Aluminij je jedan od najčešćih elemenata u zemljinoj kori – s količinom većom od 7 % zauzima treće mjesto nakon kisika i silicija. Dobiva se iz boksita, t.j. sedimentna stijena, u kojoj se javlja uglavnom kao oksid.

Ovaj metal poznat je više od 2 tisuće godina i karakterizira ga široka tehnička primjena. Za što se može koristiti?

U industriji se aluminij uglavnom koristi u legurama s drugim elementima, što poboljšava njegova svojstva. Kao takav, to je svestran konstrukcijski materijal s vrlo raznolikom primjenom. Među aluminijskim legurama posebno se mogu razlikovati legure za lijevanje i legure koje se koriste za preradu plastike. Njihov sastav, osim aluminija, uključuje elemente kao što su: bakar, magnezij, silicij i mangan. Aluminijske legure koriste se, posebice, u zrakoplovstvu, kemijskoj industriji, automobilskoj industriji, pa čak i u brodogradnji.

Aluminij se široko koristi u industriji u svom čistom obliku za izradu raznih kućanskih predmeta, kao što su, na primjer, ogledala, limenke za piće i hranu, kuhinjski pribor ili dobro poznata aluminijska folija. Također se koristi za izradu kemijske opreme, električnih žica, pa čak i eksploziva. Za izolaciju ovog elementa iz rude boksita potrebno je provesti dvije uzastopne faze. Prvi od njih je Bayerov proces, koji omogućuje dobivanje aluminijeva oksida iz minerala. Zatim se ovaj spoj podvrgava elektrolizi, što rezultira stvaranjem aluminija tehničke čistoće.

Od čega se proizvodi aluminij?

Čisti aluminij se ne pojavljuje prirodno zbog svoje sposobnosti pasivizacije. Taj se fenomen sastoji u oksidaciji metala u prisutnosti zraka, zbog čega se na njegovoj površini formira pasivni zaštitni sloj. Aluminij je prekriven slojem aluminijevog oksida (Al 2 O 3) debljine do nekoliko nm. Zatim, pod utjecajem vlage, vanjski sloj prolazi djelomičnu hidrolizu, uslijed čega nastaje dodatni hidroksid, t.j. Al(OH)3.

Aluminij je sastavni dio raznih mineralnih stijena koje se u prirodi nalaze u obliku ruda. Za proizvodnju čistog aluminija prvenstveno se koristi glinena ruda boksita. Nastaje uglavnom na mjestima trošenja aluminosilikatnih stijena u vrućim klimatskim uvjetima, a također sadrži i željezne spojeve. Ovo je stijena karakteristične crvene ili smeđe boje, koja se javlja u dva oblika: silikatnom i karbonatnom.

Industrijska proizvodnja aluminija

Aluminij tehničke čistoće (više od 99%) industrijski se dobiva kao rezultat dva uzastopna procesa. Kao rezultat prvog dobiva se aluminijev oksid (Bayerov proces), a u sljedećoj fazi provodi se proces elektrolitičke redukcije (Héroult-Héroult elektroliza) zahvaljujući kojem se dobiva čisti aluminij. Kako bi se smanjili troškovi povezani s transportom rude boksita, većina postrojenja za preradu gradi se u blizini rudnika.

Bayerov proces

Prvi korak nakon iskopavanja rude je ispiranje vodom. Tako se uklanja većina onečišćenja koja se jednostavno otapa u vodi. Zatim se sirovini tretiranoj vodom dodaje CaO, tj. kalcijev oksid. Nakon toga se drobi pomoću posebnih mlinova s ​​cijevima dok se ne dobiju zrna vrlo malog promjera, t.j. manje od 300 mikrona. Odgovarajuće mljevenje sirovine izuzetno je važno, jer osigurava veliku površinu zrna, što zauzvrat utječe na učinkovitost procesa ekstrakcije.

Sljedeći korak u proizvodnji aluminijevog oksida je otapanje zrna s vodenom otopinom kaustične sode. U PCC Grupi, natrijev hidroksid se proizvodi membranskom elektrolizom. Ovako dobiveni proizvod je vrlo visoke kvalitete i čistoće, a udovoljava zahtjevima najnovijeg izdanja Europske farmakopeje. Smjesa koja sadrži mljevena zrna i pohranjuje se nekoliko sati u posebnim reaktorima koji se nazivaju autoklavi. Tijekom procesa taloženja koji je u tijeku, u reaktorima se održavaju visoki tlak i povišena temperatura. Tako se dobiva natrijev aluminat koji se zatim pročišćava raznim filterima.

U sljedećem koraku, pročišćena otopina natrijevog aluminata se razgrađuje. Rezultat su (tj. vodena otopina kaustične sode) i kristali aluminij hidroksida visoke čistoće. Talog dobiven kao rezultat kristalizacije se odfiltrira i ispere s vodom. A preostala soda se zagrijava i vraća u proces za ponovnu upotrebu.

Posljednji korak u proizvodnji čiste glinice je kalcinacija. Sastoji se od zagrijavanja aluminijevog hidroksida na temperaturi iznad 1000 o C, uslijed čega se razgrađuje u Al 2 O 3 koji se dobiva u obliku čistog bijelog praha. Tako pripremljena glinica se transportira u peći za proizvodnju metalnog aluminija u procesu elektrolitičke redukcije.

Elektroliza aluminijevog oksida

Sljedeći korak u dobivanju čistog aluminija je proces elektrolize Hall-Héroultovom metodom. Najprije se Al 2 O 3 dobiven Bayerovim postupkom topi s kriolitom i tako pripremljena otopina se podvrgava postupku elektrolize na temperaturi koja ne prelazi 900 o C. Tako dobiveni tekući aluminij se odvaja od elektrolita i uklanja. iz elektrolitičkih kupelji pomoću tzv. vakuumski sifoni. Zatim sirovina ulazi u uređaj za lijevanje, odakle se u daljnjoj fazi stavlja u užarene peći u kojima se odvija proces obrade. Sastoji se od čišćenja aluminija kako bi se postigla maksimalna čistoća. U industrijskim uvjetima, aluminij se može očistiti na dva načina. Prvi od njih se sastoji u taljenju aluminija i propuštanju klora kroz njega, zbog čega se nečistoće vežu, stvarajući kloride, koji se zatim uklanjaju iz procesa. Druga metoda je elektrolitička redukcija rastaljenog aluminija bakrom. Tako dobiveni konačni proizvod karakterizira vrlo visoka čistoća.

Aluminij je materijal budućnosti

Razvoj metode za dobivanje čistog aluminija iz boksita pomoću Bayerovog procesa i Hall-Héroultove elektrolize proširio je opseg ovog elementa. Osim toga, kombinacija visoke čvrstoće i lakoće omogućila je u nekim slučajevima zamjenu aluminija skupljim čelikom. Otpornost na atmosferske čimbenike omogućila je korištenje aluminija u proizvodnji profila za prozore i vrata. Još jedna prednost aluminija je njegova sposobnost višestrukog recikliranja, što ga čini relativno ekološki prihvatljivim materijalom.

Ukratko, aluminij je svestran materijal koji se široko koristi u prehrambenoj, energetskoj, kemijskoj, transportnoj, građevinskoj, automobilskoj i zrakoplovnoj industriji. S obzirom na brojne prednosti, to zasigurno nije granica njegovih mogućnosti primjene te će u bliskoj budućnosti nastaviti stjecati popularnost.

Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije

Federalna agencija za obrazovanje

Magnitogorsk State Technical University

ih. Nosova

Zavod za crnu metalurgiju

Sažetak o disciplini "Povijest metalurgije"

METALURGIJA ALUMINIJ

napomena

Razmatrana je tema "Metalurgija aluminija", opisana su glavna svojstva ovog metala. Ukratko je opisana povijest otkrića aluminija, mogući načini njegove proizvodnje i primjene u raznim industrijama.

Uvod

1. Svojstva aluminija

2. Primjena aluminija

3. Sirovine

4. Proizvodnja glinice

5. Elektrolitička proizvodnja aluminija

6. Rafiniranje aluminija

Zaključak

Popis korištene literature

Uvod

Riječ "metalurgija" dolazi iz grčkog:

metalleuo - kopam, kopam sa zemlje;

metallurgeo - kopam rudu, prerađujem metale;

metallon - moj, metal.

Ova riječ znači područje znanosti i tehnologije, koje pokriva preradu ruda iz utrobe, dobivanje metala i legura, dajući im određena svojstva.

U antičko doba, u srednjem vijeku i relativno nedavno, do vremena M.V. Lomonosova, vjerovalo se da postoji 7 metala (zlato, srebro, bakar, kositar, olovo, željezo, živa).

Godine 1814. švedski kemičar J. Berzelius predložio je korištenje abecednih znakova koje koristi cijeli svijet, uz rijetke iznimke.

Danas je znanosti poznato više od 80 metala, od kojih se većina koristi u tehnologiji.

U svjetskoj praksi postoji podjela metala na željezne (željezo i legure na njegovoj osnovi) i sve ostale - obojene (Obojeni metali, engleski; Nichtei-senmetalle, njemački) ili obojene metale. Metalurgija se često dijeli na crnu i obojenu. Trenutačno, crni metali čine oko 95% svih metalnih proizvoda proizvedenih u svijetu.

U tehnologiji je također usvojena uvjetna klasifikacija prema kojoj se obojeni metali dijele na "lake" (aluminij, magnezij), "teške" (bakar, olovo itd.), Vatrostalne (volfram, molibden itd.) , plemeniti (zlato, platina i dr.), rijetki metali.

Udio proizvoda proizvedenih od crnih i obojenih metala trenutno iznosi 72-74% državnog bruto nacionalnog proizvoda. Može se tvrditi da su metali u XXI stoljeću. ostat će glavni strukturni materijali, budući da su njihova svojstva, učinkovitost proizvodnje i potrošnja bez premca u većini područja primjene.

Od ~ 800 milijuna tona utrošenih metala ~ 750 milijuna tona je čelik, 20-22 milijuna tona aluminija, 8-10 milijuna tona bakra, 5-6 milijuna tona cinka, 4-5 milijuna tona olova (ostalo -< 1 млн. т).

Od najvrednijih i najvažnijih metala za modernu tehnologiju, samo nekoliko se nalazi u zemljinoj kori u velikim količinama: aluminij (8,8%), željezo (4,65%), magnezij (2,1%), titan (0,63%).

