Алюминий первичный (стр. 4 из 8)

Для алюминиевой промышленности характерен территориальный разрыв как между добычей боксита и производством глинозема, так и между последним и выплавкой первичного алюминия. Крупнейшие производства глинозема (до 1-1.3 млн. т год) локализованы как при алюминиевых заводах (например, при канадском заводе в Арвида в Квебеке, занимающем по производственной мощности-0.4 млн. т алюминия в год), так и в бокситоэкспортирующих портах (например, Паранам в Суринаме), а также на путях следования боксита от вторых к первым - например в США на побережье Мексиканского залива (Корпус-Кристи, Пойнт-Комфорт).

У нас в стране все добываемые бокситы разделены на десять марок. Основное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента-глинозема и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема (Al O SiO ). Кремниевый модуль является очень важным показателем качества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и технология переработки.

Бокситы одних и тех же марок используют для различных назначений, так например, боксит марки Б-1 может использован для производства глинозема, плавленых огнеупоров и глиноземистых цементов. Однако в зависимости от назначения к бокситу одной и той же марки при одинаковых основных показателях качества (содержание Al O и кремниевом модуле) предъявляют разные требования по содержанию примесей серы, окиси кальция и фосфора.

Содержание влаги в бокситах любых марок установлено в зависимости от их месторождения: наименьшая влажность (не более 7 %) установлена для бокситов южно-уральских месторождений, а для северо-уральских, каменск-уральских и тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%. Показатель влажности не является браковочным признаком и служит только для расчетов с потребителем.

Боксит поставляют в кусках размером не более 500 мм. Перевозят его навалом на платформах или в гондолах.

Н е ф е л и н Na(AlSiO )-минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O . Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленности.

А л у н и т (квасцовый камень) KAl (SO ) (OH) -минерал белого, серого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O .

Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.

К а о л и н Al O 2SiO 2H O-распространенная горная порода. По внешнему виду это белая землянистая масса, являющаяся продуктом разрушения кристаллических пород-гранитов, гнейсов и др. Твердость около 1, содержит 37.5 % Al O . Каолин применяют для производства фарфоровых и фаянсовых изделий, изоляторов, а также как наполнитель в резиновой промышленности.

Г л и н о з е м Al O является концентратом, получаемым из различных алюминиевых руд. Его поставляют в виде белого кристаллического порошка.

Глинозем является основным сырьем для получения металлического алюминия. Кроме того, его используют и в других отраслях промышленности абразивной, радио и др. У нас в стране производят глинозем восьми марок, физико-химическим составом и назначением.

Для производства первичного алюминия предназначен глинозем марок ГА85, ГА8, ГА6 и ГА5. Буквенная часть марок указывает на область применения глинозема, а цифры - на степень чистоты получаемого алюминия: это сотые и десятые доли процента сверх 99 %. Например, марка ГА85- глинозем для получения алюминия со степенью чистоты 99.85 %, а марка ГА5-то же, но со степенью чистоты 99.5 %.

Для производства белого электрокорунда применяют глинозем марки ГЭ5, высокоглиноземистых огнеупоров-ГО, электроизоляционных изделий-ГК и для электровакуумной промышленности и специальных видов радиокерамики-ГЭВ.

В глиноземах всех назначений нормируются потери при прокаливании(в разных марках от 0.4 до 1.2 %), содержание кремнезема (от 0.03 до 0.5 %), окиси железа (от 0.035 до 0.1 %) и окиси щелочных металлов(от 0.1 до 0.6 %).

Влага, удаляемая при 120 C, не нормируется.

Как уже сказано, по физическому состоянию глинозем имеет вид порошка. Особенно строгие требования по гранулометрическому составу предьявляют к глинозему марки ГЭВ, в котором частицы должны иметь округлую форму и их размер не должен превышать 3 мкм.

Глинозем марок ГК и ГЭВ при поставке обязательно упаковывают в многослойные бумажные мешки или в сухие мешки из плотной ткани. Перевозят их в закрытых железнодорожных вагонах и трюмах. Глинозем остальных шести марок можно упаковывать в мешки, но чаще его перевозят без тары навалом в специальных (цементовозах, цистернах и т.д.).

Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводимых этапов - сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него получают алюминий.

Схема производства алюминия приведена на рисунке

1 – смешивание бокситов с содой; 2 – выщелачивание водой;

3 – обработка известью; 4 – обработка углекислым газом;

5 – сушка, прокаливание; 6 – электролитическое разложение;

7 - рафинирование

Известные в настоящее время методы получения глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили щелочные методы.

В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

Al O + Na CO = Al O Na O + CO .

Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит в раствор.

В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.

В обоих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию-CaSiO уходит в осадок, образуя белый шлам. Очищенный от кремния раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

Al O Na O + 3H O + CO = 2Al(OH) + Na CO .

Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема:

2Al(OH) = Al O + 3H O .

Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита-около 80%.

Получение металлического алюминия из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части – на алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF 3NaF). Криолит, обладая способностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 C, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85 % криолита и 15 % глинозема, равна 935 C.

Схема электролиза глинозема достаточно проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии.

В поду ванны с хорошей теплоизоляцией и угольной набивкой заложены катодные шины, соединенные с отрицательным полюсом источника электрического тока. К анодной шине присоединены электроды. Перед началом электролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электроды опускают до соприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная набивка накалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя расплавленного криолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета 15% к количеству криолита. Процесс происходит при температуре 950-1000 C.

Под действием электрического тока глинозем разлагается на алюминий и кислород. Жидкий алюминий скапливается на угольной подине (дно угольной ванны), являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом анодов, постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Глинозем периодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей части постепенно опускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через определенные промежутки времени выпускают в ковш. При электролизе на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, 0.6 т угольных электродов, служащих анодами, 0.1 т криолита и от 17000 до 18000 квт ч электроэнергии.Полученный при электролизе глинозема алюминий-сырец содержит металлические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоянии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэтому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами.

После рафинирования получают торговые сорта алюминия.

Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации алюминия.

Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются железо и кремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не растворяется в алюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения FeAl и Fe Al . С кремнием алюминий образует эвтектическую механическую смесь при 11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной температуре очень мала (0.05%), то даже при его незначительном количестве он образует эвтетику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800) хрупких кристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия. При совместном присутствии кремния и железа образуется тройное химическое соединение и тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность.