Технологические основы производства цветных металлов: меди, алюминия, магния, титана (стр. 2 из 5)
Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. После этого расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом для окисления сульфидов меди и железа и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98,4-99,4% Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы. Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению других газов. Ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды.
После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,5% Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди.
Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.
Упрощенная схема получения меди из сульфидных руд пирометаллургическим способом
Реализация этой схемы на различных переделах, особенно на начальных этапах до получения медного штейна, может проводиться в различных печах и в различных технологических вариантах. В рассматриваемой схеме первый передел медной руды - это обогащение. Однако бывают случаи, когда руды, обогащенные серой (свыше 35%), плавят без обогащения для извлечения из них не только меди, но и серы. Однако основная масса добываемой из недр земли сульфидной медной руды подвергается флотационному обогащению.
Глава 2. Производство алюминия
Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в криолите.
В современной алюминиевой промышленности применяется несколько способов получения окиси алюминия; их можно разбить на три группы.
Суть электротермических способов заключается в восстановлении алюминиевой руды в электропечи; примеси, имеющиеся в руде, восстанавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремнистый чугун), оставляют в шлаке невосстановленной только окись алюминия. В шлаке остаются также некоторые частично невосстановленные примеси. Полученный таким образом глинозем может использоваться для изготовления шлифовальных кругов и других абразивных изделий, но для производства высококачественного алюминия такой глинозем не пригоден.
Кислотные способы сводятся к тому, что алюминиевая руда подвергается обработке какой-либо кислотой, например соляной или серной. Кислота взаимодействует с окисью алюминия и получается соответствующая растворимая соль (например, хлористый алюминий). Основные примеси (кремнезем, окись кальция и др.) с кислотами не реагируют. Однако ряд примесей (например окислы железа) взаимодействуют со многими кислотами, что создает большие дополнительные трудности, так как полностью отделить соли железа от солей алюминия в растворе очень трудно. Эти способы применяются мало, однако на них существует много патентов и за границей и у нас. А поскольку руду можно обрабатывать кислотой только в кислотоупорной аппаратуре, это дополнительно удорожает и осложняет производство глинозема.
Щелочные способы в большинстве стран применяют и для получения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, что алюминиевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи.
В результате взаимодействия окиси алюминия, имеющейся в руде, например с едким натром, при определенных условиях образуются так называемые алюминаты натрия. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворяются в воде. Основная масса имеющихся в алюминиевой руде примесей со щелочами не взаимодействует и поэтому остается в нерастворенном состоянии, а алюминий переходит в раствор. Но есть примеси, которые могут взаимодействовать со щелочами. Важнейшая из них - кремнезем. Освободить раствор от него не просто.
Однако щелочные способы экономичнее кислотных, потому что все операции можно проводить в стальной и чугунной аппаратуре.
Разберем более подробно один из наиболее употребительных щелочных способов получения окиси алюминия - способ спекания. Примерная схема этого способа представлена на рисунке:
Схема получения глинозёма способом спекания
Боксит и известняк дробят и дозируют с раствором соды в следующей пропорции: на один моль А1203 и Fe203 добавляют один моль соды и на один моль кремнезема в шихту вводятся два моля CaCOs
Полученную мокрую шихту тонко размалывают в шаровых мельницах и она выходит из них в виде жидкой пульпы. Пульпу после проверки и некоторой корректировки ее состава направляют в медленно вращающиеся трубчатые печи длиной 80-120 м и диаметром 2,5-3,5 м. Пульпу подают в "холодный" конец печи, где она встречается с отходящими печными газами, имеющими температуру порядка 300-400 °С. В результате влага испаряется; высохшая шихта, постепенно нагреваясь, перемещается в горячую зону, в которой температура достигает 1200-1250 "С.
По мере нагревания в шихте протекают сложные химические процессы. В печи спекания протекают многие другие процессы, которые приводят к образованию алюминатов и ферритов кальция, некоторых других комплексных соединений.
Продукты реакций выделяются из печи в виде так называемого опека (напоминающего пористую гальку серого цвета), состоящего главным образом из алюмината натрия, феррита натрия и силиката кальция.
Полученный спек охлаждают, дробят и подвергают выщелачиванию, сущность которого заключается в воздействии на спек слабых растворов соды. В результате выщелачивания из спека в раствор переходит алюминат натрия, а также происходит гидролиз ферритов натрия. Образовавшаяся гидроокись железа выпадает в осадок, а раствор обогащается едким натром. Полученный раствор отделяют от нерастворившихся примесей отстаиванием и фильтрацией.
Наряду с этими желательными реакциями происходят и реакции, осложняющие производство чистой окиси алюминия. Так, например, в раствор переходит некоторое количество силикатов натрия, что заставляет проводить специальную операцию, называемую обескремниванием раствора. Сущность этой операции заключается в длительном нагревании с перемешиванием алюминатного раствора и известкового молока в прочных закрытых цилиндрических сосудах со сферическими днищами - автоклавах - при температуре 150-180°С. В результате протекает ряд химических процессов.
После фильтрации раствора от взвешенных в нем частиц чистый алюминатный раствор подвергают карбонизации. Назначением этой операции является выделение из раствора чистой гидроокиси алюминия, не загрязненной другими веществами. Эту операцию проводят в цилиндрических баках с мешалками - карбонизаторах, в которые подают углекислый газ (обычно очищенные печные газы). Под действием С02 алюминатный раствор разлагается, из него выпадает белый осадок - гидрат окиси алюминия, который отделяется от раствора соды. Оставшийся раствор соды после добавления в него некоторого количества свежей соды возвращают на подготовку шихты для очередного спекания, а гидрат окиси алюминия прокаливают в трубчатых печах (аналогичных печам спекания) при температуре 1200 °С, в результате чего получается безводный, негигроскопичный глинозем, вполне пригодный для последующего электролиза.
Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы.
Металлический алюминий получают электролизом расплавленных солей, т.е. пропуская постоянный электрический ток через расплавленный криолит, в котором растворен глинозем. Сущность этого процесса можно понять, рассмотрев рисунок:
Электролизер состоит из основного корпуса 1, футерованного внутри угольными блоками; в его подовую часть с помощью шин 2 и 3 подведен отрицательный полюс источника тока. Над корпусом подвешен угольный анод 8, к которому с помощью шин 9 и 10 присоединен положительный полюс источника напряжения. Если в электролизер залить расплав, состоящий из криолита и глинозема, опустить в этот расплав анод и пропускать через расплав постоянный ток большой силы и необходимого напряжения, то через определенное время на дне электролизера можно обнаружить расплавленный алюминий 4 под слоем расплавленного электролита 6, состоящего из криолита Na3AlF6, в котором при температуре, близкой к 1000 С, обычно растворено от 1 до 10% глинозема. Электролит поддерживается в расплавленном состоянии только за счет теплоты, выделяющейся при прохождении через него электрического тока, поэтому часть электролита всегда застывает на холодных стенках и образует твердую застывшую корку 5, на которую сверху насыпают порошкообразную окись алюминия 7.