотношении.

цинка. Содержания сопутствующих металлов при этом оцениваются обычно десятыми, сотыми и тысячными долями процента. Постоянный рост производства и потребления основных цветных металлов (меди, свинца, цинка, никеля) сопровождается непрерывным снижением их содержания в перерабатываемых рудах. Например, среднее содержание меди в медных рудах за последние 90 лет уменьшилось в 10 раз и составляет в настоящее время около 1,3 %.

3. Руды цветных металлов весьма разнообразны и изменчивы по химическому и минеральному составу, характеру вкрапленности и степени окисленности, крепости, дробимости, измельчаемости, обогатимости. Различные сочетания свойств руд создают большое многообразие их типов и разновидностей, отличающихся между собой важными технологическими свойствами по отношению к процессам дробления, измельчения, обогащения и др.

4. Руды цветных металлов отличаются сложными горно-геологическими условиями залегания. Месторождения цветных металлов обычно отличаются сравнительно небольшими запасами, сложностью и разобщенностью рудных тел, весьма крепкими рудами и вмещающими породами, предопределяющими большую трудоемкость при их разработке.

5. Руды ЦМ отличает тонкая дисперсная связь ценных компонентов с вмещающими горными породами и между собой. Как правило, руды ЦМ требуют хорошего измельчения, чтобы разрушить эти связи.

Цель подготовки руд к металлургическому переделу

Перерабатываемые в металлургическом переделе руды должны иметь:

Оптимальный состав пустой породы;

Минимальное содержание вредных примесей;

Требуемый для данной технологии гранулометрический состав руды;

Максимальную однородность химического и гранулометрического составов рудного материала.

Добытые из недр земли руды, как правило, не отвечают этим требо­ваниям и нуждаются в предварительной обработке, представляющей часто целый комплекс специальных операций.

Обогащением руды называется комплекс процессов, с помощью которых от руды существующими физическими и физико-химическими методами отделяют минералы пустой породы.

В результате обогащения происходит:

1. концентрация ценного компонента в десятки, сотни раз;

2. с помощью обогащения удаляются вредные примеси из концентратов, что облегчает металлургический или другой последующий передел;

3. сокращаются затраты на перевозки материала потребителю (за счет сокращения общей массы продукта);

4. переработка обогащенного материала производится с большим эффектом (увеличивается производительность последующего передела, уменьшается расход топлива и электроэнергии, снижаются потери ценного компонента с отходами производства, повышается извлечение).

Продуктами обогащения являются :

концентрат - материал, содержащий полезного минерала больше, чем его было в исходной руде. При обогащении многокомпонентных полезных ископаемых получают 2 и более концентратов. Концентраты должны удовлетворять ГОСТу или техническим условиям.

хвосты - материал, состоящий в основном из пустой породы и содержащий небольшое количество полезного минерала. Это отход обогащения. Но отвальные хвосты удается получить не всегда. Если хвосты содержат много полезного минерала, их подвергают повторному обогащению один или несколько раз, в результате чего получают отвальные хвосты и продукт, обогащенный полезным минералом. Это продукты более бедные, чем основные концентраты. Они занимают по содержанию полезного элемента промежуточное положение между концентратом и хвостами – и называются промежуточными продуктами (промпродукты), которые подвергаются дополнительному обогащению.

Обогатительная фабрика – это промежуточное звено между рудником и металлургическим заводом. Мощность фабрики определяется обычно количеством переработанной руды и бывает различна - от десятков тыс. т до нескольких млн. т в год.

Руда различной крупности (D = 1500-2000 мм – характерна для открытых горных работ, D = 500-600 мм – характерна для подземных горных работ), поступающая с рудника, на обогатительной фабрике проходит различные процессы, которые по своему назначению можно разделить на:

Подготовительные;

Собственно обогатительные;

Вспомогательные.

