Переработка алюминиевых руд

Лекция 15. Производство алюминия

Современный способ получения алюминия, предложенный в 1887 г., одновременно во Франции (Эру) и США (Холл), основан на электролизе глинозема (Al ₂ O ₃), растворенного в криолите (Na ₃ AlF ₆), с использованием электродов из углеродистых материалов. При этом на катоде получают алюминий, а на аноде – кислород, который взаимодействует с углеродом анода, образуя смесь СО и СО ₂.

Электролиз чистого Al ₂ O ₃ оказался практически невозможным: чистый Al ₂ O ₃ неэлектропроводен и имеет температуру плавления 2050°С, тогда как алюминий кипит при 2500°С. В качестве электролита более приемлемым является расплавленный криолит (т.пл. 980°С). При растворении глинозема в криолите снижается температура расплава.

В процессе электролиза криолит-глиноземного расплава многие примеси ока­зы­вают вредное влияние на процесс, включаются в катодный металл или способствуют выделению газов. Невозможность удаления примесей в процессе электролиза делает необходимым применение компонентов расплавленного электролита высокой чистоты. Его получение является важнейшей проблемой производства алюминия.

По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов. Значительное сродство алюминия к кислороду обусловило тот факт, что основные его минералы – кислородные соединения.

Производство глинозема высокой чистоты возможно из разных пород, содержащих алюминий. Промышленными рудами в настоящее время считаются бокситы, нефелины и алуниты. Способ производства глинозема зависит от состава руды.

В основных рудах для производства алюминия – бокситах обычно содержится несколько оксидных минералов алюминия и в малом количестве – минералы других элементов. Качество бокситов в значительной мере характеризуется так называемым кремниевым модулем – отношением Al ₂ O ₃: SiO ₂.

В состав нефелинов входят, помимо алюминия и кремния еще калий и натрий, поэтому их рассматривают как ценное комплексное сырье, из которого можно получать глинозем, поташ или соду и материалы для цемента.

Комплексным сырьем являются также алуниты: из этого сырья кроме глинозема полу­чают сульфаты щелочных металлов и серную кислоту. Для выплавки сплавов алю­миния с кремнием используют силлиманитовые руды.

Были предложены разнообразные способы переработки алюминиевых руд. Все они могут быть разделены на три группы: щелочные, кислотные и электротермические, - применение которых зависит от состава руды.

Электротермический способ производства глинозема предусматривает предва­ри­тель­ную плавку алюминиевых руд в электропечах с получением ферросилиция и алюмокальциевого шлака, который является основным сырьем для получения глинозема. Электротермический способ связан с большим расходом электроэнергии, поэтому в настоящее время практически не находит применения. Однако при наличии дешевой энергии интерес к нему может возобновиться.

Способ Байера (мокрый способ) был запатентован в 1889 г. химиком К. И. Байером, работавшим в России. Сущность способа заключается в автоклавном выщелачивании бокситов едким натром при высоких температурах (от 105 до 225°С) и давлении примерно 3 МПа с получением раствора алюмината натрия, содержащего растворимый силикат Na ₂ SiO ₃.

Обескремнивание алюминатного раствора при этом способе происходит только путем связывания SiO ₂ в алюмосиликат натрия. Из полученного раствора должен быть выделен гидроксид алюминия. Для разложения алюминатного раствора его требуется разбавить

Гидролиз алюмината натрия с выделением Al (OH)₃ в осадок ускоряется введением затравки (центров кристаллизации) в виде свежеосажденного Al (OH)₃ и интенсивным размешиванием смеси в декомпозерах (операция «выкручивания»). Выделенный гидроксид алюминия подвергают затем кальцинации

2 Al (OH)₃ → Al ₂ O ₃ + 3 H ₂ O (15.а)

при температуре 1300°С во вращающихся цилиндрических печах. Оставшийся после осаждения гидроксида алюминия раствор содержит NaOH и Na ₂ CO ₃. Сода, образующаяся при карбонизации NaOH диоксидом углерода воздуха, подвергается каустификации с целью регенерации щелочи:

Na ₂ CO ₃ + CaO + H ₂ O → CaCO ₃ + 2 NaOH (15.б)

По способу Байера можно легко перерабатывать бокситы, содержащие оксиды железа и титана, так как последние практически нерастворимы в щелочных растворах и при разбавлении раствора количественно переходят в осадок.

Способом спекания перерабатывают бокситы со сравнительно высоким содержанием кремния, для связывания которого в реакционную смесь вводят известняк.

Сущность способа заключается в спекании бокситов с содой и известняком в трубчатых вращающихся печах. Полученный пек охлаждают и выщелачивают промывными водами. В раствор переходит алюминат натрия, в осадке остается кремнезем, оксид железа и титанат кальция. Небольшая часть кремнезема, образующая при спекании растворимый силикат натрия, который не отделяется после выщелачивания и осаждения силикатов, удаляется уже из раствора с помощью известкового молока при нагревании в автоклавах.

В автоклавах при высоких температуре и давлении образуется белый шлам из нерастворимого алюмосиликата кальция и малорастворимого алюмосиликата натрия. Глинозем извлекают из очищенного раствора алюмината натрия путем карбонизации диоксидом углерода. При карбонизации образуется осадок Al (OH)₃ и раствор соды, который после упаривания возвращают в цикл. При осуществлении способа спекания протекают следующие основные реакции:

спекание

Al ₂ O ₃ + Na ₂ CO ₃ → 2 NaAlO ₂+ CO ₂

SiO ₂ + Na ₂ CO ₃ → Na ₂ SiO ₃ + CO ₂ (15.в)

Fe ₂ O ₃ + Na ₂ CO ₃ → 2 NaF e O ₂ + CO ₂

2 Na ₂ SiO ₃ + 2 Al ₂ O ₃ → Na ₂ O · Al ₂ O ₃·2 SiO ₂ + 2 NaAlO ₂ (15.г)

Na ₂ O · Al ₂ O ₃·2 SiO ₂ + 2 CaO → 2 CaSiO ₃ + 2 NaAlO ₂

выщелачивание и разбавление

NaFeO ₂ + 2 H ₂ O → NaOH + Fe (OH)₃ (15.д)

удаление остатков SiO ₂

2 Na ₂ SiO ₃ + 2 NaAlO ₂ + Ca (OH)₂ + 4 H ₂ O → CaO · Al ₂ O ₃·2 SiO ₂·2 H ₂ O ¯ + 6 NaOH (15.е)

карбонизация:

2NaAlO ₂ + CO ₂ + 3 H ₂ O → 2 Al (OH)₃ + Na ₂ CO ₃ (15.ж)

кальцинация

2 Al (OH)₃ → Al ₂ O ₃ + 3 H ₂ O

Комбинирование двух способов позволяет не только перерабатывать боксит с высоким содержанием кремния, но и заменить едкий натр более дешевым карбонатом натрия. Комбинированный способ применяют также для одновременной переработки низко- и высококремнистого боксита, а также с целью исключения процесса каустификации соды, которую можно использовать при спекании.

Основной целью переработки нефелинов является отделение Al ₂ O ₃ от кремнекислоты и щелочи. При переработке нефелинов получают обычно три продукта: глинозем, поташ (или соду) и известково-кремниевые шламы, используемые для производства портланд-цемента. Переработка нефелинов аналогична переработке боксита методом спекания. Предложены и гидрохимические способы переработки нефелинов.

Переработка алунитов осуществляется восстановительно-щелочным способом в печах кипящего слоя. Принципиальной особенностью этого способа является обезвоживание и восстановительный обжиг алунитов. При этом в раствор переходят алюминат натрия и сульфаты щелочных металлов: раствор выпаривают, и сульфаты щелочных металлов выпадают в осадок. Раствор алюмината натрия далее перерабатывают по способу Байера.

Дата добавления: 2014-01-13