Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Производство алюминия

29.01.2019

Для получения алюминия используют руды, содержащие Al2O3. К таким рудам относят бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Бокситы в своем составе содержат: 30—57% Al2O3, 17—35% Fe2O3, 3—13% SiO2, 2,0—4,0% TiO2, до 3,0% CaO и 10—18% H2O. Бокситы залегают в Тихвинском районе, на Урале, в Сибири и в других районах. В боксите алюминий находится в составе гидратов окиси алюминия. Нефелины получают в виде отходов после обогащения апатито-нефелиновой породы, содержащей около 30% Al2O3, 20% (Na2O + K2O), 40— 45% SiO2, 2,0—4,0% CaO и 2,0—4,0%; F2O3. Апатито-нефелиновые руды залегают на Севере и Урале. Алуниты содержат 20-21% Al2O3, 4,5—5,0% (Na2O+K2O), 22—23% SO3, 41—42%. SiO2, 4,0—5,0% Fe2O3 и 6,0—7,0% H2O.

Основными рудами для получения алюминия являются бокситы и нефелины. При использовании нефелинов для производства алюминия получают ценные побочные продукты — поташ и соду.

Технологический процесс получения алюминия разделяется в основном на две стадии: получение глинозема из руды и получение алюминия из глинозема.

Получение глинозема


Для получения глинозема из руд существует несколько способов. Для получения глинозема из руд, содержащих не более 5% SiO2, наиболее рентабельным является щелочной способ.

При получении глинозема по этому способу боксит подвергают дроблению и размолу. Затем в автоклавах производят выщелачивание глинозема, содержащегося в боксите. Для этого в автоклав заливают раствор едкого натра, загружают размолотый боксит и вводят пар для поддержания рабочего давления до 12 ат и температуры 160—170° С.

Глинозем, содержащийся в боксите в форме гидратов окислов алюминия, в автоклаве взаимодействует с едким натром и переходит в раствор в виде алюмината натрия:

Окислы железа, находящиеся в бокситах, при выщелачивании не переходят в раствор, а остаются в шламе, придавая ему кирпично-красный цвет.

Кремнезем, содержащийся в бокситах, реагирует с едким натром и переходит в раствор в виде силиката натрия:

Силикат натрия, взаимодействуя в растворе с алюминатом натрия, образует нерастворимый натриевый алюмосиликат:

В результате этой реакции раствор очищается от кремнезема, но при этом переходит в шлам глинозем и требуется повышенный расход едкого натра.

Полученный алюминат натрия в виде пульпы из автоклава поступает в специальный аппарат — самоиспаритель. Передача пульпы осуществляется за счет разности давления в автоклаве и самоиспарителе. В самоиспарителе производят гидролиз алюмината натрия и выделение кристаллической гидроокиси алюминия по реакции

Для ускорения разложения пульпа перед операцией охлаждается до 60° С и по мере хода процесса ее температура снижается до 40° С. Кроме этого, вводится затравка в виде кристаллов гидроокиси алюминия.

Выделившаяся гидроокись алюминия отфильтровывается и направляется для обезвоживания. Обезвоживание производят в трубчатых вращающихся печах путем прокаливания при температуре до 1200° С. В процессе прокаливания получают чистый глинозем по реакции

Выход глинозема из руды по этому способу составляет около 85%.

Для получения глинозема из руд с высоким содержанием кремнезема руды прокаливают, размалывают, смешивают с содой (Na2CO3) и мелом (CaCO3). Смесь при температуре 1100°C спекают, в результате получают алюминат натрия в твердом виде

а также двукальциевый силикат

и феррит натрия

После спекания массу размалывают и подвергают выщелачиванию, в процессе которого в раствор переходят алюминат натрия (Al2O3*Na2O) и феррит натрия (2Fe2O3 * N2O). В осадке остаются двукальциевый силикат (2СаО * SiO2) и другие нерастворимые примеси. Феррит натрия из раствора осаждают путем гидролиза:

Полученная гидроокись железа переходит в осадок, а щелочь переходит в раствор.

Полученный раствор, содержащий алюминат натрия, отделяют и направляют на обескремнивание и карбонизацию. Целью обескремнивания является более полное удаление кремнезема. Сущность этой операции состоит в связывании растворенного кремнезема в нерастворимые соединения и выделение их в осадок натриевым или кальциевым алюмосиликатом.

Обескремненный алюмосиликатный раствор после отделения от него шлама подвергается карбонизации пропусканием газа, содержащего CO2. Эту операцию проводят для выделения из раствора гидрата окиси алюминия по реакции

Гидрат окиси алюминия Al(OH)3 выпадает в осадок, а сода (Na2CO3) остается в растворе. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают и прокаливают. При прокаливании получают чистый глинозем.

Получение алюминия из глинозема


Безводная окись алюминия имеет температуру плавления 2050° С, температуру кипения 2980° С и представляет собой прочное химическое соединение алюминия с кислородом. Получение металлического алюминия из глинозема восстановлением углеродом или окисью углерода невозможно, так как этот процесс приводит к образованию карбидов (Al4C3). Также не удается получить алюминий и электролизом из водного раствора солей, так как на катоде выделяется только водород. Поэтому алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Криолит представляет собой фторит алюминия и натрия Na3AlF6. В качестве сырья для производства криолита используют плавиковый шпат (CaF2), гидрат окиси алюминия, соду и серную кислоту.

Для электролиза глинозема применяют электролизные ванны (рис. 21).

Ванна имеет железный корпус, внутри выложенный теплоизоляционным кирпичом, а затем угольными блоками. В подину ванны вставлены катодные шины. Сверху в ванну опущены угольные электроды, представляющие собой аноды. Электрический постоянный ток к анодам подводится от шин, расположенных над ванной. Ток применяют с напряжением от 5 до 10 в, сила тока на одну ванну от 40 000 до 100 000 ат. Электрический ток используется как для электрохимического процесса, так и для нагрева электролита до 950—1000°С. По современным теоретическим представлениям кинетика электролиза глинозема протекает следующим образом. Под действием электрического тока в расплавленном криолите протекает диссоциация на ионы:

Растворенный в криолите глинозем также диссоциирует на ионы

Ток к катоду переносится ионами Al3+ и 3Na+ в соответствии с положенным их ряду напряжением. Ион Al3+ обладает менее отрицательным потенциалом выделения, чем ион 3Na+. Поэтому только алюминий Al3+ получает разряд и переходит в металлический алюминий

и осаждается на дно ванны. Ионы же натрия с анионами AlO3-образует алюминат натрия

К аноду движутся анионы AlF63- и AlO33-, на аноде разряжаются только более отрицательные ионы

Выделившийся на аноде кислород взаимодействует с углеродом анодов и образует CO и СО2, которые отводятся из ванны. Собравшийся жидкий алюминий на дне ванны периодически выпускают в ковш или выбирают при помощи сифона. При электролизе для получения 1 т алюминия расходуется до 2 г глинозема, 100 кг криолита, до 600 кг угольных электродов и 16 500—18 500 квт*ч электроэнергии.

Рафинирование алюминия


Получаемый электролизом алюминий в своем составе содержит различные примеси, которые ухудшают его свойства. Для получения чистого алюминия его подвергают рафинированию методом хлорирования или электролитическим способом. Способ хлорирования состоит в продувке алюминия хлором в ковшах емкостью 1200—1300 кг при температуре 750—770° С в течение 10—15 мин. Во время продувки примеси (глинозем, криолит, газы и др.) из алюминия выделяются; одновременно с этими продуктами теряется часть алюминия (до 1,0%). Рафинированный хлором алюминий разливают в чушки.

Электролитический способ рафинирования применяют для получения алюминия высокой чистоты. При этом способе рафинирования первичный алюминий подвергают анодному растворению, а чистый алюминий служит катодом. Между анодным и чистым алюминием в качестве электролита используют хлористые и фтористые соли. По этому способу получают чистый алюминий (99,85—99,9% Al).
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: