Хөнгөн цагаан бол дэлхийн царцдасын хамгийн түгээмэл элементүүдийн нэг бөгөөд 7% -иас их хэмжээгээр хүчилтөрөгч, цахиурын дараа гуравдугаарт ордог. Энэ нь бокситоос гаргаж авсан, i.e. оксид хэлбэрээр голчлон тохиолддог тунамал чулуулаг.

Энэхүү металл нь 2 мянга гаруй жилийн турш алдартай бөгөөд техникийн өргөн хэрэглээний онцлогтой. Үүнийг юунд ашиглаж болох вэ?

Аж үйлдвэрт хөнгөн цагааныг голчлон бусад элементүүдтэй хайлш болгон ашигладаг бөгөөд энэ нь түүний гүйцэтгэлийн шинж чанарыг сайжруулдаг. Иймээс энэ нь маш олон талын хэрэглээтэй олон талын бүтцийн материал юм. Хөнгөн цагааны хайлшаас, ялангуяа цутгамал хайлш, хуванцар боловсруулахад ашигладаг хайлшийг ялгаж салгаж болно. Тэдний найрлагад хөнгөн цагаанаас гадна зэс, магни, цахиур, манган зэрэг элементүүд орно. Хөнгөн цагааны хайлшийг ялангуяа нисэх онгоц, химийн үйлдвэр, автомашины үйлдвэрлэл, тэр байтугай усан онгоцны үйлдвэрлэлд ашигладаг.

Хөнгөн цагааныг аж үйлдвэрт цэвэр хэлбэрээр, тухайлбал толь, ундаа, хүнсний лааз, гал тогооны хэрэгсэл, хөнгөн цагаан тугалган цаас гэх мэт төрөл бүрийн гэр ахуйн эд зүйлс үйлдвэрлэхэд өргөн ашигладаг. Мөн химийн тоног төхөөрөмж, цахилгааны утас, тэсрэх бодис хүртэл хийдэг. Энэ элементийг бокситын хүдрээс тусгаарлахын тулд дараалсан хоёр үе шатыг хийх шаардлагатай. Эдгээрийн эхнийх нь ашигт малтмалаас хөнгөн цагааны исэл авах боломжтой Байерын процесс юм. Дараа нь энэ нэгдэл нь электролизэд өртөж, техникийн цэвэр хөнгөн цагаан үүснэ.

Хөнгөн цагааныг юугаар хийдэг вэ?

Цэвэр хөнгөн цагаан нь идэвхгүйжүүлэх чадвартай тул байгалийн жамаар үүсдэггүй. Энэ үзэгдэл нь металыг агаарт исэлдүүлэхээс бүрддэг бөгөөд үүний үр дүнд түүний гадаргуу дээр идэвхгүй хамгаалалтын давхарга үүсдэг. Хөнгөн цагаан нь хэд хэдэн нм хүртэл зузаантай хөнгөн цагаан исэл (Al 2 O 3) давхаргаар хучигдсан байдаг. Дараа нь чийгийн нөлөөн дор гаднах давхарга нь хэсэгчилсэн гидролизд ордог бөгөөд үүний үр дүнд нэмэлт гидроксид үүсдэг, өөрөөр хэлбэл. Al(OH)3.

Хөнгөн цагаан нь байгальд хүдэр хэлбэрээр олддог төрөл бүрийн эрдсийн чулуулгийн бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Цэвэр хөнгөн цагаан үйлдвэрлэхэд шавар бокситын хүдрийг голчлон ашигладаг. Энэ нь голчлон халуун уур амьсгалтай алюминосиликат чулуулгийн өгөршлийн газарт үүсдэг ба төмрийн нэгдлүүдийг агуулдаг. Энэ бол силикат ба карбонат гэсэн хоёр хэлбэрээр байдаг улаан эсвэл хүрэн өнгөтэй чулуулаг юм.

Аж үйлдвэрийн хөнгөн цагааны үйлдвэрлэл

Техникийн цэвэр хөнгөн цагааныг (99% -иас дээш) хоёр дараалсан процессын үр дүнд үйлдвэрлэлийн аргаар олж авдаг. Эхнийх нь үр дүнд хөнгөн цагаан исэл (Байер процесс), дараагийн шатанд электролитийн бууралтын процесс (Héroult-Hall электролиз) явагддаг бөгөөд үүний үр дүнд цэвэр хөнгөн цагаан гаргаж авдаг. Бокситын хүдрийг тээвэрлэхтэй холбоотой зардлыг бууруулахын тулд ихэнх боловсруулах үйлдвэрүүдийг уурхайнуудын ойролцоо байгуулдаг.

Байерын үйл явц

Хүдрийг олборлосны дараах эхний алхам бол усаар угаах явдал юм. Тиймээс усанд уусдаг ихэнх бохирдуулагч бодисууд арилдаг. Дараа нь усаар боловсруулсан түүхий эдэд CaO нэмнэ, өөрөөр хэлбэл. кальцийн исэл. Үүний дараа маш бага диаметртэй үр тариа авах хүртэл тусгай хоолойн тээрэм ашиглан бутлана. 300 микроноос бага. Түүхий эдийг зохих ёсоор нунтаглах нь маш чухал бөгөөд энэ нь үр тарианы гадаргуугийн том талбайг бүрдүүлдэг бөгөөд энэ нь олборлох үйл явцын үр ашигт нөлөөлдөг.

Хөнгөн цагааны исэл үйлдвэрлэх дараагийн алхам бол идэмхий натри усан уусмалаар үр тариаг уусгах явдал юм. PCC группт натрийн гидроксидыг мембран электролизээр үйлдвэрлэдэг. Ийм аргаар олж авсан бүтээгдэхүүн нь маш өндөр чанартай, цэвэр ариун бөгөөд Европын фармакопейн хамгийн сүүлийн үеийн хэвлэлд тавигдах шаардлагыг хангасан байдаг. Нунтагласан үр тариа агуулсан хольц нь автоклав гэж нэрлэгддэг тусгай реакторуудад хэдэн цагийн турш хадгалагддаг. Үргэлжилсэн тунадасжилтын явцад реакторуудад өндөр даралт, өндөр температурыг хадгалж байдаг. Тиймээс натрийн алюминатыг олж авдаг бөгөөд дараа нь янз бүрийн шүүлтүүр ашиглан цэвэршүүлдэг.