Подготовительные процессы включают, прежде всего, операции уменьшения размеров кусков руды: дробление и измельчение и связанные с ними грохочение и классификацию. Конечная крупность измельчения определяется крупностью вкрапленности минералов, которые надо раскрыть. Именно это позволяет выделить их в самостоятельный продукт. В зависимости от технологии конечная крупность минеральных частиц может достигать от 2-3 мм до 40 микрон. Операции грохочения и классификации позволяют отделить крупные куски минералов от мелких.

К собственно обогатительным процессам относятся процессы разделения рудных минералов и пустой породы и выделения их в отдельные продукты. Основаны эти процессы на различных физических свойствах рудных минералов и минералов пустой породы – цвете, блеске, магнитных свойствах, электропроводности, плотности, смачиваемости и т.д. К этим процессам относятся гравитационное обогащение, флотация , магнитная и электрическая сепарация и другие процессы. Задача основных процессов обогащения − разделить полезный минерал и пустую породу. Это и является обогатительным процессом.

Основные группы обогатительных процессов:

1) Гравитационные методы обогащения. Это разделение минеральных частиц, как правило, в потоке воды, основанное на различной плотности минералов. Этот метод является основным для обогащения золотосодержащих, платиновых, вольфрамовых и оловянных руд.

2) Флотация – разделение минеральных частиц, основанное на их различной смачиваемости водой. Это основной метод при обогащении медных, цинковых, свинцовых, молибденовых, никелевых руд.

3) Магнитное обогащение – разделение минеральных частиц в магнитном поле, основанное на различных магнитных свойствах минералов. Это основной метод при обогащении железных руд и руд редких металлов.

4) Электрическое обогащение – основано на разной электропроводности минеральных частиц.

5) Радиометрическое обогащение – основано на различной радиоактивности разделяемых минералов - естественной или наведенной.

Вспомогательные процессы. Поскольку большая часть основных методов проводится в воде, продукты, получаемые в результате, содержат много влаги - до 80%. Требования пирометаллургического производства – от 5 до 10% влажности, поэтому на обогатительных фабриках товарная продукция подвергается обезвоживанию с помощью трех последовательно идущих операций:

1) Сгущение

2) Фильтрация

Совокупность и последовательность операций, которым подвергается руда при обогащении, путь движения руды и продуктов обогащения от одной операции к другой называются технологической схемой обогащения.

Итак, в результате обогащения руды получаем продукт, поступающий на металлургическое производство – концентрат. Концентрат содержит металла гораздо больше (в десятки раз), чем исходная руда, что позволяет его перерабатывать с большей эффективностью.

Содержание статьи

АЛЮМИНИЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. В 1854 А.Девиль изобрел первый практический способ промышленного производства алюминия. Рост производства был особенно быстрым во время и после Второй мировой войны. Производство первичного алюминия (без учета производства Советского Союза) составляло только 620 тыс. т в 1939, но возросло до1,9 млн. т в 1943. К 1956 во всем мире производилось 3,4 млн. т первичного алюминия; в 1965 мировое производство алюминия составило 5,4 млн. т, в 1980 – 16,1 млн. т, в 1990 – 18 млн. т.

Производство алюминия включает три основные стадии: добыча и обогащение руды; получение из руды чистой окиси алюминия (глинозема); восстановление алюминия из окиси путем электролиза.

Добыча и обогащение руды.

Основная алюминиевая руда – бокситы – добывается главным образом в карьерах; крупнейшими производителями бокситов являются Австралия, Гвинея, Ямайка и Бразилия. Обычно слой руды взрывается для образования рабочей площадки на глубине до 20 м, а потом выбирается. Куски руды дробятся и сортируются с помощью грохотов и классификаторов. Дробленая руда далее обогащается, а пустая порода (хвосты) выбрасывается. На этой стадии процесса экономически выгодно использовать методы промывки и грохочения, использующие разность плотностей руды и пустой породы для отделения их друг от друга. Менее плотная пустая порода уносится промывочной водой, а концентрат оседает на дно обогатительной установки.

Процесс Байера.

Процесс получения чистой окиси алюминия включает нагревание боксита с едким натром, фильтрование, осаждение гидроокиси алюминия и ее прокаливание для выделения чистого глинозема. На практике руда смешивается с нужным количеством горячего едкого натра в автоклаве из низкоуглеродистой стали, и смесь прокачивается через ряд стальных сосудов с паровой рубашкой. В сосудах поддерживается давление пара 1,4–3,5 МПа в течение времени от 40 мин до нескольких часов, пока не завершится переход окиси алюминия из боксита в раствор алюмината натрия в перегретой жидкости. После охлаждения твердый осадок отделяется от жидкости. Жидкость фильтруется; в результате получается пересыщенный чистый раствор алюмината. Этот раствор метастабилен: алюминат-ион разлагается с образованием гидроокиси алюминия. Добавление в раствор кристаллической гидроокиси алюминия, остающейся от предыдущего цикла, ускоряет разложение. Сухие кристаллы гидроокиси алюминия затем прокаливаются для отделения воды. Получающийся безводный глинозем пригоден для использования в процессе Холла – Эру. По экономическим соображениям в промышленности эти процессы стремятся делать по возможности непрерывными.

Электролиз Холла – Эру.

Заключительная стадия производства алюминия включает его электролитическое восстановление из чистой окиси алюминия, полученной в процессе Байера. Этот способ извлечения алюминия основывается на том (открытом Холлом и Эру) факте, что когда глинозем растворяется в расплавленном криолите, при электролизе раствора выделяется алюминий. Типичный электролизер Холла – Эру представляет собой ванну с расплавленным криолитом 3NaF Ч AlF 3 (Na 3 AlF 6) – двойным фторидом натрия и алюминия, в котором растворено 3–5% глинозема, – плавающим на подушке из расплавленного алюминия. Стальные шины, проходящие через подину из углеродистых плит, используются для подачи напряжения на катод, а подвешенные угольные бруски, погруженные в расплавленный криолит, служат анодами. Рабочая температура процесса близка к 950° С, что значительно выше температуры плавления алюминия. Температура в электролизной ванне регулируется изменением зазора между анодами и катодным металлоприемником, на который осаждается расплавленный алюминий. Для поддержания оптимальной температуры и концентрации глинозема в современных электролизерах применяются сложные системы управления. На производство алюминия расходуется очень много электроэнергии, поэтому энергетический КПД процесса – главная проблема в алюминиевой промышленности. Электродные реакции представляют собой восстановление алюминия из его окиси и окисление углерода до его окиси и двуокиси на анодах. Одна печь дает до 2,2 т алюминия в сутки. Металл сливается раз в сутки (или реже), потом флюсуется и дегазируется в отражательной копильной печи и разливается по формам.

Возобновляемые электроды Содерберга.

В электролизере Холла – Эру угольные аноды расходуются со скоростью 2,5 см/сут, так что часто требуется установка новых анодов. Чтобы исключить частое вмешательство человека в производство, был разработан процесс с использованием возобновляемого электрода Содерберга. Анод Содерберга непрерывно образуется и спекается в восстановительной камере из пасты – смеси 70% молотого кокса и 30% смоляной связки. Эта смесь набивается в прямоугольную оболочку из листовой стали, открытую с обоих концов и расположенную вертикально над ванной с расплавом внутри печи. По мере расходования анода в верхнее отверстие оболочки добавляется паста. Когда коксосмоляная смесь опускается вниз и нагревается, она спекается в твердый углеродистый брусок прежде, чем достигает рабочей зоны.

Потребление алюминия.

Около 28% производимого алюминия идет на изготовление банок для напитков, пищевой тары и всевозможных упаковок. Еще 17% используется в транспортных средствах, включая самолеты, военную технику, железнодорожные пассажирские вагоны и автомобили. Около 16% применяется в конструкциях зданий. Примерно 8% используется в высоковольтных линиях электропередачи и других электрических устройствах, 7% – в таких потребительских товарах, как холодильники, кондиционеры воздуха, стиральные машины и мебель. На нужды машиностроения и промышленное оборудование расходуется 6%. Остающаяся часть потребляемого алюминия используется в производстве телевизионных антенн, пигментов и красок, космических кораблей и судов.

Алюминий является одним из самых распространенных элементов в земной коре – с количеством более 7% занимает третье место после кислорода и кремния. Его получают из боксита, т.е. осадочной горной породы, в которой он встречается в основном в виде оксида.

Этот металл хорошо известен уже более 2-х тысяч лет и характеризуется широким техническим применением. Для чего его можно использовать?

В промышленности алюминий в основном используется в сплавах с другими элементами, что улучшает его эксплуатационные свойства. В таком виде он представляет собой универсальный конструкционный материал с очень универсальным применением. Среди алюминиевых сплавов можно выделить, в частности, литейные сплавы и сплавы, используемые для пластической обработки. В их состав, кроме алюминия, входят такие элементы, как: медь, магний, кремний и марганец. Алюминиевые сплавы используют, в частности, в авиации, химической промышленности, автомобилестроении и даже в судостроении.

Алюминий широко используется в промышленности также и в чистом виде для изготовления разных предметов быта, таких как, например, зеркала, банки для напитков и продуктов питания, кухонные принадлежности или же всем известная алюминиевая фольга. Его используют также для изготовления химической аппаратуры, электрических проводов, а даже взрывчатых веществ. Чтобы выделить этот элемент из бокситовой руды, необходимо осуществить два следующих друг за другом этапа. Первый из них – это процесс Байера, который позволяет получить из минерала оксид алюминия. Затем это соединение подвергается электролизу, в результате чего образуется алюминий технической чистоты.

Из чего производят алюминий?

Чистый алюминий не встречается в природе из-за его способности к пассивации. Это явление заключается в окислении металла в присутствии воздуха, в результате чего на его поверхности образуется пассивный защитный слой. Алюминий покрывается слоем оксида алюминия (Al 2 O 3) толщиной до нескольких нм. Затем, под воздействием влаги внешний слой подвергается частичному гидролизу, в результате чего дополнительно образуется гидроксид, т.е. Al(OH) 3 .

Алюминий входит в состав разных минеральных пород, встречающихся в природе в виде руд. Для производства чистого алюминия используется, прежде всего, глинистая бокситовая руда. Она образуется в основном в местах выветривания алюмосиликатных пород в жарком климате и содержит также соединения железа. Это порода с характерным красным или коричневым цветом, которая встречается в двух видах: силикатном и карбонатном.

Производство алюминия технической чистоты

Алюминий технической чистоты (более 99%) промышленно получают в результате двух последовательных процессов. В результате первого получают оксид алюминия (процесс Байера), а на следующем этапе проводят процесс электролитической редукции (электролиз методом Холла-Эру), благодаря которому получают чистый алюминий. Для снижения расходов, связанных с транспортировкой бокситовой руды, большинство перерабатывающих предприятий строят недалеко от шахт.

Процесс Байера

Первый этап после добычи руды заключается в ее мытье с помощью воды. Таким образом удаляют большую часть загрязнений, которые просто растворяются в воде. Затем, в обработанное водой сырье добавляют CaO, т.е. оксид кальция. После этого его измельчают с помощью специальных трубных мельниц до момента получения зерен с очень малым диаметром, т.е. меньше 300 мкм. Соответствующее измельчение сырья чрезвычайно важно, так как оно обеспечивает большую площадь поверхности зерен, что, в свою очередь, влияет на эффективность протекания процесса экстракции.

Следующий этап производства оксида алюминия заключается в растворении зерен при помощи водного раствора каустической соды. В Группе PCC гидроксид натрия производится методом мембранного электролиза. Полученный таким образом продукт характеризуется очень высоким качеством и чистотой, отвечая при этом требованиям последнего издания Европейской фармакопеи. Смесь, содержащая молотые зерна и , хранится в течение нескольких часов в специальных реакторах, называемых автоклавами. Во время протекающего процесса осаждения в реакторах поддерживаются высокое давление и повышенная температура. Таким образом, получают алюминат натрия, который затем очищают при помощи разных фильтров.