Rudna ležišta lakih metala obično uključuju rude koje sadrže aluminij; glavni dobavljač aluminija su boksiti, kao i aluniti, nefelini i razne gline. Rudna ležišta obojenih metala uključuju ležišta bakra, olova i cinka, kobalta, nikla, antimona. Zalihe metala u najvećem od njih dosežu od nekoliko desetaka do stotina milijuna tona, s uobičajenim sadržajem metala u rudi - nekoliko posto.

Masa ekstrahiranih materijala višestruko je veća od količine metala sadržanih u rudi, a u velikoj većini slučajeva nije ekonomski isplativo izravno vaditi korisne komponente iz prirodnih ruda.

Arheološka iskapanja upućuju na to da poznavanje čovjeka s metalima datira iz vremena vrlo udaljenih od nas. Vjeruje se da su prvi brončani predmeti dobiveni 3000. godine prije Krista redukcijskim topljenjem mješavine bakrene i kositrene rude s drvenim ugljenom. Mnogo kasnije počele su se proizvoditi bronce dodavanjem kositra i drugih metala (aluminij, berilij, silicij nikal itd.) u bakar. Trenutno su najčešće aluminijske bronce (5-12% Al) s dodatkom željeza, mangana i nikla.

Trenutno je metalurška proizvodnja jedan od prioritetnih sektora nacionalnog gospodarstva.

1. SVOJSTVA ALUMINIJA

Aluminij je prvi dobio danski fizičar H. Oersted 1825. Ime ovog elementa dolazi od latinskog alumena, kako se u antičko doba zvalo stipsa, koja se koristila za bojanje tkanina.

Aluminij ima mnoga vrijedna svojstva: niska gustoća - oko 2,7 g / cm 3, visoka toplinska vodljivost - oko 300 W / (m. K) i visoka električna vodljivost od 13,8. 10 7 Ohm/m, dobra duktilnost i dovoljna mehanička čvrstoća.

Aluminij tvori legure s mnogo elemenata. U rastaljenom stanju aluminij je fluidan i dobro ispunjava kalupe; u čvrstom stanju je dobro deformiran i lako se može rezati, lemiti i zavarivati.

Afinitet aluminija prema kisiku je vrlo visok. Tijekom njegove oksidacije oslobađa se velika količina topline (~ 1670000 J / mol). Fino mljeveni aluminij se pali kada se zagrijava i gori na zraku. Aluminij se spaja s kisikom u zraku i atmosferskim uvjetima. U ovom slučaju, aluminij je prekriven tankim (~ 0,0002 mm debljine) gustim filmom aluminijevog oksida, koji ga štiti od daljnje oksidacije; stoga je aluminij otporan na koroziju. Površina aluminija dobro štiti od oksidacije ovog filma čak iu rastaljenom stanju.

Od aluminijskih legura najveći značaj imaju duralumin i silumin.

Sastav duraluminija, osim aluminija, uključuje 3,4-4% Cu, 0,5% Mn i 0,5% Mg, dopušteno je najviše 0,8% Fe i 0,8% Si. Duralumin je dobro deformiran i po svojim mehaničkim svojstvima blizak je nekim vrstama čelika, iako je 2,7 puta lakši od čelika (gustoća duraluminija je 2,85 g / cm 3).

Mehanička svojstva ove legure se povećavaju nakon toplinske obrade i hladne deformacije. Vlačna čvrstoća raste sa 147-216 MPa na 353-412 MPa, a tvrdoća po Brinellu sa 490-588 na 880-980 MPa. U ovom slučaju, relativno rastezanje legure gotovo se ne mijenja i ostaje prilično visoko (18-24%).

Silumini su lijevane legure aluminija sa silicijem. Imaju dobre kvalitete lijevanja i mehanička svojstva.

U povijesti metalurgije aluminija moguće je razlikovati tri razdoblja obilježena određenim metodama dobivanja ovog metala! Ta razdoblja su sljedeća: 1) dobivanje aluminija kemijskim metodama, 2) dobivanje aluminija elektrotermalnim putem i 3) dobivanje aluminija elektrolizom rastaljenih soli.

Otkriće aluminija i njegova proizvodnja kemijskim metodama

Početni pokušaji izolacije aluminija u slobodnom stanju datiraju iz 1807. godine i pripadaju poznatom engleskom kemičaru Humphryju Davyju (1778.-1629.). Do tada je potonji po prvi put uspio dobiti metalni kalij i natrij elektrolizom rastaljenih kaustičnih lužina. Davy je koristio naponski stup kao izvor struje. J

Kako bi izolirao aluminij, Davy je na isti način pokušao razgraditi aluminij. Da bi to učinio, propušta električnu struju kroz lagano navlažen aluminijev hidroksid u atmosferi vodika. U ovom slučaju kao anoda je služila platinasta ploča na koju je bio postavljen gusto prešani aluminijev hidroksid, a kao katoda je služila željezna žica uronjena u nju. Kad je prošla struja, potonja je postala bijela užarena i otopila se.

Na taj je način Davy dobio samo leguru željezo-aluminij, iz koje nije mogao izolirati slobodni aluminij. Slično, Davyjevi eksperimenti na redukciji glinice s parama kalija u prisutnosti željeznih strugotina bili su neuspješni.

Sl.1 Dobivanje aluminija metodom Saint-Clair-Deville. Prva radionica na području Pariza

Iz dobivene legure željeza i aluminija, Davy također nije uspio izolirati potonje u svom čistom obliku.

Sve to, međutim, nije spriječilo Davyja da bude siguran da je glinica kemijski derivat navodnog metala, kojemu je prethodno dao naziv aluminij (aluminij), formirajući ga od engleskog naziva za aluminij - aluminij.

Slobodni aluminij prvi je izolirao danski fizičar Hans Oersted (1777-1851) u ožujku 1825. U tu svrhu, Oersted je dobio aluminij amalgam redukcijom aluminijevog klorida (koji je također dobio po prvi put) s “kalijevim amalgamom. Destilirajući živu iz nastalog aluminijskog amalgama bez pristupa zraku, Oersted je tako izvukao male grudice aluminija – „metal iz gline“, slične boje i sjaja kositru.

Kasnije, 1827. godine, njemački kemičar Friedrich Weder (1800-1882) poboljšao je Oerstedovu metodu zamjenom kalijevog amalgama metalnim kalijem. Wehler je stavio nekoliko komada metalnog kalija u porculanski ili platinasti lončić, odozgo ih prekrio kristalima aluminijevog klorida i pažljivo zagrijao lončić zatvoren poklopcem na plameniku. Sivo-crna otopljena masa dobivena kao rezultat reakcije je nakon hlađenja isprana vodom; čvrsti ostatak je aluminij u prahu. Budući da se interakcija između kalija i aluminijevog klorida tijekom njihovog izravnog spajanja odvijala iznimno burno, 1845. Wöhler je primijenio modificiranu verziju svoje metode, zagrijavajući te tvari odvojeno i propuštajući pare aluminij klorida preko kalija. Primjenom ove metode. Wehler je aluminij dobivao u količinama dovoljnim za određivanje njegovih najvažnijih fizikalnih i kemijskih svojstava.

Godine 1864. Henri Saint-Clair-Deville (1818-1881) u Francuskoj je primijenio Wöhlerovu metodu za prvu industrijsku metodu za proizvodnju aluminija, čineći je daljnja poboljšanja: Saint-Clair-Deville zamijenio je metalni kalij jeftinijim natrijem, a nestabilan i visoko higroskopan aluminijev klorid - trajniji dvostruki klorid aluminija i natrija (ALCLz br. CL). Razgradnja dvostrukog klorida s natrijem provedena je u plamenoj peći na postupno rastućoj temperaturi. Proces je, za razliku od reakcije nasilne redukcije čistog aluminij klorida, tekao vrlo mirno. Reducirani aluminij skupljen je na dnu peći, a zatim izliven u ingote u željeznim kalupima (slika 1). Proizvodnja aluminija ovim takozvanim kemijskim postupkom prema Saint-Clair-Deville metodi postojala je od 1854. do 1890. Međutim, tijekom. Za 30 godina uz pomoć kemijske metode dobiveno je ukupno samo oko 200 tona aluminija. Krajem 80-ih godina prošlog stoljeća kemijska metoda zamijenjena je elektrolitičkom, što je omogućilo drastično smanjenje troškova proizvodnje aluminija i stvorilo priliku za brzi razvoj aluminijske industrije.

Povijest dobivanja aluminijskih legura elektrotermalnim putem

U povijesti metalurgije aluminija djelo br. Kaules o elektrotermalnoj proizvodnji aluminijskih legura, (vezano za kraj prošlosti (stoljeća. Nakon niza neuspješnih pokušaja dobivanja čistog aluminija bez karbida redukcijom glinice ugljikom, Kaules je došao do potrebe za provođenjem ovog procesa u prisutnosti drugih, manje reaktivnih metala. Kao rezultat toga, razvijena je industrijska metoda za elektrotermalnu proizvodnju aluminijskih legura s bakrom i željezom - aluminij bronce i feroaluminij.

Za dobivanje ovih legura br. Kaules je koristio lučne peći za 5000-6000 a i 60 b (slika 2). U peć je uvedena mješavina glinice, drvenog ugljena i metalnog otpada (željeza ili bakra). Dobivena je aluminijska bronca s udjelom do 17% Al i feroaluminij do 20% Al. Potrošnja električne energije u prosjeku je iznosila 37 kWh po 1 kg aluminija u leguri.

sl. 2. Električne lučne peći br. Kaules

Prema metodi br. Kaules u Engleskoj i SAD-u od 1884. do 1892. upravljao je tvornicama koje su proizvodile legure za tržište. Međutim, u ovom obliku, elektrotermalna metoda za proizvodnju aluminijskih legura nije mogla konkurirati jeftinijoj elektrolitičkoj metodi.

Tek u današnje vrijeme, elektrotermalna proizvodnja aluminijskih legura, uglavnom sa silicijem, ponovno je dobila značajan razvoj kao jedno od posebnih područja metalurgije aluminija.

Povijest proizvodnje aluminija elektrolizom rastaljenih soli

Godine 1852. Robert Bunane (1811-1899) dobio je metalni magnezij elektrolizom rastaljenog magnezijevog klorida. Nastavljajući svoje istraživanje, Bunsen je primijenio istu metodu da izolira metalni α-aluminij. Potonje je dobio 1854. elektrolizom rastaljenog dvostrukog aluminij klorida i natrija.

Saint-Clair-Deville, dok je svoje istraživanje provodio neovisno o Bunsenu, istovremeno je dobio i metalni aluminij elektrolizom dvostrukog aluminij klorida i natrija. U ožujku 1854. Saint-Clair-Deville je predstavio Francuskoj akademiji znanosti, zajedno s opisom svojih eksperimenata, malu kuglicu aluminija koju je elektrolitički izolirao. Dana 9. srpnja iste godine Bunsen je objavio rezultate svog rada u Poggendorfs Annalenu.

Pokusi Bunsena i Saint-Clair-Devillea nisu, međutim, išli izvan laboratorija zbog nemogućnosti dobivanja značajnih količina električne energije u to vrijeme.

Prošlo je više od 30 godina prije nego što je princip dobivanja "aluminija elektrolizom rastaljenih soli" našao svoju industrijsku implementaciju! i.

Snažan poticaj za razvoj elektrolitičke metode bio je „izum 1867. br. Dinamo Gram.

Osnivači moderne elektrolitičke metode za proizvodnju metalnog aluminija su Paul Héroux (1863-1914) u Fraction i Charles Hall (1863-1914) u SAD-u, 23. travnja 1886. Hérault i 9. srpnja iste godine, Hall je objavio gotovo slične patente za metodu proizvodnje aluminijske elektrolize glinice otopljene u rastaljenom kriolitu.

Ove datume, zapravo, treba smatrati početkom razvoja suvremene svjetske aluminijske industrije i, ujedno, početkom široke uporabe aluminija. Valja napomenuti da je pojavi Eroultovih i Hallovih patenata prethodilo akumuliranje značajnog praktičnog i teoretskog materijala do kojeg je došao veliki broj istraživača koji su puno radili na pitanju elektrolize rastaljenih aluminijevih soli. ,

Uloga Erua i Halla možda nije bila toliko u vijestima o njihovom otkriću, koliko u uspješnoj kombinaciji “već poznatih odredbi, koje su formalizirali metodom prikladnom za industrijsku upotrebu.

Héroux se, kao učenik rudarske škole u Parizu, već 1888. zanimao za elektrolitičku metodu dobivanja aluminija. O tome svjedoči skica elektrolize u njegovoj bilježnici, datirana ove godine (slika 3.). Vrlo je značajno da je ova skica iznimno bliska skici iz prvog Héroultovog patenta.<см. фиг. 4). *

Hérouxov interes za aluminij dobio je praktičan zaokret nakon očeve smrti, kada je naslijedio malu radionicu kože u Gentillyju blizu Pariza. Radionica je bila opremljena parnim strojem, a nakon kupnje Gramma dinamo, Eru je mogao eksperimentirati s elektrolizom raznih aluminijskih spojeva.

sl. 3. Skica elektrolizera u Eruovoj školskoj bilježnici

Uvjeren da se aluminij može dobiti elektrolizom, Eru se nakon mnogih kvarova s ​​vodenim otopinama okrenuo elektrolizi rastaljenog kriolita i njegove mješavine s aluminijevim kloridom. Tijekom jednog od ovih eksperimenata, istraživač je pronašao jasne znakove gorenja na ugljičnoj anodi i zaključio da se u elektrolitu nalazi oksid, čije je smanjenje posljedica potrošnje materijala anode.

Kemijska analiza pokazala je da je istraživač umjesto aluminij klorida u rastopljeni kriolit uveo aluminij, koji je dobiven hidrolizom klorida. Nakon što je sada namjerno uveo glinicu u kriolit, Eru 'i puk-. dovela je do otkrića procesa koji se od tada koristi za proizvodnju aluminija.

Na temelju ovih pokusa Héroux je 23. travnja 1886. prijavio svoj prvi patent. Ovaj patent daje vrlo jasnu formulaciju suštine procesa, koja u cijelosti vrijedi i do danas.

sl. 4. Skica elektrolizera iz prvog Héroultovog patenta

“Tvrdim”, kaže patent, “izum gore opisane metode za proizvodnju aluminija, koja se sastoji u elektrolizi glinice otopljene u rastaljenom kriolitu, a struja se dovodi pomoću bilo koje elektrode, kao što su ugljične anode, uronjene u rastaljeni elektrolit, dok kajak Sama posuda za elektrolit služi kao katoda. U tom slučaju, anoda se spaljuje kisikom koji se na njoj oslobađa, a metal se skuplja na dnu lončića. U tom procesu kriolit se ne troši, a za kontinuirano oslobađanje metala dovoljno je zamijeniti glinicu koja se raspada tijekom elektrolize.

sl. 5. Skica elektrolizera iz dodatnog patenta Héroulta

Kao elektrolizator, Eru je koristio ugljično staklo, koje je umetnuto u veliki grafitni lončić. Cijeli aparat stavljen je u koksnu peć. Na Sl. 4 je skica elektrolizera iz Héroultovog prvog patenta. Međutim, budući da u početku nije našao praktičnu primjenu za svoj patent, Eru je preuzeo razvoj metode za proizvodnju aluminijskih legura i, otprilike godinu dana kasnije, podnio dodatni patent za proizvodnju aluminijske bronce elektrolitički. Za to se u elektrolizator unosi odgovarajuća količina metalnog bakra. Patent također ukazuje na mogućnost simultane elektrolize glinice i oksida teških metala. Kao što se može vidjeti iz skice (slika 5) posuđene iz Héroultovog dopunskog patenta, uopće nema vanjskog zagrijavanja ćelije, a u opisu stoji da "električna struja proizvodi dovoljno topline da zadrži aluminij u rastopljenom stanju. država."

Héroux nije uspio realizirati svoj izum u Francuskoj, već je to učinio u Švicarskoj, u tvornici u Neuhausenu, pokrenutoj krajem 1888. Ova tvornica bila je prva aluminijska tvrtka u Europi koja je radila po elektrolitičkoj metodi. U početku je tvornica proizvodila aluminijsku broncu na temelju dodatnog patenta iz Héroulta. Uskoro (1891.). međutim, tvornica u Neuhausenu prešla je na proizvodnju čistog aluminija.

Hall, Mac i Eru, dok su još bili studenti, zainteresirali su se za pitanje dobivanja aluminija i radili eksperimente u nadi da će pronaći najekonomičniji način proizvodnje ovog metala. U svom istraživanju, Hall je u početku slijedio čisto empirijski put. Pokušao je primijeniti metodu termičke redukcije, zatim se prebacio na elektrolizu vodenih otopina aluminijevih soli, uvjerio se u potrebu prijelaza na elektrolizu u nevodenom mediju i konačno počeo tražiti otapalo za aluminij. U tu svrhu, Hall je isprobao razne soli fluora. U veljači 1886. testirao je kriolit i otkrio u njemu vrlo laku topljivost glinice, koja je brzo nestala u rastaljenoj soli, otapajući se "kao šećer ili sol u kipućoj vodi".

Hall je 23. veljače 1886. elektrolizirao otopinu glinice u rastopljenom kriolitu i dobio aluminij. Dana 9. srpnja 1886. podnio je zahtjev za svoj ‘master patent’, koji mu je izdan 2. travnja 1889. godine.

Godine 1888. u Kensingtonu blizu Pittsburgha (SAD) započela je prva proizvodnja aluminija u SAD-u Hall elektrolitičkom metodom s proizvodnjom 50 funti (28,65 kg) metala dnevno (slika 6.). Od 1894. za ovu proizvodnju koristi se energija slapova Niagare.

sl. 6. Prva proizvodnja aluminija po metodi Dvorana u Pittsburghu

Od pojave metode Erua i Halla zapravo počinje razvoj moderne aluminijske industrije, koja je tijekom pola stoljeća svog postojanja izrasla u jedan od najvećih sektora svjetskog gospodarstva.

Vrlo je indikativno kretanje cijena aluminija na svjetskom tržištu. Tijekom 30 godina, dok se aluminij dobivao kemijskim putem, cijena je bila otprilike na razini od 45 rubalja. po kilogramu. Od 1890. godine, kada je elektrolitička metoda potisnula sve ostale, došlo je do rijetkog pada cijene aluminija, koja je svih sljedećih godina u prosjeku iznosila 1 rublju. po kilogramu.

Prvi pokušaji organiziranja proizvodnje aluminija u našoj zemlji datiraju još iz 80-ih godina prošlog stoljeća, kada je u blizini Moskve dobila aluminij kemijskim putem izgrađena je mala tvornica, koja je, međutim, postojala vrlo kratko Os 1892. do 1893.).

Početkom ovog stoljeća prof. P. P. Fedotiev (1864-1934) i drugi ruski znanstvenici proveli su niz teorijskih istraživanja u području proučavanja moderne metode proizvodnje aluminija, koja je stekla svjetsku slavu. No, tek nakon Listopadske socijalističke revolucije stvoreni su uvjeti za organizaciju i razvoj aluminijske industrije u našoj zemlji.

Prvi eksperimenti u dobivanju aluminija u značajnom razmjeru izvedeni su 1929. godine na inicijativu Lenjingradskog regionalnog vijeća narodne ekonomije u tvornici Krasny Vyborzhets (Lenjingrad) pod vodstvom prof. P. P. Fedotijev. Godine 1930. u Lenjingradu je pokrenuta eksperimentalna tvornica aluminija, koja je odigrala važnu ulogu u razvoju sovjetske aluminijske industrije. Četiri godine ovaj pogon testirao je raznu opremu i obučavao radnike i inženjersko osoblje za prva poduzeća aluminija.

U svibnju 19321. godine pokrenuta je aluminijska tvornica Volhov, izgrađena na bazi Volhovske hidroelektrane, a u lipnju 1933. Dnjeparska aluminijska tvornica izgrađena na temelju Dnjeprogesa. Godine 1938. puštena je u rad Tihvinska tvornica glinice koja se nalazi u neposrednoj blizini ležišta boksita Tikhvin. Nadalje, u rujnu 1939., pokrenuta je tvornica aluminija Ural s naprednijom i snažnijom opremom od prethodnih, a zatim, već tijekom Velikog Domovinskog rata, izgrađen je niz novih aluminijskih tvornica u istočnim regijama zemlje.

Povezane objave:

Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije

Federalna agencija za obrazovanje

Magnitogorsk State Technical University

ih. Nosova

Zavod za crnu metalurgiju

Sažetak o disciplini "Povijest metalurgije"

METALURGIJA ALUMINIJ

napomena

Razmatrana je tema "Metalurgija aluminija", opisana su glavna svojstva ovog metala. Ukratko je opisana povijest otkrića aluminija, mogući načini njegove proizvodnje i primjene u raznim industrijama.

Uvod

1. Svojstva aluminija

2. Primjena aluminija

3. Sirovine

4. Proizvodnja glinice

5. Elektrolitička proizvodnja aluminija

6. Rafiniranje aluminija

Zaključak

Popis korištene literature

Uvod

Riječ "metalurgija" dolazi iz grčkog:

metalleuo - kopam, kopam sa zemlje;

metallurgeo - kopam rudu, prerađujem metale;

metallon - moj, metal.

Ova riječ znači područje znanosti i tehnologije, koje pokriva preradu ruda iz utrobe, dobivanje metala i legura, dajući im određena svojstva.

U antičko doba, u srednjem vijeku i relativno nedavno, do vremena M.V. Lomonosova, vjerovalo se da postoji 7 metala (zlato, srebro, bakar, kositar, olovo, željezo, živa).

Godine 1814. švedski kemičar J. Berzelius predložio je korištenje abecednih znakova koje koristi cijeli svijet, uz rijetke iznimke.

Danas je znanosti poznato više od 80 metala, od kojih se većina koristi u tehnologiji.

U svjetskoj praksi postoji podjela metala na željezne (željezo i legure na njegovoj osnovi) i sve ostale - obojene (Non-ferrousmetals, engleski; Nichtei-senmetalle, njemački) ili obojene metale. Metalurgija se često dijeli na crnu i obojenu. Trenutačno, crni metali čine oko 95% svih metalnih proizvoda proizvedenih u svijetu.

U tehnologiji je također usvojena uvjetna klasifikacija prema kojoj se obojeni metali dijele na "lake" (aluminij, magnezij), "teške" (bakar, olovo itd.), Vatrostalne (volfram, molibden itd.) , plemeniti (zlato, platina i dr.), rijetki metali.

Udio proizvoda proizvedenih od crnih i obojenih metala trenutno iznosi 72-74% državnog bruto nacionalnog proizvoda. Može se tvrditi da su metali u XXI stoljeću. ostat će glavni strukturni materijali, budući da su njihova svojstva, učinkovitost proizvodnje i potrošnja bez premca u većini područja primjene.

Od ~ 800 milijuna tona utrošenih metala ~ 750 milijuna tona je čelik, 20-22 milijuna tona aluminija, 8-10 milijuna tona bakra, 5-6 milijuna tona cinka, 4-5 milijuna tona olova (ostalo -< 1 млн. т).

Od najvrednijih i najvažnijih metala za modernu tehnologiju, samo nekoliko se nalazi u zemljinoj kori u velikim količinama: aluminij (8,8%), željezo (4,65%), magnezij (2,1%), titan (0,63%).

Rudna ležišta lakih metala obično uključuju rude koje sadrže aluminij; glavni dobavljač aluminija su boksiti, kao i aluniti, nefelini i razne gline. Rudna ležišta obojenih metala uključuju ležišta bakra, olova i cinka, kobalta, nikla, antimona. Zalihe metala u najvećem od njih dosežu od nekoliko desetaka do stotina milijuna tona, s uobičajenim sadržajem metala u rudi - nekoliko posto.

Masa ekstrahiranih materijala višestruko je veća od količine metala sadržanih u rudi, a u velikoj većini slučajeva nije ekonomski isplativo izravno vaditi korisne komponente iz prirodnih ruda.

Arheološka iskapanja upućuju na to da poznavanje čovjeka s metalima datira iz vremena vrlo udaljenih od nas. Vjeruje se da su prvi brončani predmeti dobiveni 3000. godine prije Krista redukcijskim topljenjem mješavine bakrene i kositrene rude s drvenim ugljenom. Mnogo kasnije počele su se proizvoditi bronce dodavanjem kositra i drugih metala (aluminij, berilij, silicij nikal itd.) u bakar. Trenutno su najčešće aluminijske bronce (5-12% Al) s dodatkom željeza, mangana i nikla.

Trenutno je metalurška proizvodnja jedan od prioritetnih sektora nacionalnog gospodarstva.

1. SVOJSTVA ALUMINIJA

Aluminij je prvi dobio danski fizičar H. Oersted 1825. Ime ovog elementa dolazi od latinskog alumena, kako se u antičko doba zvalo stipsa, koja se koristila za bojanje tkanina.

Aluminij ima mnoga vrijedna svojstva: niska gustoća - oko 2,7 g / cm 3, visoka toplinska vodljivost - oko 300 W / (m. K) i visoka električna vodljivost od 13,8. 10 7 Ohm/m, dobra duktilnost i dovoljna mehanička čvrstoća.

Aluminij tvori legure s mnogo elemenata. U rastaljenom stanju aluminij je fluidan i dobro ispunjava kalupe; u čvrstom stanju je dobro deformiran i lako se može rezati, lemiti i zavarivati.

Afinitet aluminija prema kisiku je vrlo visok. Tijekom njegove oksidacije oslobađa se velika količina topline (~ 1670000 J / mol). Fino mljeveni aluminij se pali kada se zagrijava i gori na zraku. Aluminij se spaja s kisikom u zraku i atmosferskim uvjetima. U ovom slučaju, aluminij je prekriven tankim (~ 0,0002 mm debljine) gustim filmom aluminijevog oksida, koji ga štiti od daljnje oksidacije; stoga je aluminij otporan na koroziju. Površina aluminija dobro štiti od oksidacije ovog filma čak iu rastaljenom stanju.

Od aluminijskih legura najveći značaj imaju duralumin i silumin.

Sastav duraluminija, osim aluminija, uključuje 3,4-4% Cu, 0,5% Mn i 0,5% Mg, dopušteno je najviše 0,8% Fe i 0,8% Si. Duralumin je dobro deformiran i po svojim mehaničkim svojstvima blizak je nekim vrstama čelika, iako je 2,7 puta lakši od čelika (gustoća duraluminija je 2,85 g / cm 3).

Mehanička svojstva ove legure se povećavaju nakon toplinske obrade i hladne deformacije. Vlačna čvrstoća raste sa 147-216 MPa na 353-412 MPa, a tvrdoća po Brinellu sa 490-588 na 880-980 MPa. U ovom slučaju, relativno rastezanje legure gotovo se ne mijenja i ostaje prilično visoko (18-24%).

Silumini su lijevane legure aluminija sa silicijem. Imaju dobre kvalitete lijevanja i mehanička svojstva.

2. ALUMINIJSKA PRIMJENA

Aluminij i legure imaju široku primjenu u mnogim industrijama, uključujući zrakoplovstvo, transport, metalurgiju, prehrambenu industriju itd. Karoserije zrakoplova, motori, blokovi cilindara, mjenjači, pumpe i drugi dijelovi u zrakoplovstvu, automobilskoj i traktorskoj industriji, posude za skladištenje kemijskih proizvoda . Aluminij se široko koristi u svakodnevnom životu, prehrambenoj industriji, u nuklearnoj energiji, a svemirske letjelice izrađene su od aluminija i njegovih legura.

Zbog visokog kemijskog afiniteta aluminija prema kisiku, koristi se u metalurgiji kao deoksidant, a također i za dobivanje, tzv. aluminotermnim postupkom, teško obnovivih metala (kalcij, litij i dr.).

Po ukupnoj proizvodnji metala u svijetu, aluminij je na drugom mjestu nakon željeza. ,

3. SIROVINE

Glavna moderna metoda proizvodnje aluminija je elektrolitička metoda koja se sastoji od dvije faze. Prva je proizvodnja glinice (Al 2 O 3) iz rudnih sirovina, a druga je proizvodnja tekućeg aluminija iz glinice elektrolizom.

Rude aluminija. Zbog visoke kemijske aktivnosti, aluminij se u prirodi pojavljuje samo u vezanom obliku: korund Al 2 O 3, gibzit Al 2 O 3. 3H 2 O, bemit Al 2 O 3 . H 2 O, kijanit 3Al 2 O 3, 2SiO 2, nefelin (Na, K) 2 O. Al 2 O 3 . 2SiO 2, kaolinit Al 2 O 3, 2SiO 2. 2H 2 O i drugi. Glavne aluminijske rude koje se trenutno koriste su boksiti, kao i nefelini i aluniti.

boksiti. Aluminij se u boksitima nalazi uglavnom u obliku aluminijevih hidroksida (gibzit, bemit itd.), korunda i kaolinta. Kemijski sastav boksita je prilično složen. Često sadrže više od 40 kemijskih elemenata. Sadržaj glinice u njima je 35-60%, silicijevog dioksida 2-20%, oksida Fe 2 O 3 2-40%, titanovog oksida 0,01-10%. Važna karakteristika boksita je težinski omjer njihovog sadržaja Al 2 O 3 prema SiO 2 - tzv. silicijski modul.

Velika ležišta boksita u našoj zemlji uključuju Tikhvinskoye (Lenjingradska regija), Severouralskoye (Sverdlovsk regija), Yuzhnouralskoye (Regija Čeljabinsk), Turgai i Krasnooktyabrskoye (Kostanajska regija).

Nefelini su dio nefelinskih sijenita i urtita. Na poluotoku Kola nalazi se veliko ležište urtita. Glavne komponente urtita su nefelin i apatit 3Ca 3 (PO 4) 2 . CaF2. Podvrgnuti su flotacijskom obogaćivanju uz oslobađanje koncentrata nefelin apatita. Koncentrat apatita koristi se za pripremu fosfatnih gnojiva, dok se nefelinski koncentrat koristi za proizvodnju glinice. Koncentrat nefelina sadrži, %: 20-30 Al 2 O 3 , 42-44 SiO 2 , 13-14 Na 2 O, 6-7 K 2 O, 3-4 Fe 2 O 3 i 2-3 CaO.

Aluniti su osnovni aluminijev sulfat i kalij (ili natrij) K 2 SO 4 . Al2(SO4)3. 4 Al(OH) 3 . Sadržaj Al 2 O 3 u njima je nizak (20-22%), ali sadrže i druge vrijedne komponente: sumporni anhidrid SO 3 (~ 20 %) i lužinu Na 2 O, K 2 O (4-5 %). Dakle, oni su, poput nefelina, složene sirovine.

Ostale sirovine. U proizvodnji glinice koristi se alkalni NaOH, ponekad vapnenac CaCO 3, u elektrolizi aluminijevog kriolita Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) i malo aluminij fluorida AlF 3, kao i CaF 2 i MgF 2.

4. PROIZVODNJA GLINICE

U inozemstvu se gotovo sva glinica dobiva iz boksita uglavnom Bayerovom metodom (K.I. Bayer je austrijski inženjer koji je radio u Rusiji), u domaćim pogonima se glinica dobiva iz boksita Bayerovom metodom te iz boksita i nefelina metodom sinteriranja. Obje ove metode spadaju u alkalne metode odvajanja glinice od ruda. Ekonomski je izvedivo koristiti Bayerovu metodu za preradu boksita s niskim sadržajem SiO 2 (sa silicijevim modulom Al 2 O 3 / SiO 2 više od 5-7), budući da s povećanjem količine SiO 2 više i više Al 2 O 3 i lužine korištene u procesu gube se zbog stvaranja kemijskog spoja Na 2 O. Al 2 O 3 . 2SiO2. 2H2O.

Za preradu boksita s modulom silicija manjim od 5-7, metoda sinteriranja je ekonomičnija. Zbog iscrpljivanja ležišta boksita bogatih aluminijem i uključivanja siromašnijih boksita u proizvodnju, udio Bayerove metode u proizvodnji glinice se smanjuje, a povećava udio metode sinteriranja.

Bayerova metoda

Bayerov proces, metoda za izolaciju glinice iz boksita, temelji se na ispiranju, čija je svrha otopiti aluminijev oksid sadržan u boksitu, izbjegavajući prijenos preostalih komponenti boksita u otopinu. Metoda se temelji na reverzibilnoj kemijskoj reakciji:

Al 2 O 3, nH 2 O +2 NaOH \u003d Na 2 O. Al 2 O 3 + (n + 1) H 2 O

Kada reakcija teče udesno, aluminij u obliku natrijevog aluminata prelazi u otopinu, a tijekom obrnutog tijeka reakcije nastali hidratizirani Al 2 O 3 precipitira.

1. Priprema boksita za ispiranje. Boksit se drobi i melje na frakcije od 0,05 - 0,15 mm u mediju dodane lužine i cirkulirajuće otopine lužine, dodaje se i malo vapna za aktiviranje ispiranja.

2. Ispiranje. Pulpa dobivena tijekom mljevenja šalje se na ispiranje. Za potpuni tijek gore navedene reakcije udesno (formiranje natrijevog aluminata), alkalno okruženje, visoki tlak (~ 3 MPa), zagrijavanje pulpe na 100 - 240 0 C (ovisno o vrsti boksita) i dugo (oko 2 sata) potrebno je miješanje. Takvi su uvjeti osigurani u autoklavima - posudama koje rade pod pritiskom. Korišteni autoklavi su (slika 2) čelična cilindrična posuda promjera 1,6 - 2,5 i visine 13,5 - 17,5 m. Tlak u autoklavu je 2,5 - 3,3 MPa, pulpa se dovodi odozgo, odozdo kroz cijev 2 s mjehurićem 3 - para koja ga zagrijava i miješa. Pulpa se istiskuje iz autoklava kroz cijev 1.

Pulpa se obično propušta kroz bateriju od 6 - 10 uzastopno postavljenih autoklava, gdje glinica sadržana u pulpi u obliku Al 2 O 3 , H 2 O, Al 2 O 3 , 3H 2 O i Al 2 O 3 reagira s lužine oko 2 sata (reakcija je navedena gore), pretvarajući se u Na 2 O. Al 2 O 3 . Pulpa se spušta u prvi autoklav pumpom, prethodno zagrijanom na ~ 150 0 C, iz posljednjeg autoklava pulpa ulazi u dva autoklava-isparivača, u kojima se tlak snižava na atmosferski tlak. Proizvod je autoklavirana suspenzija koja se sastoji od otopine aluminata (koja sadrži Na 2 O. Al 2 O 3 ) i mulja (taloga u koji se talože preostale nečistoće boksita).

3. Odvajanje otopine aluminata i mulja nakon razrjeđivanja pulpe vodom vrši se u zgušnjivačima (taložnicima) - posudama promjera 15 - 50 m, na čijem dnu se taloži mulj, a taložena otopina aluminata. odvodi kroz vrh. Dodatno se prolazi kroz filtere i šalje na sljedeću operaciju - razgradnju. Nastali crveni mulj (obojen česticama F 2 O 3) odlazi na odlagalište, mulj sadrži,%:

Al 2 O 3 12-18, SiO 2 6-1, F 2 O 3 44-50, CaO. 8-13 (prikaz, stručni).

4. Razgradnja otopine aluminata, nazvana dekompozicija ili uvijanje, provodi se kako bi se aluminij iz otopine prenio u talog u obliku Al 2 O 3, 3H 2 O, za koji je predviđena gornja reakcija ispiranja lijevo, prema stvaranju Al 2 O 3 , 3H 2 O. Da bi ova reakcija krenula ulijevo, potrebno je sniziti tlak, razrijediti i ohladiti otopinu, u nju unijeti sjemenke i pulpu da se dobije dovoljno veliki kristali Al 2 O 3, 3H 2 O miješati 50-90 sati.

Taj se proces provodi u nizu serijski instaliranih razlagača i povezanih obilaznim sifonima, kroz koje serijski prolazi pulpa. U nizu se postavlja 10-11 razlagača s mehaničkim miješanjem ili 16-28 razlagača sa zračnim miješanjem pulpe.

5. Odvajanje kristala aluminij hidroksida iz otopine i klasifikacija kristala po veličini. Nakon razgradnje, pulpa ulazi u zgušnjivače, gdje se hidroksid odvaja od otopine. Dobiveni hidroksid u hidroseparatorima dijeli se na frakciju veličine čestica 40-100 μm i na finu frakciju koja se koristi kao sjeme za razgradnju. Velika frakcija se ispere, filtrira i šalje na kalcinaciju.

6. Kalcinacija ili dehidracija aluminijevog hidroksida provodi se u šamotom obloženim cijevnim rotirajućim pećima promjera 2,5-5 i duljine 35-110 m, grijanim prirodnim plinom ili loživim uljem. Hidroksid se polagano miješa uz rotirajući bubanj prema protoku od 200-300 0 C na mjestu punjenja do ~ 1200 0 C u blizini plamenika, odvija se reakcija: Al 2 O 3 , 3H 2 O = Al 2 O 3 + , 3H 2 O, završava na 900 0 C. Proizvod je Al 2 O 3 aluminij (bijeli prah).

Ekstrakcija glinice opisanim Bayerovim postupkom iznosi oko 87%. ,

Metoda sinteriranja

Metoda se koristi za dobivanje glinice iz boksita visokog silicija s modulom silicija manjim od 5-7 i iz nefelinskih ruda; metoda je također prikladna za preradu bilo koje aluminijske sirovine.

Bit metode je dobivanje čvrstih aluminata njihovim sinteriranjem na visokim (~ 1300 0 C) temperaturama i naknadnim ispiranjem dobivenog sintera.

Dobivanje glinice iz boksita. Glavne faze ovog procesa su sljedeće.

Priprema za sinteriranje. Boksit i vapnenac nakon drobljenja se usitnjavaju u mlinovima u mediju reciklirane otopine sode uz dodatak svježe sode, čime se dobiva pulpa s udjelom vlage od 40%.

Sinteriranje se izvodi u grijanim cijevnim rotirajućim pećima promjera do 5 m i dužine do 185 m. Temperatura u peći raste od 200 -300 0 C na mjestu dovoda pulpe do ~ 1300 0 C na kraj pražnjenja na plameniku. Kada se zagrije, aluminijev oksid se pretvara u natrijev aluminat topiv u vodi:

Al 2 O 3 + Na 2 CO 3 \u003d Na 2 O. Al 2 O 3 + CO,

a silicij se veže na teško topive silikate: SiO 2 + 2CaO = 2CaO. SiO2. Boksit također reagira sa sodom, tvoreći Na 2 O. Fe2O3. Ovi kemijski spojevi se sinteriraju, tvoreći djelomično otopljene komade – sinter.

Nakon peći za pečenje, kolač se hladi u hladnjaku, drobi do veličine čestica od 6-8 mm i šalje na ispiranje.

Ispiranje se vrši toplom vodom protočnom metodom u aparatima različitih izvedba: difuzori (cilindrične posude u koje se sinter utovaruje i iskrcava u porcijama), u transportnim ispiračima i dr. Najnaprednije su kontinuirane cjevaste lužilice (sl. 3). Sinter utovaren kroz lijevak 1 u posudu visine 26 m, uslijed kontinuiranog istovara sektorskih istovarivača 2, pomiče se prema dolje i ispire se protutokom vode. Natrijev aluminat se otapa u vodi, voda razgrađuje natrijev ferit Na 2 O. Talože se Fe 2 O 3 i Fe 2 O 3. Proizvodi za ispiranje su otopina aluminata i crveni mulj koji sadrži Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 , CaO. Malo silicija prelazi u otopinu aluminata u obliku hidrosilikata, pa se otopina podvrgava desilikonizaciji.

Desilikonizacija otopine aluminata provodi se u bateriji autoklava s dugom (~ 2,5 h) izlaganjem na temperaturi od 150 - 170 0 C. U tim uvjetima rastu kristali spoja Na 2 O netopivog u vodi. Al 2 O 3 . 2SiO 2, 2H 2 O (ponekad se u otopinu dodaje vapno, u ovom slučaju CaO, nastaju kristali Al 2 O 3. 2SiO 2, 2H 2 O). Pulpa izlazi iz autoklava, a sastoji se od otopine aluminata i taloga - bijelog mulja. Zatim se otopina odvaja od bijelog mulja zgušnjavanjem i filtracijom. Bijeli mulj ide u punjenje za sinteriranje, a otopina se šalje na karbonizaciju.

Karbonizacija se provodi s ciljem odvajanja aluminija u talog Al 2 O 3 . 3H 2 O (karbonizacija zamjenjuje razgradnju u Bayerovom procesu). Karbonizacija se provodi u cilindričnim ili cilindrično-konusnim posudama volumena do 800 m 3 propuštanjem kroz otopinu otpadnih plinova peći za sinteriranje koja sadrži 10 -14 % CO 2 . Plinovi miješaju otopinu i razgrađuju natrijev aluminat:

Na2O. Al 2 O 3 + CO 2 + 3H 2 O \u003d Al 2 O 3. 3H 2 O + Na 2 CO 3

i taloži se aluminij hidroksid.

Zatim se provode iste tehnološke operacije kao u Bayerovoj metodi: odvajanje Al 2 O 3 . 3H 2 O iz otopine i kalcinacija - dehidracija aluminijevog hidroksida kalcinacijom u cijevnim pećima za dobivanje glinice Al 2 O 3 .

Približna potrošnja materijala za dobivanje 1 tone glinice, t: boksit 3,2 - 3,6; vapnenac 1,35; vapno 0,025; soda pepela 0,19; referentno gorivo 1,1 - 1,2; električne energije ~ 800 kWt.

Dobivanje glinice iz nefelina. Nefelinski koncentrat ili ruda i vapnenac nakon drobljenja se melju u vodenom mediju, čime se dobiva pulpa za sinteriranje. Zbog prisutnosti lužina u sastavu nefelina, dodaci napunjenosti sode nisu potrebni.

Sinteriranje se provodi u grijanim cijevnim rotirajućim pećima promjera 3–5 i duljine do 190 m; pulpa se ulijeva u peć sa strane plina, gdje je temperatura 200 - 300 0 C, a na kraju pražnjenja doseže 1300 0 C. U procesu zagrijavanja, nefelin stupa u interakciju s vapnencem:

(Na, K) 2O.Al2O3. 2SiO 2 + 4 CaCO 3 \u003d (Na, K) 2 O. Al 2 O 3 + 2 (2CaO. SiO 2) + 4CO 2

Kao rezultat ove reakcije, Na 2 O i K 2 O, koji su dio nefelina, osiguravaju pretvorbu glinice u aluminate topive u vodi, a CaO veže silicij u slabo topiv dikalcijev silikat. Dobivenu tortu ohladite u hladnjaku i zgnječite.

Ispiranje nefelinskog kolača kombinira se s njegovim mljevenjem i provodi se u mlinovima s kuglicama ili šipkama u vrućoj vodi s alkalnom otopinom dobivenom karbonizacijom. Tijekom procesa ispiranja aluminati se otapaju u vodi i ostaje vapneno-kremenski mulj koji ide u proizvodnju cementa.

Desilikonizacija otopine aluminata odvija se u dva stupnja. Prvi se provodi u autoklavu 1,5-2 sata na temperaturi od 150-170 0 C; u ovom slučaju talože se aluminosilikati koji sadrže silicij, ovaj talog ide u punjenje za sinteriranje.

Drugi dio otopine aluminata dodatno se desilikonizira u mješalicama uz dodatak vapna na ~95 0 C tijekom 1,5-2 sata.U tom slučaju dolazi do taloženja vapneno-silikatnog mulja i osigurava se duboka desilikonizacija otopine aluminata. Zatim se ta otopina podvrgne kalcinaciji, čime se u sedimentu dobije aluminijev hidroksid i duboko desilikonizirana otopina sode, iz koje se dalje u prodavaonici sode dobivaju potaš (K 2 CO 3) i soda pepela (Na 2 CO 3); duboka desilikonizacija neophodna je za dobivanje ovih tržišnih proizvoda.

Kalcinacija. Aluminijev hidroksid nakon obje grane obrade otopina aluminata se podvrgava ispiranju i filtriranju, a zatim šalje na kalcinaciju (dehidraciju), koja se provodi na isti način kao u Bayerovoj metodi, čime se dobiva glinica.

Približna potrošnja materijala za dobivanje 1 tone glinice iz nefelina, t: nefelin 4; vapnenac 7; vapno 0,1; referentno gorivo 1,5; električne energije ~ 1000 kWh Istodobno se dobiva oko 1 tona proizvoda od sode i do 10 tona cementa.

5. ELEKTROLITIČKA PROIZVODNJA ALUMINIJA

Aluminij se dobiva elektrolizom glinice otopljene u rastaljenoj elektrolizi, čija je glavna komponenta kriolit. U čistom kriolitu Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) omjer NaF:AlF 3 je 3, za uštedu električne energije potrebno je taj omjer tijekom elektrolize imati u rasponu od 2,6-2,8, stoga se dodaje aluminij fluorid AlF 3 na kriolit. Osim toga, malo CaF 2 , MgF 2 i ponekad NaCl se dodaje u elektrolit kako bi se snizila točka taljenja. Sadržaj glavnih komponenti u industrijskom elektrolitu je u sljedećim granicama, %: Na 3 AlF 6 75-90; AlF 3 5-12; MgF 2 2-5; CaF 2 2-4; Al 2 O 3 2-10.

Kupelj za elektrolizu ili ćelija u kojoj se provodi elektroliza ima u tlocrtu pravokutni oblik. Kućište od čeličnih limova okružuje zidove kupke, a za velike kupke izrađeno je s dnom. Unutar je sloj šamota, a zatim su zidovi obloženi pločama od ugljena, a dno čine blokovi ognjišta. Kupka dubine 0,5-0,6 m napunjena je elektrolitom i ispod nje slojem tekućeg aluminija.

Ugljična anoda je obješena na čelične šipke tako da je njezin donji kraj uronjen u elektrolit, a struja se dovodi do anode kroz šipke iz guma.

Snaga ćelije, određena snagom struje koja joj se dovodi, varira od 30 kA za kupke male snage do 250 kA za kupke velike snage.

Kupke za elektrolizu s prethodno pečenim anodama imaju anodni sklop sastavljen od nekoliko blokova ugljika ili grafita raspoređenih u dva reda. Svaki blok ima četiri čelične bradavice spojene na šipku; ovaj uređaj služi za napajanje strujom i za suspenziju bloka. Izgorjeli blokovi zamjenjuju se novima. Iznad kade nalazi se kutija za prikupljanje plina.

Korištenje pečenih anoda omogućilo je povećanje jediničnog kapaciteta kupelji i uvelike smanjenje oslobađanja štetnih kancerogenih tvari koje nastaju tijekom koksanja samopečeće elektronske smole.

Elektronske kupke postavljene su u radionici u nizu - nekoliko desetaka kupki u nizu.

Elektroliza se provodi pri naponu od 4-4,3 V i, kao što je navedeno, pri specifičnoj gustoći struje koja prolazi kroz anodu jednakoj 0,65-1,0 A / cm 2. Debljina sloja elektrolita u kadi je 150-250 mm. Temperatura kupelji održava se unutar 950-970 0 C zbog topline koja se oslobađa tijekom prolaska istosmjerne struje kroz elektrolit. Takve temperature nastaju ispod anode, a na granici sa zrakom nastaje kora skrutnutog elektrolita, a u blizini stijenki kupelji stvrdnuti sloj elektrolita (struga).

Potrebna temperatura kupke, tj. oslobađanje potrebne količine topline u sloju elektrolita, osigurava se pri određenom električnom otporu sloja elektrolita. Takav električni otpor postiže se održavanjem sastava elektrolita i debljine njegovog vodljivog sloja unutar određenih granica, tj. udaljenosti između anode i sloja tekućeg aluminija unutar 40-60 mm.

Kada se na katodu i anodu dovede napon, komponente tekućeg elektrolita podliježu elektrolitičkoj disocijaciji, a talina se sastoji od brojnih kationa i aniona. Sastav elektrolita je odabran tako da, u skladu s vrijednostima potencijala pražnjenja na elektrodama, nastaju samo Al 3+ kationi i O 2- anioni, koji nastaju tijekom disocijacije Al 2 O 3 u elektrolitu. , može se isprazniti.

Aluminij ispušten na katodi nakuplja se na dnu kupke ispod sloja elektrolita. Oslobođen na anodi s stvaranjem plinova CO i CO 2, tj. dno anode se oksidira, pa se anoda povremeno spušta. Plinovi CO i CO 2 izlaze ispod anoda duž njihovih bočnih površina, sadrže otrovne spojeve fluora koji se oslobađaju iz elektrolita i prašine glinice; ti se plinovi hvataju i čiste od prašine i spojeva fluora.

Tijekom procesa, glinica se povremeno ubacuje u kupke; kontrolirati sastav elektrolita uvođenjem korektivnih aditiva; uz pomoć regulatora održava se optimalna udaljenost između anoda i tekućeg aluminija. U kupke se odozgo ubacuje glinica, u tu svrhu se kora sinteriranog elektrolita prorezuje uz pomoć strojeva koji se kreću duž kupki.

Tekući aluminij se uklanja iz kupki jednom dnevno ili nakon 2-3 dana pomoću vakuumskih kanta. Vakumski lonac je posuda obložena šamotom koja sadrži 1,5-5 tona aluminija, u kojoj se stvara vakuum od ~ 70 kPa. Usisna cijev spojena s mlaznicom lonca uronjena je odozgo u sloj tekućeg aluminija i usisana u lonac.

Oslobođeni anodni plinovi se najprije usmjeravaju u plamenike, gdje se izgaraju sublimira CO i katrana, a zatim na čišćenje plina, gdje se hvata prašina i spojevi fluora.

Produktivnost modernih kupki za elektrolizu je 500-1200 kg aluminija dnevno. Za dobivanje 1 tone aluminija troši se ~ 1,95 tona glinice, ~ 25 kg kriolita, 25 kg aluminij fluorida, 0,5-0,6 tona anodne mase, 14-16 MWh električne energije. ,

6. PRERADA ALUMINIJA

Aluminij ekstrahiran iz kupelji elektrolize naziva se sirovi aluminij. Sadrži metalne i nemetalne nečistoće, kao i plinove (vodik, kisik, dušik, ugljični oksidi, sumporov dioksid). Nemetalne nečistoće su mehanički uvučene čestice glinice, elektrolita, čestice obloge itd.

Za čišćenje od mehanički zarobljenih nečistoća, otopljenih plinova, kao i od Na, Ca i Mg, aluminij se podvrgava kloriranju. Da biste to učinili, u vakuumski lonac se umetne cijev kroz koju se 10-15 minuta dovodi plinoviti klor, a za povećanje kontaktne površine plina s metalom, na kraj cijevi pričvršćeni su porozni keramički čepovi, osiguravajući drobljenje plinskog mlaza u male mjehuriće. Klor snažno reagira s aluminijem da nastane aluminijev klorid AlCl 3 . Pare aluminijevog klorida dižu se kroz metalni sloj i zajedno s njima isplivavaju suspendirane nemetalne nečistoće, dio plinova i nastali Na, Ca, Mg i H 2 kloridi.

Zatim se aluminij ulijeva u električne peći za miješanje ili u reverberacijske peći, gdje ostaje 30-45 minuta. Svrha ove operacije je dodatno pročišćavanje od nemetalnih i plinskih inkluzija i usrednjavanje sastava miješanjem aluminija iz različitih kupelji. Aluminij se zatim ulijeva ili u ingote na strojevima za transportno lijevanje ili u postrojenja za kontinuirano lijevanje ingota za valjanje ili izvlačenje. Na taj način se dobiva aluminij čistoće od najmanje 99,8% Al.

Aluminij više čistoće dobiva se u industrijskim razmjerima naknadnim elektrolitičkim rafiniranjem tekućeg aluminija prema tzv. troslojnoj metodi. Kupka za elektrolizu ima magnezitne stijenke, ognjište za ugljen i grafitne katode obješene odozgo. Početni aluminij se izlijeva na ložište kroz bočni otvor u dijelovima, održavajući ovdje anodni sloj određene debljine; iznad njega je sloj elektrolita od fluorovih i kloridnih soli, a iznad elektrolita je sloj pročišćenog aluminija, koji je lakši od elektrolita; krajevi katoda su uronjeni u ovaj sloj.

Kako bi rafinirani aluminij bio na dnu, otežava se formiranjem legure aluminij-bakar u anodnom sloju. Tijekom elektrolize ioni Al 3+ kreću se od anodnog sloja kroz sloj elektrolita do katodnog sloja i ovdje se ispuštaju. Čisti katodni metal koji se nakuplja na površini kupke izvlači se i izlijeva u ingote. Ova metoda proizvodi aluminij čistoće od 99,95%. Potrošnja električne energije je ~ 18000 kWh po 1 toni aluminija. Čistiji aluminij dobiva se zonskim taljenjem ili destilacijom kroz subhalogenide.

ZAKLJUČAK

Iz razmatranog materijala proizlazi da je aluminij jedan od potrebnih metala u industriji. Metalurgija aluminija igra važnu ulogu u razvoju modernih tehnologija.

POPIS KORIŠTENE LITERATURE

1. Gabrielyan O.S. Kemija - M.: Drfa, 2004

2. Voskoboinikov V.G., Kudrin V.A., Yakushev A.M. Opća metalurgija - M.: ICC "Akademkniga", 2004

3. Kulman A.G. Opća kemija - M.: "Kolos", 1968.

Prvi put je metalni aluminij kemijskim putem dobio njemački kemičar F. Wöhler 1821. (redukcijom iz aluminij klorida s metalnim kalijem pri zagrijavanju). Godine 1854. francuski znanstvenik Saint-Clair Deville predložio je elektrokemijsku metodu za proizvodnju aluminija redukcijom dvostrukog klorida aluminij-natrij s natrijem.

Proizvodnja i proizvodnja aluminija

Metalni aluminij se dobiva u tri faze:

• Dobivanje glinice (Al 2 O 3) iz aluminijskih ruda;
• Dobivanje aluminija iz glinice;
• rafiniranje aluminija.

Dobivanje glinice

Oko 95% sve glinice dobiva se iz ruda boksita.

Boksit(francuski boksit) (prema nazivu područja Baux na jugu Francuske) - aluminijska ruda, koja se sastoji od aluminijevih hidroksida, oksida željeza i silicija, sirovina za proizvodnju glinice i vatrostalnih materijala koji sadrže aluminij. Sadržaj glinice u komercijalnim boksitima kreće se od 40% do 60% i više. Također se koristi kao fluks u crnoj metalurgiji.

Slika 1 - Ruda boksita

Tipično, boksit je zemljana masa nalik glini koja može imati trakastu, pisolitnu (sličnu grašku) ili jednoličnu teksturu. U normalnim vremenskim uvjetima, feldspati (minerali koji čine većinu zemljine kore i aluminosilikati) se razgrađuju u glinu, ali u vrućim klimatskim uvjetima i visokoj vlažnosti, boksit može biti krajnji proizvod njihove razgradnje, jer takvo okruženje pogoduje uklanjanju lužina i silicija, osobito iz sijenita ili gabra. Boksiti se u aluminij prerađuju u fazama: prvo se dobiva aluminijev oksid (aluminij), a zatim metalni aluminij (elektrolitički u prisutnosti kriolita).

Glavne nečistoće u boksitima su Fe 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 . Male nečistoće boksita uključuju: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, elemente rijetkih zemalja, Cr, P, V, F, organske tvari.

Obično se boksiti klasificiraju:

• po boji;
• glavnim mineralom (češće se miješaju);
• po godinama.

Glavni kriteriji kvalitete aluminijske rude su:

1. Silicijski modul (Msi = Al 2 O 3 /SiO 2 (% mas.)). Što je silikonski modul veći, to je bolja kvaliteta (Msi = 7);
2. Sadržaj željeza u odnosu na Fe 2 O 3 . Ako je sadržaj Fe 2 O 3 oko 18 tež. %, tada se boksit smatra bogatim željezom. Što je veći sadržaj željeza to je teže vaditi boksit;
3. Sadržaj sumpora. Prisutnost velike količine sumpora komplicira preradu boksita;
4. Sadržaj karbonata u odnosu na CO 3 (2-) . Prisutnost velike količine karbonata otežava preradu boksita.

Boksiti se koriste:

• u proizvodnji glinice;
• u proizvodnji abrazivnih materijala;
• u proizvodnji vatrostalnih materijala;
• kao fluks za taljenje otvorenog čelika;
• za sušenje plinova i čišćenje ulja od sumpora;
• kao boja.

Do danas, glavni dobavljači boksita su:

• Australija - tu su i ogromna nalazišta Fe, Au, U, Ni, Co, Cu itd. Isplativije je kupovati sirovine iz Australije nego prerađivati ​​svoje.
• Gvineja - Rusija ima nekoliko kupljenih mjesta.
• Srednja Amerika: Gvajana, Jamajka, Suriman.
• Brazil.

U Europi su sva ležišta iscrpljena. Boksiti se dobavljaju iz Grčke, ali je ta sirovina loše kvalitete.

Slika 2 - Zalihe boksita u svijetu

Ispod su glavna nalazišta aluminijskih ruda u Rusiji.

• Prvo ležište otkriveno je 1914. u blizini Sankt Peterburga, u blizini grada Tikhvina. Na ovom polju izgrađeno je 6 pogona. Najveća je tvornica aluminija Volhov. Do danas je polje Tikhvinskoye iscrpljeno i radi uglavnom na uvezenim sirovinama.
• Godine 1931. otkriveno je jedinstveno ležište visokokvalitetnog boksita Severo-Uralskoye (SUBR). Služio je kao osnova za izgradnju 1939. Uralske aluminijske tvornice (UAZ). A na temelju rudnika boksita Južnog Urala (YUBR) izgrađena je talionica aluminija Bogoslovsky (BAZ).
• Severoonežsko polje nalazi se na putu za poluotok Kola. U Planu je, ali datum izgradnje nije poznat.
• Nalazište Vislovskoe je ležište čiste gline tipa kaolita. Ne koristi se za aluminij.
• Timanskoye polje (Republika Komi, Varkuta). Kanađani su zainteresirani za ovo područje, pa planiraju graditi tvornice (Komi Sual je holding).

Dobivanje glinice iz ruda boksita

Budući da je aluminij amfoteričan, aluminij se proizvodi na tri načina:

• alkalni,
• kiselina;
• elektrolitički.

Najraširenija je alkalna metoda (metoda K. I. Bayera, razvijena u Rusiji krajem pretprošlog stoljeća i korištena za preradu visokokvalitetnih boksita s malom količinom (do 5–6%) silicijevog dioksida). Od tada je njegova tehnička izvedba značajno poboljšana. Shema proizvodnje glinice Bayerovom metodom prikazana je na slici 3.

Slika 3 - Shema za dobivanje glinice Bayerovom metodom

Bit metode je da se aluminijske otopine brzo razgrađuju kada se u njih unese aluminijev hidroksid, a otopina koja preostane od raspadanja nakon njegovog isparavanja u uvjetima intenzivnog miješanja na 169–170 °C može ponovno otopiti aluminij koji se nalazi u boksitima. Ova metoda se sastoji od sljedećih glavnih operacija:

1. Priprema boksita, koja se sastoji u njegovom drobljenju i mljevenju u mlinovima; mlinovi su opskrbljeni boksitom, kaustičnom lužinom i malom količinom vapna, što poboljšava oslobađanje Al 2 O 3 ; dobivena pulpa se hrani za ispiranje;

2. Ispiranje boksita (nedavno su do sada korišteni autoklavni blokovi okruglog oblika djelomično zamijenjeni cijevnim autoklavima, u kojima se ispiranje događa na temperaturama od 230–250 °C (500–520 K), što se sastoji u njegovoj kemijskoj razgradnji od interakcija s vodenom otopinom lužina; aluminijev oksid hidrati, u interakciji s alkalijom, prelaze u otopinu u obliku natrijevog aluminata:

AlOOH+NaOH→NaAlO2 +H2O

Al(OH)3 +NaOH→NaAlO2 +2H20;

SiO2 +2NaOH→Na2SiO3 +H2O;

u otopini, natrijev aluminat i natrijev silikat tvore netopivi natrijev aluminosilikat; oksidi titana i željeza prelaze u netopivi ostatak, dajući ostatku crvenu boju; taj se ostatak naziva crvenim muljem. Po završetku otapanja, dobiveni natrijev aluminat se razrijedi vodenom otopinom lužine uz snižavanje temperature za 100 °C;

