Производство алюминия

Алюминий — один из самый распространенных элементов в пр роде. Его содержание в земной коре составляет около 8 %.

Чистый алюминий — металл серебристо-белого цвета, темпер тура его плавления 660 °С, плотность 2,7 т/м3. Алюминий обладает высокими электро- и теплопроводностью, уступая по этим свойствам только серебру и меди, пластичностью и малой окисляемость Прочность и твердость алюминия относительно невысокие. В прокатанном и отожженном состоянии он очень пластичен, но малопрочен.

Наибольшее применение чистый алюминий получил в электротехнической промышленности для изготовления проводов, кабелей и обмотки. Алюминий и его сплавы широко применяются во многих отраслях промышленности: в авиации, металлургии, пищевой про- мышленности и др.

Алюминий обладает высокой химической активностью и в свободном состоянии в природе не встречается. Он входит в состав большинства горных пород в виде Аl2О3 и А1(ОН)3.

Получают алюминий из горных пород с высоким содержанием глинозема: бокситов, нефелинов, алунитов и коалинов. Основным сырьем для получения алюминия являются бокситы (50...60% глинозема, 1...5% кремнезема, 2...25% оксида железа, 2...4% оксида титана, 10...30 % воды).

Технологический процесс получения алюминия состоит из двух стадий: получения глинозема

(Аl 2Оз) из руды и производства алюминия из глинозема. В зависимости от состава и свойств исходного сырья применяют различные способы получения глинозема: химико-термические, кислотные и щелочные.

Широко распространены щелочные способы получения глино­зема. Наиболее эффективным из них является мокрый щелочный способ. Этим способом перерабатываются бокситы с низким содер­жанием кремнезема (2...3 %). Боксит при этом сушат, дробят, раз­малывают в шаровых мельницах и обрабатывают концентрирован­ной щелочью для перевода гидрата оксида алюминия в алюминат натрия:

Алюминат натрия (NаА1О2) переходит в водный раствор, а другие примеси, не растворяющиеся в щелочах, выпадают в оса­док и отфильтровываются. Часть кремнезема также переходит в осадок, остальная его часть растворяется в щелочи и загрязняет водный раствор. В связи с этим для очищения раствора требуется повышенный расход едкого натра.

Отфильтрованный водный раствор алюмината натрия поступа­ет в специальные аппараты — самоиспарители, где происходит гидролиз алюмината натрия и выделение гидроксида алюминия:

Полученный гидроксид алюминия направляется на фильтро­вание, а затем промывается и поступает в печь, где при температу­ре 1200 °С прокаливается. В процессе прокаливания получают чис­тый глинозем: 2А1(ОН)з=А12О3 + ЗН2О.

Выход глинозема из руды при этом способе составляет около 87 %. На производство 1 т глинозема расходуется 2,0...2, 5 т бок­ситов, 70...90 кг NаОН, около 120 кг извести, 7...9 т водяного пара, 160...180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт -ч электроэнергии.

Глинозем представляет собой прочное химическое соединение, температура его плавления — - 2050 °С, кипения -— 2980 °С. В этих условиях восстановление алюминия углеродом или его оксидом весьма затруднительно, так как этот процесс заканчивается обра­зованием карбида алюминия (А13С4).

Не представляется возможным получать алюминий с помощью электролиза водного раствора солей, так как в этом Случае на ка­тоде выделяется только водород. Поэтому алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном крио­лите. Процесс происходит в специальных электролизных ваннах (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Технологическая схема получения алюминия из глинозема

Ванна представляет собой железный корпус, футерован­ный углеродистыми блоками 6. В них вставляются медные катод­ные шины 5, соединенные с отрицательным электродом источника тока. Сверху в ванну опускается угольный электрод, представляю­щий собой непрерывный «самообжигающий» анод 4. Он изготовляется из нефтяного или смоляного кокса и каменноугольного пека, а снаружи заключен в кожух из тонких листов алюминия 3, который но мере необходимости наращивается вверх. В верхних слоях анод­ной массы температура достигает 100... 140 °С, в нижних — 360 °С. Масса приобретает тестообразное состоя­ние, а при температуре 400...950 °С-твердое. Ток подводится к аноду через стальные штыри 2, забиваемые в анод. С помощью механизма подъема / аноды перемещаются по вертикали.

Электролизеры питаются током 50 000... 155 000 А при напряжении 4... 4,5 В. Ток используется не только для обеспечения процесса электролиза гли­нозема, но и для поддержания темпера­туры электролита в пределах 950... 1000°С.

Перед началом процесса ванну подогревают и постепенно добавляют криолит. При толщине слоя расплав­ленного криолита 200...300 мм в ванну загружают глинозем (10...15% от мас­сы криолита). Под воздействием электри­ческого тока на аноде выделяется кислород. Он взаимодействует с углеро­дом анода, образуя СО и СО?, которые отводятся из ванны. На дне ванны (като­де) собирается жидкий алюминий, который периодически откачи­вается с помощью вакуумного ковша, соединенного с вакуумным насосом. По мере необходимости электрод обновляется. Суточная производительность ванны составляет около 350 кг алюминия. Длительность непрерывной работы ванны — 2...3 года. Для произ­водства 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, 0,7 т анодной массы, 0,1 т криолита и других фторидов и 16... 18 МВт-ч электро­энергии. В структуре себестоимости 1 т алюминия затраты на элек­троэнергию составляют более 30 %, около 50 % приходится на сырье и основные материалы. В этих условиях рациональное использова­ние сырья и электроэнергии является одним из путей снижения себестоимости производства алюминия.

Для увеличения степени чистоты алюминия его дополнительно подвергают рафинированию. С этой целью алюминий в ковшах вместимостью около 1,25 т подвергают при температуре 650...770оС продувке хлором в течение 10...15 мин. Из алюминия выделяются примеси глинозема, криолита и газы. Рафинированный алюминий разливают в изложницы. Для получения алюминия высокой чисто­ты применяют электролитическое рафинирование. В этом случае анодом служит подлежащий очистке алюминий, катодом плас­тины из чистого алюминия. Расплавы хлористых и фтористых солей используются в качестве электролита.

Рафинирование алюминия возможно и другими способами. Некоторые заводы вторичного алюминия применяют, например, магниевый способ рафинирования.

Для получения алюминия особой чистоты широкое применение получил метод его зонной перекристаллизации, в основе которого лежит неодинаковое распределение примесей алюминия (или другого рафинируемого металла) между жидкой и твердой фазой и частичном расплавлении.

В зависимости от степени чистоты алюминия ГОСТ 11069— нормирован выпуск его марок А995, А99, А95 с содержанием примесей не более 0,005...0,5 % и алюминия особой чистоты А5 (не более 0,001 % примесей).

В цветной металлургии в настоящее время применяют новый способ комплексной переработки сырья — плавки в «жидкой ванне».

Суть этого способа заключается в следующем: в печь, где идет плавка и температура шлака достигает 1350 °С, подается через| фурмы кислород. Через свод печи производят загрузку сырья. Размер частиц может быть от нескольких микрометров до десятков сантиметров (особой подготовки шихты новая технология не требует). Попадая в кипящий, перемешиваемый кислородом частицы шихты тонут в нем и быстро расплавляются. Частицы сульфида меди не смешиваются со шлаком, а «плавают» в нем. Разнородные частички металла (меди, никеля и др.) слипаются в тяжелые капли и проходят через шлак, образуя под ним штейн, который непрерывно выпускается из печи. В «жидкой ванне» содержание меди в шлаке даже без специального его обеднения составляет всего 0,5...0,6 %, зато в штейне содержится до 60 %. Использование кислородного дутья позволяет получить в процессе окисления сульфидов тепло достаточное для «самообеспечения» процесса плавки без расхода топлива.

Выброс отходящих газов в 10 раз ниже, нежели при плавке сульфидных руд по обычной технологии. Эти газы содержат 60 % диоксида серы и могут использоваться для получения серы, которая извлекается способами, уже освоенными промышленностью.

Удельная производительность печи для плавки в «жидкой ванне» превышает производительность отражательной печи более чем в 15 раз. При этом резко облегчаются условия труда и уменьшается загрязнение окружающей среды отходами производства цветных металлов.

Дата добавления: 2014-01-15