На следующем этапе очищенный раствор алюмината натрия подвергается разложению. В результате образуется (т.е. водный раствор каустической соды) и кристаллы гидроокиси алюминия высокой степени чистоты. Полученный в результате кристаллизации осадок отфильтровывают и промывают водой. А оставшийся натровый щелок нагревают и возвращают в процесс для повторного использования.

Последним этапом производства чистого оксида алюминия является кальцинация. Она заключается в нагревании гидроксида алюминия при температуре выше 1000 o C, в результате чего происходит его разложение на Al 2 O 3 , который получают в виде чистого белого порошка. Так подготовленный оксид алюминия транспортируют в печи для получения металлического алюминия в процессе электролитической редукции.

Электролиз оксида алюминия

Следующим этапом получения чистого алюминия является проведение процесса электролиза методом Холла-Эру. В первую очередь, полученный в процессе Байера Al 2 O 3 расплавляют с криолитом и таким образом приготовленный раствор подвергают процессу электролиза при температуре не выше 900 o C. Полученный таким образом жидкий алюминий отделяют от электролита и удаляют из электролитических ванн с помощью т.н. вакуумных сифонов. Затем сырье попадает в литейное устройство, откуда на дальнейшем этапе его вкладывают в раскаленные печи, в которых происходит процесс переработки. Он заключается в очистке алюминия с целью достижения максимальной чистоты. В промышленных условиях алюминий может быть очищен двумя методами. Первый из них заключается в растопке алюминия и пропускании через него хлора, благодаря чему примеси связываются с , образуя хлориды, которые затем удаляют из процесса. Второй метод заключается в электролитической редукции расплавленного с медью алюминия. Полученный таким образом конечный продукт характеризуется очень высокой чистотой.

Алюминий – материал будущего

Разработка метода получения чистого алюминия из боксита с помощью процесса Байера и электролиза Холла-Эру расширила область применения этого элемента. Кроме того, сочетание высокой прочности с легкостью позволило в некоторых случаях заменить алюминием более дорогую сталь. Устойчивость к воздействию атмосферных факторов дала возможность использовать алюминий в производстве оконных и дверных профилей. Еще одним преимуществом алюминия является возможность подвергать его многократной вторичной переработке, благодаря чему он считается относительно дружественным окружающей среде материалом.

Подводя итог, алюминий – это универсальный материал, широко используемый в пищевой, энергетической, химической, транспортной, строительной, автомобильной и авиационной промышленностях. Учитывая его многочисленные преимущества, безусловно, это не предел возможностей его применения и в ближайшем будущем он по-прежнему будет приобретать популярность.

Название : Металлургия алюминия. 1999.

Автор : Борисоглебский Ю.В.

В книге "Металлургия алюминия" изложены этапы развития производства алюминия, его физико-химические свойства, способы получения, свойства и строение электролитов, конструкции электролизеров, их расчет и особенности эксплуатации, описаны механизация и автоматизация процесса электролиза, основы экологии, охраны труда, техники безопасности и экономики.

Оглавление
Предисловие
Глава 1. Общие сведения
1.1. Основные минералы и руды алюминия
1.2. Свойства алюминия
1.3. Применение алюминия
Список литературы
Глава 2. Способы получения алюминия
2.1. История развития алюминиевой промышленности
2.2. Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов
2.3. Альтернативные способы получения алюминия
Список литературы
Глава 3. Свойства и строение электролитов
3.1. Основные компоненты электролита, их свойства и строение
3.2. Диаграммы плавкости солевых систем
3.3. Свойства электролитов
3.4. Строение криолитоглиноземных расплавов
Список литературы
Глава 4. Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов
4.1. Термодинамика основных реакций
4.2. Основные электродные реакции
4.3. Катодный процесс
4.4. Анодный процесс
4.5. Катодный выход по току
4.6. Требования, предъявляемые к глинозему
4.7. Влияние солевых добавок и поведение примесей при электролизе
4.8. Показатели процесса электролиза
Список литературы
Глава 5. Конструкции электролизеров
5.1. Общая характеристика электролизеров
5.2. Катодное устройство
5.3. Анодное устройство
5.4. Системы газоулавливания
5.5. Ошиновка электролизеров
5.6. Демонтаж и монтаж электролизеров
Список литературы
Глава 6. Эксплуатация электролизеров
6.1. Обжиг, пуск и послепусковой период
6.2. Технология обслуживания анода
6.3. Обслуживание ванны
6.4. Корректировка состава электролита
6.5. Способы ликвидации анодных эффектов
6.6. Нарушения технологии и меры по их устранению
6.7. Влияние перерывов в электроснабжении на технологию
6.8. Разрушение подин электролизеров
Список литературы
Глава 7. Влияние магнитного поля
7.1. Основные сведения об электромагнетизме
7.2. Магнитное поле в электролизере
7.3. Распределение тока в расплаве
7.4. Электромагнитные силы в металле
7.5. Конфигурация ошиновки
Список литературы
Глава 8. Основы расчета электролизера
8.1. Выбор силы и плотности тока
8.2. Материальный баланс
8.3. Конструктивный расчет
8.4. Расчет ошиновки
8.5. Электрический баланс
8.6. Тепловой баланс
Список литературы
Глава 9. Серия электролиза
9.1. Краткие сведения об электролизном цехе
9.2. Конструкция корпуса и компоновка электролизеров в нем
9.3. Вентиляция корпусов
9.4. Расчет количества ванн и производительности серии
9.5. Электроснабжение серии
Список литературы
Глава 10. Механизация и автоматизация процесса электролиза
10.1. Транспортно-технологическая схема процесса электролиза
10.2. Современное состояние механизации в электролизных цехах
10.3. Механизация доставки глинозема и пробивки корки
10.4. Механизация операций на анодном хозяйстве
10.5. Измерение основных параметров электролизеров
10.6. Автоматизация процесса электролиза
Список литературы
Глава 11. Экология производства алюминия
11.1. Токсикологическая оценка сырья и выделений при электролизе.
11.2. Расчет выбросов при электролизе
11.3. Отходы производства и их утилизация
11.4. Способы очистки отходящих газов
Список литературы
Глава 12. Основы экономики производства алюминия
12.1. Основные положения
12.2. Расход сырья, материалов и электроэнергии
12.3. Влияние качества и вида готовой продукции на экономику
12.4. Пути снижения себестоимости и повышения прибыли
13.1. Организация работ по охране труда
13.2. Санитарно-гигиенические характеристики условий труда
13.3. Электробезопасность
13.4. Техника безопасности при обслуживании электролизеров
13.5. Пожарная безопасность
Перечень рисунков
Перечень таблиц
Список литературы.

Давление пара .
Изучение величин давления насыщенного пара важно не только с точки зрения теории (определение характеристик процесса парообразования), но и с позиции практики электролиза, поскольку с испарением связаны потери ценных составляющих электролита, загрязнение атмосферы цехов и окружающей среды вредными примесями.

Основы теории процессов испарения систематически изложены в монографии . В соответствии с правилом фаз Гиббса для системы жидкость - пар при полной взаимной растворимости в жидком состоянии число степеней свободы равно числу независимых компонентов, которое, в свою очередь, равно разности между числом компонентов молекулярных форм, существующих в системе, и числом независимых обратимых реакций.

Это накладывает определенные ограничения на равновесие, например, в однокомпонентной системе температура и давление не могут меняться произвольно вне зависимости одно от другого, что определяет моновариантное равновесие.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Металлургия алюминия - Борисоглебский Ю.В. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.