3. Odvajanje otopine aluminata iz crvenog mulja, obično se provodi ispiranjem u posebnim zgušnjivačima; uslijed toga dolazi do taloženja crvenog mulja, a otopina aluminata se cijedi i zatim filtrira (bistri). U ograničenim količinama, mulj se koristi, na primjer, kao dodatak cementu. Ovisno o vrsti boksita, na 1 tonu proizvedene glinice otpada 0,6 - 1,0 tona crvenog mulja (suhi ostatak);

4. Razgradnja otopine aluminata. Filtrira se i pumpa u velike posude s miješalicama (razlagačima). Aluminijev hidroksid Al(OH) 3 ekstrahira se iz prezasićene otopine nakon hlađenja na 60 °C (330 K) i stalnog miješanja. Budući da se ovaj proces odvija sporo i neravnomjerno, a stvaranje i rast kristala aluminijevog hidroksida od velike je važnosti u njegovoj daljnjoj preradi, razlagačima - sjemenkama dodaje se velika količina čvrstog hidroksida:

Na2O Al2O3 + 4H2O→Al(OH)3 + 2NaOH;

5. Dodjela aluminij hidroksida i njegova klasifikacija; to se događa u hidrociklonima i vakuumskim filterima, gdje se iz otopine aluminata odvaja talog koji sadrži 50 - 60% čestica Al(OH) 3 . Značajan dio hidroksida vraća se u proces razgradnje kao sjemenski materijal, koji ostaje u prometu u nepromijenjenim količinama. Ostatak nakon pranja vodom ide na kalcinaciju; filtrat se također vraća u cirkulaciju (nakon koncentriranja u isparivačima - za ispiranje novih boksita);

6. Dehidracija aluminijevog hidroksida (kalcinacija); to je završna operacija proizvodnje glinice; provodi se u cjevastim rotacijskim pećima, a odnedavno iu pećima s turbulentnim kretanjem materijala na temperaturi od 1150 - 1300 °C; sirovi aluminijev hidroksid, koji prolazi kroz rotirajuću peć, suši se i dehidrira; kada se zagrije, uzastopno se događaju sljedeće strukturne transformacije:

Al(OH) 3 → AlOOH → γ-Al 2 O 3 → α-Al 2 O 3

200 °C - 950 °C - 1200 °C.

Konačna kalcinirana glinica sadrži 30 - 50% α-Al2O3 (korund), ostatak je γ-Al 2 O 2 .

Ovom metodom ekstrahira se 85 - 87% sve proizvedene glinice. Dobivena glinica je jak kemijski spoj s točkom taljenja od 2050 °C.

Dobivanje aluminija elektrolizom

Elektrolitička redukcija aluminijevog oksida otopljenog u talini na bazi kriolita provodi se na 950-970 °C u elektrolitičkoj ćeliji. Ćelija se sastoji od kade obložene ugljičnim blokovima, na čije se dno dovodi električna struja. Tekući aluminij koji se oslobađa na dnu koji služi kao katoda teži je od taline soli elektrolita, pa se skuplja na bazi ugljena, odakle se periodično ispumpava (slika 4.). Odozgo su u elektrolit uronjene ugljične anode koje izgaraju u atmosferi kisika oslobođenog iz aluminijevog oksida, oslobađajući ugljični monoksid (CO) ili ugljični dioksid (CO 2). U praksi se koriste dvije vrste anoda:

• samopečene Zederberg anode, koje se sastoje od briketa, tzv. "kruhova" Zederberg mase (ugljen s niskim pepelom s 25 - 35% smole katrana), punjenih u aluminijsku ljusku; pod djelovanjem visoke temperature, anodna masa se peče (sinterira);
• ispaljene ili "kontinuirane" anode izrađene od velikih ugljičnih blokova (na primjer, 1900 × 600 × 500 mm, težine oko 1,1 tona).

Slika 4 - Shema elektrolizera

Jačina struje na elektrolizerima je 150 000 A. U mrežu su spojeni serijski, tj. Dobiva se sustav (serija) - dugačak red elektrolizera.

Radni napon na kadi, koji iznosi 4 - 5 V, puno je veći od napona pri kojem se aluminijev oksid razgrađuje, budući da su gubici napona u raznim dijelovima sustava tijekom rada neizbježni. Bilanca sirovina i energije po primitku 1 tone aluminija prikazana je na slici 5.

Slika 5 - Ravnoteža sirovina i energije u proizvodnji 1 tone aluminija

U reakcijskoj posudi aluminijev oksid se prvo pretvara u aluminijev klorid. Zatim, u dobro izoliranoj kupelji, odvija se elektroliza AlCl 3 , otopljenog u rastaljenim solima KCl, NaCl. Klor koji se oslobađa u ovom procesu se odsisava i dovodi za recikliranje; aluminij se taloži na katodi.

Prednosti ove metode u odnosu na postojeću elektrolizu tekuće kriolit-aluminij taline (Al 2 O 3 , Na 3 AlF 6 otopljen u kriolitu) su: ušteda do 30% energije; mogućnost korištenja aluminijevog oksida, koji nije prikladan za tradicionalnu elektrolizu (na primjer, Al 2 O 3 s visokim udjelom silicija); zamjena skupog kriolita jeftinijim solima; otklanjanje opasnosti od emisije fluorida.

Dobivanje rafiniranog aluminija

Za aluminij elektroliza rafiniranja s razgradnjom vodenih otopina soli nije moguća. Budući da je za neke svrhe stupanj pročišćavanja industrijskog aluminija (Al 99.5 - Al 99.8), dobivenog elektrolizom taline kriolit-aluminij, nedovoljan, još čišći aluminij (Al 99,99 R) dobiva se iz industrijskog aluminija ili metalnog otpada rafiniranjem . Najpoznatija metoda rafiniranja je troslojna elektroliza.

Rafiniranje troslojnom elektrolizom

Obložena čeličnim limom, koja radi na istosmjernu struju (slika 6), kupelj za rafiniranje sastoji se od ognjišta za ugljen sa strujnim vodovima i toplinski izolacijske obloge od magnezita. Za razliku od elektrolize taline kriolit-aluminij, ovdje je anoda u pravilu rastaljeni rafinirani metal (donji anodni sloj). Elektrolit se sastoji od čistih fluorida ili mješavine barijevog klorida i aluminijevih i natrijevih fluorida (srednji sloj). Aluminij koji se otapa iz anodnog sloja u elektrolitu oslobađa se iznad elektrolita (gornji katodni sloj). Čisti metal služi kao katoda. Struja se na katodni sloj dovodi grafitnom elektrodom.

Slika 6 - Shema elektrolitičke ćelije s prednjim ognjištem za rafiniranje aluminija (prema Fuldi - Ginzbergu)

1 - talina aluminija; 2 – elektrolit; 3 - visokofrekventni rafinirani aluminij; 4 – grafitna katoda; 5 - zid od magnezita; 6 - prednji rog; 7 - izolacijski sloj; 8 - bočna izolacija; 9 - ognjište za ugljen; 10 – anodni vodič; 11 - izolacija ognjišta; 12 - željezna kutija; 13 - poklopac

Kupka radi na 750 - 800 ° C, potrošnja energije je 20 kWh po 1 kg čistog aluminija, tj. nešto veća nego kod konvencionalne elektrolize aluminija.

Metal anode sadrži 25–35% Cu; 7 – 12% Zn; 6 – 9% Si; do 5% Fe i mala količina mangana, nikla, olova i kositra, ostatak (40 - 55%) je aluminij. Svi teški metali i silicij ostaju u anodnom sloju tijekom rafiniranja. Prisutnost magnezija u elektrolitu dovodi do nepoželjnih promjena u sastavu elektrolita ili do njegovog snažnog trošenja. Da bi se uklonio magnezij, troske koje sadrže magnezij tretiraju se fluksovima ili plinovitim klorom.

Kao rezultat rafiniranja dobiva se čisti aluminij (99,99%) i proizvodi segregacije (Zigerov proizvod) koji sadrže teške metale i silicij te se izoliraju u obliku alkalne otopine i kristalnog ostatka. Alkalna otopina je otpad, a kruti ostatak se koristi za odkiseljavanje.

Rafinirani aluminij obično ima sljedeći sastav, %: Fe 0,0005 - 0,002; Si 0,002 - 0,005; Cu 0,0005 - 0,002; Zn 0,0005 - 0,002; Mg tragovi; Al odmor.

Rafinirani aluminij prerađuje se u poluproizvod u navedenom sastavu ili legiran magnezijem (tablica 1).

Tablica 1 - Kemijski sastav aluminija visoke čistoće i primarnog aluminija prema DIN 1712, list 1

		Dopuštene nečistoće*, %
			uključujući

* Koliko je to moguće odrediti konvencionalnim metodama istraživanja.

** Čisti aluminij za elektrotehniku ​​(aluminijski vodiči) isporučuje se u obliku primarnog aluminija 99,5 koji ne sadrži više od 0,03% (Ti + Cr + V + Mn); označen u ovom slučaju kao E-A1, materijalni broj 3.0256. Inače je u skladu s VDE-0202.

Rafiniranje organoaluminijevim kompleksnim spojevima i zonsko taljenje

Aluminij višeg stupnja čistoće A1 99,99 R može se dobiti rafiniranjem elektrolize čistog ili komercijalno čistog aluminija korištenjem složenih organoaluminijevih spojeva aluminija kao elektrolita. Elektroliza se odvija na temperaturi od oko 1000°C između čvrstih aluminijskih elektroda i u principu je slična elektrolizi rafiniranja bakra. Priroda elektrolita diktira potrebu za radom bez zraka i pri niskoj gustoći struje.

Ova vrsta rafiniranja elektrolize, koja se isprva koristila samo u laboratorijskim razmjerima, već se provodi u malim industrijskim razmjerima - godišnje se proizvodi nekoliko tona metala. Nominalni stupanj pročišćavanja dobivenog metala je 99,999 -99,9999%. Potencijalna područja primjene metala ove čistoće su kriogena elektrotehnika i elektronika.

Moguće je koristiti razmatranu metodu rafiniranja u galvanizaciji.

Još veća čistoća - nominalno do A1 99,99999 - može se postići naknadnim zonskim taljenjem metala. Prilikom prerade aluminija visoke čistoće u poluproizvod, lim ili žicu, potrebno je, s obzirom na nisku temperaturu rekristalizacije metala, poduzeti posebne mjere opreza. Izvanredno svojstvo rafiniranog metala je njegova visoka električna vodljivost u području kriogenih temperatura.