Дараагийн шатанд цэвэршүүлсэн натрийн алюминатын уусмалыг задалдаг. Үр дүн нь (өөрөөр хэлбэл идэмхий натрийн усан уусмал) ба өндөр цэвэршилттэй хөнгөн цагаан гидроксидын талстууд юм. Талсжилтын үр дүнд үүссэн тунадасыг шүүж, усаар угаана. Үлдсэн содны шингэнийг халааж, дахин ашиглах процесс руу буцаана.

Цэвэр хөнгөн цагааны исэл үйлдвэрлэх сүүлчийн алхам бол шохойжуулах явдал юм. Энэ нь хөнгөн цагааны гидроксидыг 1000 хэмээс дээш температурт халаахаас бүрддэг бөгөөд үүний үр дүнд цэвэр цагаан нунтаг хэлбэрээр олж авсан Al 2 O 3 болж задардаг. Ийнхүү бэлтгэсэн хөнгөн цагааны ислийг электролитийн бууралтын явцад металл хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх зууханд тээвэрлэдэг.

Хөнгөн цагааны ислийн электролиз

Цэвэр хөнгөн цагааныг олж авах дараагийн алхам бол Холл-Хероултын аргаар электролиз хийх процесс юм. Юуны өмнө, Байерын процессоор олж авсан Al 2 O 3-ийг криолитоор хайлуулж, бэлтгэсэн уусмалыг 900 o C-ээс ихгүй температурт электролизийн процесст оруулна. Ийнхүү олж авсан шингэн хөнгөн цагааныг электролитээс салгаж, зайлуулна. гэж нэрлэгддэг электролитийн баннуудаас . вакуум сифон. Дараа нь түүхий эд нь цутгах төхөөрөмжид орж, дараагийн шатанд түүнийг боловсруулах процесс явагддаг халуун зууханд хийнэ. Энэ нь хамгийн их цэвэршилтийг хангахын тулд хөнгөн цагааныг цэвэрлэхээс бүрдэнэ. Үйлдвэрлэлийн нөхцөлд хөнгөн цагааныг хоёр аргаар цэвэрлэж болно. Эдгээрийн эхнийх нь хөнгөн цагааныг хайлуулж, хлорыг түүгээр дамжуулж, улмаар хольцууд холбогдож, хлорид үүсгэж, дараа нь процессоос зайлуулдаг. Хоёрдахь арга бол хайлсан хөнгөн цагааныг зэсээр электролитийн аргаар ангижруулах явдал юм. Ийнхүү олж авсан эцсийн бүтээгдэхүүн нь маш өндөр цэвэршилтээр тодорхойлогддог.

Хөнгөн цагаан бол ирээдүйн материал юм

Байерын процесс ба Хол-Хероултын электролиз ашиглан бокситоос цэвэр хөнгөн цагаан гаргаж авах аргыг боловсруулсан нь энэ элементийн хүрээг өргөжүүлсэн. Нэмж дурдахад өндөр бат бэхийг хөнгөнтэй хослуулсан нь зарим тохиолдолд хөнгөн цагааныг илүү үнэтэй гангаар солих боломжтой болсон. Агаар мандлын хүчин зүйлийн эсэргүүцэл нь цонх, хаалганы профайлыг үйлдвэрлэхэд хөнгөн цагааныг ашиглах боломжтой болсон. Хөнгөн цагааны өөр нэг давуу тал нь түүнийг олон удаа дахин боловсруулах чадвар нь байгаль орчинд ээлтэй материал болгодог.

Дүгнэж хэлэхэд хөнгөн цагаан бол хүнс, эрчим хүч, хими, тээвэр, барилга, автомашин, нисэхийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг олон талын материал юм. Түүний олон давуу талыг харгалзан энэ нь түүний хэрэглээний боломжуудын хязгаар биш бөгөөд ойрын ирээдүйд алдартай хэвээр байх болно.

ОХУ-ын Боловсрол, шинжлэх ухааны яам

Холбооны боловсролын агентлаг

Магнитогорскийн улсын техникийн их сургууль

тэд. Носова

Хар төмөрлөгийн тэнхим

"Металлургийн түүх" хичээлийн хураангуй

МЕТАЛЛУРГИЙН ХӨНГӨНЦ

тайлбар

"Хөнгөн цагааны металлурги" сэдвийг авч үзэж, энэ металлын үндсэн шинж чанарыг тайлбарласан болно. Хөнгөн цагааны нээлтийн түүх, түүнийг үйлдвэрлэх боломжит арга замууд, янз бүрийн салбарт ашиглах талаар товч тайлбарлав.

Танилцуулга

1. Хөнгөн цагааны шинж чанар

2. Хөнгөн цагааны хэрэглээ

3. Түүхий эд

4. Хөнгөн цагааны ислийн үйлдвэрлэл

5. Хөнгөн цагааны электролитийн үйлдвэрлэл

6. Хөнгөн цагааныг цэвэршүүлэх

Дүгнэлт

Ашигласан уран зохиолын жагсаалт

Танилцуулга

"Металлурги" гэдэг үг нь Грекээс гаралтай.

metalleuо - Би ухдаг, би газраас олборлодог;

metallurgeo - Би хүдэр олборлож, металл боловсруулдаг;

металлон - уурхай, металл.

Энэ үг нь гүнээс олборлосон хүдрийг боловсруулах, металл, хайлш гаргаж авах, түүнд тодорхой шинж чанар олгох үйл ажиллагааг хамарсан шинжлэх ухаан, технологийн салбарыг хэлнэ.

Эрт дээр үед, Дундад зууны үед болон харьцангуй саяхан М.В.Ломоносовын үе хүртэл 7 металл (алт, мөнгө, зэс, цагаан тугалга, хар тугалга, төмөр, мөнгөн ус) байдаг гэж үздэг.

1814 онд Шведийн химич Ж.Берзелиус ховор тохиолдлуудыг эс тооцвол дэлхий даяар хэрэглэдэг цагаан толгойн үсгийг ашиглахыг санал болгов.

Өнөөдөр шинжлэх ухаанд 80 гаруй металл мэдэгдэж байгаа бөгөөд тэдгээрийн ихэнх нь технологид ашиглагддаг.

Дэлхийн практикт металыг хар (төмөр ба түүн дээр суурилсан хайлш) болон бусад бүх зүйл - өнгөт (өнгөт металл, англи; Nichtei-senmetalle, герман) эсвэл өнгөт металл гэж хуваадаг. Төмөрлөгийг ихэвчлэн хар ба өнгөт гэж хуваадаг. Одоогийн байдлаар дэлхийн нийт металлын бүтээгдэхүүний 95 орчим хувийг хар металл эзэлж байна.

Технологийн хувьд өнгөт металлыг "хөнгөн" (хөнгөн цагаан, магни), "хүнд" (зэс, хар тугалга гэх мэт), галд тэсвэртэй (волфрам, молибден гэх мэт) гэж ангилдаг болзолт ангиллыг мөн баталсан. , язгууртнууд (алт, цагаан алт гэх мэт), ховор металлууд.

Хар ба өнгөт металлыг ашиглан үйлдвэрлэсэн бүтээгдэхүүний эзлэх хувь одоогийн байдлаар улсын үндэсний нийт бүтээгдэхүүний 72-74 хувийг эзэлж байна. XXI зуунд металууд гэж маргаж болно. Тэдгээрийн шинж чанар, үйлдвэрлэлийн үр ашиг, хэрэглээ нь хэрэглээний ихэнх хэсэгт харьцуулшгүй тул үндсэн бүтцийн материал хэвээр байх болно.

Хэрэглэсэн ~800 сая тонн металлын ~750 сая тонн нь ган, 20-22 сая тонн нь хөнгөн цагаан, 8-10 сая тонн нь зэс, 5-6 сая тонн нь цайр, 4-5 сая тонн нь хар тугалга (үлдсэн хэсэг нь) байна. -< 1 млн. т).

Орчин үеийн технологийн хувьд хамгийн үнэ цэнэтэй, чухал металлуудаас цөөхөн хэд нь дэлхийн царцдасаас их хэмжээгээр олддог: хөнгөн цагаан (8.8%), төмөр (4.65%), магни (2.1%), титан (0.63%).

Хөнгөн металлын хүдрийн ордуудад ихэвчлэн хөнгөн цагаан агуулсан хүдэр орно; хөнгөн цагааны гол нийлүүлэгч нь боксит, түүнчлэн алунит, нефелин, төрөл бүрийн шавар юм. Өнгөт металлын хүдрийн ордуудад зэс, хар тугалга, цайр, кобальт, никель, сурьма зэрэг ордууд орно. Тэдгээрийн хамгийн том металлын нөөц нь хэдэн арван сая тонноос хэдэн зуун сая тонн хүрдэг бөгөөд хүдэр дэх металлын ердийн агууламж хэдхэн хувь байдаг.

Олборлосон материалын масс нь хүдэрт агуулагдах металлын хэмжээнээс хэд дахин их байдаг бөгөөд дийлэнх тохиолдолд байгалийн хүдрээс ашигтай бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг шууд гаргаж авах нь эдийн засгийн хувьд ашиггүй байдаг.

Археологийн малтлагаас харахад хүний ​​металлтай танилцах үе нь биднээс маш алс холын цаг үеэс эхтэй болохыг харуулж байна. Анхны хүрэл эдлэлийг МЭӨ 3000 онд зэс, цагаан тугалганы хүдрийг нүүрсээр хайлуулах замаар олж авсан гэж үздэг. Хожим нь зэсэнд цагаан тугалга болон бусад металл (хөнгөнцагаан, бериллий, цахиурын никель гэх мэт) нэмж хүрэл үйлдвэрлэж эхэлсэн. Одоогийн байдлаар төмөр, манган, никель нэмсэн хөнгөн цагаан хүрэл (5-12% Al) хамгийн түгээмэл байдаг.

Одоогийн байдлаар металлургийн үйлдвэрлэл нь үндэсний эдийн засгийн тэргүүлэх салбаруудын нэг юм.

1. Хөнгөн цагааны шинж чанар

Хөнгөн цагааныг анх 1825 онд Данийн физикч Х.Оерстед гаргаж авчээ.Энэ элементийн нэр нь латин алюменаас гаралтай, учир нь эртний үед хөнгөн цагааныг даавууг будахад ашигладаг байсан.

Хөнгөн цагаан нь олон үнэ цэнэтэй шинж чанартай байдаг: бага нягтралтай - ойролцоогоор 2.7 г / см 3, өндөр дулаан дамжуулалт - 300 орчим Вт / (м. К) ба 13.8 цахилгаан дамжуулах өндөр. 10 7 Ом/м, уян хатан чанар сайтай, механик хүч чадал хангалттай.

Хөнгөн цагаан нь олон элемент бүхий хайлш үүсгэдэг. Хайлсан төлөвт хөнгөн цагаан нь шингэн бөгөөд хэвийг сайн дүүргэдэг, хатуу төлөвт энэ нь маш сайн гажигтай бөгөөд амархан зүсэж, гагнах, гагнах боломжтой.

Хүчилтөрөгчтэй хөнгөн цагааны хамаарал маш өндөр байдаг. Исэлдэх явцад их хэмжээний дулаан ялгардаг (~ 1670000 Ж / моль). Нарийн нунтагласан хөнгөн цагаан нь халах үед гал авалцаж, агаарт шатдаг. Хөнгөн цагаан нь агаар болон агаар мандлын нөхцөлд хүчилтөрөгчтэй нийлдэг. Энэ тохиолдолд хөнгөн цагаан нь хөнгөн цагаан ислийн нимгэн (~ 0.0002 мм зузаантай) өтгөн хальсаар хучигдсан байдаг бөгөөд энэ нь цаашдын исэлдэлтээс хамгаалдаг; тиймээс хөнгөн цагаан нь зэврэлтэнд тэсвэртэй. Хөнгөн цагааны худгийн гадаргуу нь хайлсан төлөвт ч гэсэн энэ хальсыг исэлдүүлэхээс хамгаалдаг.

Хөнгөн цагааны хайлшаас дуралюминий ба силумин нь хамгийн чухал ач холбогдолтой юм.

Хөнгөн цагаанаас гадна дуралюминий найрлагад 3.4-4% Cu, 0.5% Mn, 0.5% Mg, 0.8% -иас ихгүй Fe, 0.8% Si агуулагдахыг зөвшөөрдөг. Duralumin нь гажигтай, механик шинж чанараараа зарим төрлийн гантай ойролцоо байдаг ч гангаас 2.7 дахин хөнгөн байдаг (дуралюминий нягт нь 2.85 г / см 3).

Энэ хайлшийн механик шинж чанар нь дулааны боловсруулалт, хүйтэн хэв гажилтын дараа нэмэгддэг. Суналтын бат бэх 147-216 МПа-аас 353-412 МПа, Бринеллийн хатуулаг 490-588-аас 880-980 МПа хүртэл нэмэгддэг. Энэ тохиолдолд хайлшийн харьцангуй суналт бараг өөрчлөгддөггүй бөгөөд нэлээд өндөр (18-24%) хэвээр байна.

Силуминууд нь хөнгөн цагааны цахиуртай цутгамал хайлш юм. Тэд сайн цутгах чанар, механик шинж чанартай байдаг.

Хөнгөн цагааны металлургийн түүхэнд энэ металлыг олж авахад ашигласан тодорхой аргуудаар тодорхойлогддог гурван үеийг ялгах боломжтой! Эдгээр хугацаа нь: 1) химийн аргаар хөнгөн цагаан авах, 2) цахилгаан дулааны аргаар хөнгөнцагаан авах, 3) хайлсан давсны электролизээр хөнгөн цагаан авах.

Хөнгөн цагааны нээлт, түүнийг химийн аргаар үйлдвэрлэх

Хөнгөн цагааныг чөлөөт төлөвт тусгаарлах анхны оролдлого нь 1807 оноос эхэлсэн бөгөөд Английн нэрт химич Хамфри Дэви (1778-1629)-д харьяалагддаг. Тэр болтол сүүлийнх нь хайлсан идэмхий шүлтийн электролизээр металл кали, натри олж авч чадсан юм. Дэви вольтийн баганыг одоогийн эх үүсвэр болгон ашигласан. Ж

Хөнгөн цагааныг тусгаарлахын тулд Дэви хөнгөн цагааны ислийг ижил аргаар задлахыг оролдсон. Үүнийг хийхийн тулд бага зэрэг чийгшүүлсэн хөнгөн цагааны гидроксид, устөрөгчийн агаар мандалд цахилгаан гүйдэл дамжуулсан. Энэ тохиолдолд цагаан алтны хавтан нь анод болж, дээр нь нягт дарагдсан хөнгөн цагааны гидроксид байрлуулсан бөгөөд дотор нь дүрсэн төмөр утас нь катодын үүрэг гүйцэтгэсэн. Гүйдэл өнгөрөхөд сүүлийнх нь цагаан халуун болж, хайлсан.

Ийм байдлаар Дэви зөвхөн төмөр хөнгөн цагааны хайлшийг олж авсан бөгөөд үүнээс чөлөөт хөнгөн цагааныг тусгаарлаж чадахгүй байв. Үүний нэгэн адил төмрийн үртэс байгаа нөхцөлд хөнгөн цагааны ислийг калийн уураар бууруулах Дэвигийн туршилтууд амжилтгүй болсон.

Зураг 1 Сент-Клэр-Девилийн аргаар хөнгөн цагааныг олж авах. Парисын бүс дэх анхны семинар

Үүссэн төмөр, хөнгөн цагааны хайлшаас Дэви сүүлийнхийг нь цэвэр хэлбэрээр нь тусгаарлаж чадаагүй юм.

Гэсэн хэдий ч энэ бүхэн Дэвид хөнгөн цагааны исэл нь хөнгөн цагаан (хөнгөн цагаан) гэсэн нэр томъёог англиар хөнгөн цагааны исэл буюу хөнгөн цагааны исэл гэж нэрлэж байсан гэх металлын химийн дериватив гэдэгт итгэлтэй байхад саад болоогүй юм.

Чөлөөт хөнгөн цагааныг анх Данийн физикч Ханс Эрстед (1777-1851) 1825 оны 3-р сард ялгаж авчээ.Үүний тулд Эрстед хөнгөн цагааны хлоридыг (мөн анх удаа олж авсан) "калийн амальгам"-аар багасгаж хөнгөн цагааны амальгам гаргаж авсан. Үүссэн хөнгөн цагааны амальгамаас мөнгөн усыг агаарт нэвтрүүлэхгүйгээр нэрж, Оерстед ийм байдлаар цагаан тугалга шиг өнгө, гялбаатай төстэй "шавараас металл" гэсэн жижиг хэсгүүдийг гаргаж авсан.

Хожим нь 1827 онд Германы химич Фридрих Ведер (1800-1882) калийн амальгамыг калийн металлаар орлуулж Oersted-ийн аргыг сайжруулсан. Велер хэд хэдэн ширхэг металл калийг шаазан эсвэл цагаан алтаар хийсэн тигелд хийж, дээр нь хөнгөн цагаан хлоридын талстаар бүрж, шатаагч дээр таглаатай таглаатай тигелийг сайтар халаав. Урвалын үр дүнд олж авсан саарал хар хайлсан массыг хөргөсний дараа усаар уусгана; хатуу үлдэгдэл нь хөнгөн цагаан нунтаг байв. Кали ба хөнгөн цагаан хлоридын шууд хайлуулах явцад харилцан үйлчлэл нь маш хүчтэй явагдсан тул 1845 онд Вёлер өөрийн аргачлалын өөрчилсөн хувилбарыг хэрэглэж, эдгээр бодисыг тусад нь халааж, хөнгөн цагаан хлоридын уурыг калигаар дамжуулж байжээ. Энэ аргыг хэрэглэж байна. Велер хөнгөн цагааныг хамгийн чухал физик, химийн шинж чанарыг тодорхойлоход хангалттай хэмжээгээр авсан.

1864 онд Францад Анри Сен-Клэр-Девиль (1818-1881) хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн анхны аргад Вёлерийн аргыг хэрэглэж, цаашдын сайжруулалтыг хийжээ: Сент-Клэр-Девиль металл калийг хямд натриар сольж, мөн тогтворгүй, өндөр гигроскопийн хөнгөн цагаан хлорид - хөнгөн цагаан, натрийн илүү бат бөх давхар хлорид (ALCLz No. CL). Давхар хлоридын натритай задралыг аажмаар нэмэгдэж буй температурт дөлний зууханд хийсэн. Уг процесс нь цэвэр хөнгөн цагаан хлоридыг хүчтэй бууруулах урвалаас ялгаатай нь маш тайван явагдсан. Багассан хөнгөн цагааныг зуухны ёроолд цуглуулж, дараа нь төмрийн хэвэнд цутгасан ембүү (Зураг 1). Сент-Клэйр-Девилийн аргын дагуу энэхүү химийн процесс гэж нэрлэгддэг хөнгөн цагааны үйлдвэрлэл 1854-1890 он хүртэл оршин байсан. Гэсэн хэдий ч үед. 30 жилийн хугацаанд химийн аргын тусламжтайгаар нийтдээ 200 орчим тонн хөнгөн цагаан гаргаж авсан байна. Өнгөрсөн зууны 80-аад оны сүүлээр химийн аргыг электролитийн аргаар сольсон нь хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн өртгийг эрс бууруулж, хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийг эрчимтэй хөгжүүлэх боломжийг бүрдүүлсэн.

Хөнгөн цагааны хайлшийг цахилгаан дулааны аргаар олж авсан түүх

Хөнгөн цагааны металлургийн түүхэнд ахын ажил . Хөнгөн цагааны хайлшийг цахилгаан дулаанаар үйлдвэрлэх тухай Каулес, (өнгөрсөн үеийн төгсгөлтэй холбоотой (Зууны жилүүд. Хөнгөн цагааныг нүүрстөрөгчөөр багасгаж, цэвэр, карбидгүй, хөнгөн цагааныг олж авах хэд хэдэн амжилтгүй оролдлого хийсний дараа Каулес энэ процессыг явуулах шаардлагатай болсон. бусад, бага урвалд ордог металлууд байгаа үед Үүний үр дүнд тэдгээр нь зэс, төмөр - хөнгөн цагаан хүрэл, феррохөнгөн цагаан бүхий хөнгөн цагаан хайлшийг цахилгаан дулаанаар үйлдвэрлэх үйлдвэрлэлийн аргыг боловсруулсан.

Эдгээр хайлшийг олж авахын тулд br. Каулес 5000-6000 а ба 60 б-ийн нуман зуухыг ашигласан (Зураг 2). Хөнгөн цагааны исэл, нүүрс, металл хаягдал (төмөр эсвэл зэс) холилдон зууханд оруулав. Хөнгөн цагаан хүрэлийг 17% хүртэл Al, 20% хүртэл феррохөнгөнцагааны агууламжтай гаргаж авсан. Хайлш дахь 1 кг хөнгөн цагаанд дунджаар 37 кВт.ц цахилгаан зарцуулсан.

Зураг. 2. Цахилгаан нуман зуух br. Каулес

Аргын дагуу br. Англи, АНУ-ын Каулес хотод 1884-1892 онд зах зээлд хайлш үйлдвэрлэдэг үйлдвэрүүд ажиллаж байжээ. Гэсэн хэдий ч энэ хэлбэрээр хөнгөн цагааны хайлш үйлдвэрлэх цахилгаан дулааны арга нь хямд электролитийн аргатай өрсөлдөх боломжгүй юм.

Зөвхөн одоогийн байдлаар хөнгөн цагааны хайлш, ялангуяа цахиуртай цахилгаан дулааны үйлдвэрлэл нь хөнгөн цагааны металлургийн онцгой чиглэлүүдийн нэг болж дахин мэдэгдэхүйц хөгжлийг олж авав.

Хайлсан давсны электролизийн аргаар хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн түүх

1852 онд Роберт Бунане (1811-1899) хайлсан магнийн хлоридын электролизээр магнийн металл гаргаж авсан. Судалгаагаа үргэлжлүүлэн Бунсен металл α-хөнгөн цагааныг тусгаарлахын тулд ижил аргыг ашигласан. Сүүлийнхийг 1854 онд хайлсан давхар хөнгөн цагаан хлорид ба натрийн электролизээр олж авсан.

Сент-Клэр-Девиль Бунсенээс хараат бус судалгаа хийж байхдаа давхар хөнгөн цагаан хлорид, натрийн электролизээр металл хөнгөн цагаан гаргаж авсан. 1854 оны 3-р сард Сент-Клэр-Девиль Францын Шинжлэх Ухааны Академид туршилтынхаа тайлбарын хамт электролитийн аргаар тусгаарласан хөнгөн цагааны жижиг үрэлийг танилцуулав. Мөн оны 7-р сарын 9-нд Бунсен Поггендорфс Аннален сэтгүүлд ажлынхаа үр дүнг нийтлэв.

Бунсен, Сент-Клэйр-Девиль нарын туршилтууд тухайн үед их хэмжээний цахилгаан эрчим хүч авах боломжгүй байсан тул лабораториос гадуур явсангүй.

"Хайлсан давсны электролизийн аргаар хөнгөн цагааныг" олж авах зарчмыг үйлдвэрлэлийн аргаар олж авах хүртэл 30 гаруй жил зарцуулагдсан! болон.

Электролитийн аргыг хөгжүүлэх хүчтэй түлхэц болсон "1867 онд Бр. Динамо Грам.

Металл хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх орчин үеийн электролитийн аргыг үндэслэгч нь 1886 оны 4-р сарын 23-нд АНУ-д Фракц болон Чарльз Холл (1863-1914) хотод Пол Херу (1863-1914) нар юм. Хэро болон мөн оны 7-р сарын 9, Холл хайлсан криолитэд ууссан хөнгөн цагааны ислийн хөнгөн цагааны электролизийг үйлдвэрлэх аргын бараг ижил төстэй патентыг зарлав.

Үнэндээ эдгээр огноог орчин үеийн дэлхийн хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн хөгжлийн эхлэл, нэгэн зэрэг хөнгөн цагааны өргөн хэрэглээний эхлэл гэж үзэх ёстой. Eroult болон Hall патентууд гарч ирэхээс өмнө хайлсан хөнгөн цагааны давсны электролизийн асуудлаар маш их ажилласан олон тооны судлаачдын олж авсан чухал ач холбогдолтой практик болон онолын материал хуримтлагдаж байсныг тэмдэглэх нь зүйтэй. ,

Эру, Холл хоёрын үүрэг нь тэдний нээлтийн тухай мэдээ биш, харин "аль хэдийн мэдэгдэж байсан заалтуудыг амжилттай хослуулж, тэдгээрийг үйлдвэрлэлийн зориулалтаар ашиглахад тохиромжтой арга болгон албан ёсны болгосон юм.

Хероу Парисын Уул уурхайн сургуулийн оюутан байхдаа аль хэдийн 1888 онд хөнгөн цагаан олж авах электролитийн аргыг сонирхож байжээ. Энэ нь түүний тэмдэглэлийн дэвтэрт энэ оны огноотой электролизийн ноорогоос нотлогдож байна (Зураг 3). Энэхүү ноорог нь Хероултын анхны патентын ноорогтой маш ойрхон байгаа нь маш чухал юм.<см. фиг. 4). *

Херугийн хөнгөн цагааны сонирхол нь аавыгаа нас барсны дараа Парисын ойролцоох Жентиллид жижиг арьс ширний цех өвлөн авснаар бодит эргэлт болсон. Тус цех нь уурын машинаар тоноглогдсон бөгөөд Грамма динамо авсны дараа Эру төрөл бүрийн хөнгөн цагааны нэгдлүүдийн электролизийг туршиж үзэх боломжтой болсон.

Зураг. 3. Эрүгийн сургуулийн дэвтэрт электролизерийн ноорог

Хөнгөн цагааныг электролизээр гаргаж авах боломжтой гэдэгт итгэлтэй байсан Эру усан уусмалаар олон удаа бүтэлгүйтсэний дараа хайлсан криолит ба түүний хөнгөн цагаан хлоридтой холилдсон электролиз рүү шилжсэн. Эдгээр туршилтуудын нэгний үеэр судлаач нүүрстөрөгчийн анод дээр шатаж буй тодорхой шинж тэмдгүүдийг олж, электролитэд исэл байгаа бөгөөд түүний бууралт нь анодын материалын зарцуулалтаас үүдэлтэй гэж дүгнэжээ.

Химийн шинжилгээгээр судлаач хлоридын гидролизийн аргаар гаргаж авсан хайлсан криолитэд хөнгөн цагааны хлоридын оронд хөнгөн цагааны исэл нэвтрүүлсэн болохыг харуулсан. Одоо хөнгөнцагааны ислийг зориудаар криолит болгон оруулсны дараа Eru ‘i puk-. тэр цагаас хойш хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлд ашиглагдаж ирсэн процессыг нээхэд хүргэсэн.

Эдгээр туршилтуудын үндсэн дээр Херу 1886 оны 4-р сарын 23-нд анхны патентаа өгсөн. Энэхүү патент нь үйл явцын мөн чанарыг маш тодорхой томъёолсон бөгөөд энэ нь өнөөг хүртэл хүчинтэй хэвээр байна.

Зураг. 4. Héroult-ийн анхны патентаас авсан электролизерын ноорог

"Би хайлсан криолитэд ууссан хөнгөн цагааны ислийн электролизээс бүрдэх, гүйдэл нь нүүрстөрөгчийн анод гэх мэт ямар ч электродоор хангагдсан хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх аргыг шинээр бүтээсэн гэж би баталж байна. хайлсан электролит, харин каяк Электролитийн сав нь өөрөө катодын үүрэг гүйцэтгэдэг. Энэ тохиолдолд анодыг ялгаруулж буй хүчилтөрөгчөөр шатааж, металлыг тигелийн ёроолд цуглуулдаг. Энэ процесст криолит хэрэглэдэггүй бөгөөд металыг тасралтгүй ялгаруулахын тулд электролизийн явцад задарч буй хөнгөн цагааны ислийг орлуулахад хангалттай.

Зураг. 5. Héroult-ийн нэмэлт патентаас авсан электролизерын тойм зураг

Электролизерийн хувьд Эру нүүрстөрөгчийн шилийг ашигласан бөгөөд үүнийг том бал чулууны тигелд оруулсан байна. Бүхэл бүтэн аппаратыг коксын зууханд хийсэн. Зураг дээр. 4 нь Хероултын анхны патентаас авсан электролизерийн ноорог юм. Гэсэн хэдий ч эхэндээ патентынхаа практик хэрэглээг олж чадаагүй тул Эру хөнгөн цагааны хайлш үйлдвэрлэх аргыг боловсруулж, нэг жилийн дараа хөнгөн цагаан хүрэл үйлдвэрлэх нэмэлт патентыг электролитийн аргаар гаргажээ. Үүнийг хийхийн тулд зохих хэмжээний металл зэсийг электролизерт оруулна. Мөн патент нь хөнгөн цагааны исэл ба хүнд металлын ислийг нэгэн зэрэг электролиз хийх боломжийг харуулж байна. Héroult-ийн нэмэлт патентаас авсан ноорогоос (Зураг 5) харж байгаагаар эсийн гаднах халаалт огт байхгүй бөгөөд тайлбарт "цахилгаан гүйдэл нь хөнгөн цагааны ислийг хайлсан хэлбэрээр хадгалахад хангалттай дулааныг үүсгэдэг. төр."

Херу Францад шинэ бүтээлээ хэрэгжүүлж чадаагүй бөгөөд 1888 оны сүүлээр нээгдсэн Нейхаузен дахь үйлдвэрт Швейцарьт хийсэн. Энэ үйлдвэр нь Европ дахь электролитийн аргаар ажилладаг хөнгөн цагааны анхны үйлдвэр байв. Эхэндээ тус үйлдвэр Хероултын нэмэлт патентын үндсэн дээр хөнгөн цагаан хүрэл үйлдвэрлэж байжээ. Удалгүй (1891). Гэсэн хэдий ч Нойхаузены үйлдвэр цэвэр хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлд шилжсэн.

Холл, Мак, Эру нар коллежийн оюутан байхдаа хөнгөн цагааныг олж авах асуудлыг сонирхож, энэ металлыг үйлдвэрлэх хамгийн хэмнэлттэй арга замыг олохын тулд туршилт хийжээ. Судалгааны явцад Холл эхэндээ цэвэр эмпирик замаар явсан. Тэрээр дулааны бууралтын аргыг хэрэглэхийг оролдсон бөгөөд дараа нь хөнгөн цагааны давсны усан уусмалын электролиз рүү шилжиж, усан бус орчинд электролиз рүү шилжих шаардлагатай гэдэгт итгэлтэй болж, эцэст нь хөнгөн цагааны ислийг уусгагч хайж эхлэв. Үүний тулд Холл янз бүрийн фторын давсыг туршиж үзсэн. 1886 оны 2-р сард тэрээр криолитыг туршиж үзээд хөнгөн цагааны исэл нь маш амархан уусдаг болохыг олж мэдсэн бөгөөд энэ нь хайлсан давсанд хурдан алга болж, "буцалж буй усанд элсэн чихэр эсвэл давс шиг" уусдаг.

1886 оны 2-р сарын 23-нд Холл хайлсан криолит дахь хөнгөн цагааны ислийн уусмалыг электролиз хийж, хөнгөн цагаан гаргаж авсан. 1886 оны 7-р сарын 9-нд тэрээр 1889 оны 4-р сарын 2-нд түүнд олгосон "мастер патент"-аа авах хүсэлт гаргасан.

1888 онд Питтсбургийн ойролцоох Кенсингтонд (АНУ) Холл электролитийн аргаар өдөрт 50 фунт (28.65 кг) металл үйлдвэрлэж АНУ-д хөнгөн цагааны анхны үйлдвэрлэл эхэлсэн (Зураг 6). 1894 оноос хойш Ниагара хүрхрээний энергийг энэ үйлдвэрлэлд ашигласан.

Зураг. 6. аргаар хөнгөн цагааны анхны үйлдвэрлэл Питтсбург дахь танхим

Эру, Холл нарын арга гарч ирснээс хойш орчин үеийн хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн хөгжил үнэхээр эхэлсэн бөгөөд энэ нь оршин тогтносноос хойш хагас зуун жилийн хугацаанд дэлхийн эдийн засгийн хамгийн том салбаруудын нэг болсон юм.

Дэлхийн зах зээл дээрх хөнгөн цагааны үнийн хөдөлгөөн маш тод харагдаж байна. 30 жилийн турш хөнгөн цагааныг химийн аргаар олж авч байхад үнэ нь ойролцоогоор 45 рубль байв. килограмм тутамд. 1890 оноос хойш электролитийн аргыг бусад бүх аргыг орлож байх үед хөнгөн цагааны үнэ ховор буурч, дараагийн жилүүдэд дунджаар 1 рубль байв. килограмм тутамд.

Манай улсад хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийг зохион байгуулах анхны оролдлогууд нь өнгөрсөн зууны 80-аад оны үед буюу Москвагийн ойролцоох үед олж авсан. Хөнгөн цагааныг химийн аргаар үйлдвэрлэхийн тулд жижиг үйлдвэр баригдсан боловч 1892-1893 он хүртэл маш богино хугацаанд оршин тогтнож байсан).

Энэ зууны эхээр проф. Федотьев (1864-1934) болон Оросын бусад эрдэмтэд хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн орчин үеийн аргыг судлах чиглэлээр олон тооны онолын судалгаа хийсэн нь дэлхий даяар алдар нэр хүндтэй болсон. Гэвч Октябрийн Социалист хувьсгалын дараа л манай улсад хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийг зохион байгуулах, хөгжүүлэх нөхцөл бүрдсэн.

Хөнгөн цагааныг ихээхэн хэмжээгээр олж авах анхны туршилтыг 1929 онд Ленинградын Бүс нутгийн Ардын аж ахуйн зөвлөлийн санаачилгаар Красный Выборжец (Ленинград) үйлдвэрт проф. Федотьев П.П. 1930 онд Ленинградад хөнгөн цагааны туршилтын үйлдвэр нээгдсэн нь Зөвлөлтийн хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийг хөгжүүлэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэсэн. Энэ үйлдвэр дөрвөн жилийн турш төрөл бүрийн тоног төхөөрөмжийг туршиж, хөнгөн цагааны анхны үйлдвэрүүдэд ажилчид, инженерийн ажилтнуудыг бэлтгэсэн.

19321 оны 5-р сард Волховын усан цахилгаан станцын үндсэн дээр баригдсан Волховын хөнгөн цагааны үйлдвэр, 1933 оны 6-р сард Днепрогесийн суурин дээр баригдсан Днепр хөнгөн цагааны үйлдвэрүүд нээгдэв. 1938 онд Тихвин бокситын ордын ойролцоо байрлах Тихвин хөнгөн цагааны үйлдвэр ашиглалтад оров. Цаашилбал, 1939 оны 9-р сард Уралын хөнгөн цагааны үйлдвэрийг өмнөхөөсөө илүү дэвшилтэт, хүчирхэг тоног төхөөрөмжөөр эхлүүлж, дараа нь Аугаа эх орны дайны үеэр тус улсын зүүн бүс нутагт хөнгөн цагааны хэд хэдэн шинэ үйлдвэрүүд баригдсан.

Холбоотой бичлэгүүд:

ОХУ-ын Боловсрол, шинжлэх ухааны яам

Холбооны боловсролын агентлаг

Магнитогорскийн улсын техникийн их сургууль

тэд. Носова

Хар төмөрлөгийн тэнхим

"Металлургийн түүх" хичээлийн хураангуй

МЕТАЛЛУРГИЙН ХӨНГӨНЦ

тайлбар

"Хөнгөн цагааны металлурги" сэдвийг авч үзэж, энэ металлын үндсэн шинж чанарыг тайлбарласан болно. Хөнгөн цагааны нээлтийн түүх, түүнийг үйлдвэрлэх боломжит арга замууд, янз бүрийн салбарт ашиглах талаар товч тайлбарлав.

Танилцуулга

1. Хөнгөн цагааны шинж чанар

2. Хөнгөн цагааны хэрэглээ

3. Түүхий эд

4. Хөнгөн цагааны ислийн үйлдвэрлэл

5. Хөнгөн цагааны электролитийн үйлдвэрлэл

6. Хөнгөн цагааныг цэвэршүүлэх

Дүгнэлт

Ашигласан уран зохиолын жагсаалт

Танилцуулга

"Металлурги" гэдэг үг нь Грекээс гаралтай.

metalleuо - Би ухдаг, би газраас олборлодог;

metallurgeo - Би хүдэр олборлож, металл боловсруулдаг;

металлон - уурхай, металл.

Энэ үг нь гүнээс олборлосон хүдрийг боловсруулах, металл, хайлш гаргаж авах, түүнд тодорхой шинж чанар олгох үйл ажиллагааг хамарсан шинжлэх ухаан, технологийн салбарыг хэлнэ.

Эрт дээр үед, Дундад зууны үед болон харьцангуй саяхан М.В.Ломоносовын үе хүртэл 7 металл (алт, мөнгө, зэс, цагаан тугалга, хар тугалга, төмөр, мөнгөн ус) байдаг гэж үздэг.

1814 онд Шведийн химич Ж.Берзелиус ховор тохиолдлуудыг эс тооцвол дэлхий даяар хэрэглэдэг цагаан толгойн үсгийг ашиглахыг санал болгов.

Өнөөдөр шинжлэх ухаанд 80 гаруй металл мэдэгдэж байгаа бөгөөд тэдгээрийн ихэнх нь технологид ашиглагддаг.

Дэлхийн практикт металыг хар (төмөр ба түүн дээр суурилсан хайлш) болон бусад бүх зүйл - өнгөт (өнгөт металл, англи; Nichtei-senmetalle, герман) эсвэл өнгөт металл гэж хуваадаг. Төмөрлөгийг ихэвчлэн хар ба өнгөт гэж хуваадаг. Одоогийн байдлаар дэлхийн нийт металлын бүтээгдэхүүний 95 орчим хувийг хар металл эзэлж байна.

Технологийн хувьд өнгөт металлыг "хөнгөн" (хөнгөн цагаан, магни), "хүнд" (зэс, хар тугалга гэх мэт), галд тэсвэртэй (волфрам, молибден гэх мэт) гэж ангилдаг болзолт ангиллыг мөн баталсан. , язгууртнууд (алт, цагаан алт гэх мэт), ховор металлууд.

Хар ба өнгөт металлыг ашиглан үйлдвэрлэсэн бүтээгдэхүүний эзлэх хувь одоогийн байдлаар улсын үндэсний нийт бүтээгдэхүүний 72-74 хувийг эзэлж байна. XXI зуунд металууд гэж маргаж болно. Тэдгээрийн шинж чанар, үйлдвэрлэлийн үр ашиг, хэрэглээ нь хэрэглээний ихэнх хэсэгт харьцуулшгүй тул үндсэн бүтцийн материал хэвээр байх болно.

Хэрэглэсэн ~800 сая тонн металлын ~750 сая тонн нь ган, 20-22 сая тонн нь хөнгөн цагаан, 8-10 сая тонн нь зэс, 5-6 сая тонн нь цайр, 4-5 сая тонн нь хар тугалга (үлдсэн хэсэг нь) байна. -< 1 млн. т).

Орчин үеийн технологийн хувьд хамгийн үнэ цэнэтэй, чухал металлуудаас цөөхөн хэд нь дэлхийн царцдасаас их хэмжээгээр олддог: хөнгөн цагаан (8.8%), төмөр (4.65%), магни (2.1%), титан (0.63%).

Хөнгөн металлын хүдрийн ордуудад ихэвчлэн хөнгөн цагаан агуулсан хүдэр орно; хөнгөн цагааны гол нийлүүлэгч нь боксит, түүнчлэн алунит, нефелин, төрөл бүрийн шавар юм. Өнгөт металлын хүдрийн ордуудад зэс, хар тугалга, цайр, кобальт, никель, сурьма зэрэг ордууд орно. Тэдгээрийн хамгийн том металлын нөөц нь хэдэн арван сая тонноос хэдэн зуун сая тонн хүрдэг бөгөөд хүдэр дэх металлын ердийн агууламж хэдхэн хувь байдаг.

Олборлосон материалын масс нь хүдэрт агуулагдах металлын хэмжээнээс хэд дахин их байдаг бөгөөд дийлэнх тохиолдолд байгалийн хүдрээс ашигтай бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг шууд гаргаж авах нь эдийн засгийн хувьд ашиггүй байдаг.

Археологийн малтлагаас харахад хүний ​​металлтай танилцах үе нь биднээс маш алс холын цаг үеэс эхтэй болохыг харуулж байна. Анхны хүрэл эдлэлийг МЭӨ 3000 онд зэс, цагаан тугалганы хүдрийг нүүрсээр хайлуулах замаар олж авсан гэж үздэг. Хожим нь зэсэнд цагаан тугалга болон бусад металл (хөнгөнцагаан, бериллий, цахиурын никель гэх мэт) нэмж хүрэл үйлдвэрлэж эхэлсэн. Одоогийн байдлаар төмөр, манган, никель нэмсэн хөнгөн цагаан хүрэл (5-12% Al) хамгийн түгээмэл байдаг.

Одоогийн байдлаар металлургийн үйлдвэрлэл нь үндэсний эдийн засгийн тэргүүлэх салбаруудын нэг юм.

1. Хөнгөн цагааны шинж чанар

Хөнгөн цагааныг анх 1825 онд Данийн физикч Х.Оерстед гаргаж авчээ.Энэ элементийн нэр нь латин алюменаас гаралтай, учир нь эртний үед хөнгөн цагааныг даавууг будахад ашигладаг байсан.

Хөнгөн цагаан нь олон үнэ цэнэтэй шинж чанартай байдаг: бага нягтралтай - ойролцоогоор 2.7 г / см 3, өндөр дулаан дамжуулалт - 300 орчим Вт / (м. К) ба 13.8 цахилгаан дамжуулах өндөр. 10 7 Ом/м, уян хатан чанар сайтай, механик хүч чадал хангалттай.

Хөнгөн цагаан нь олон элемент бүхий хайлш үүсгэдэг. Хайлсан төлөвт хөнгөн цагаан нь шингэн бөгөөд хэвийг сайн дүүргэдэг, хатуу төлөвт энэ нь маш сайн гажигтай бөгөөд амархан зүсэж, гагнах, гагнах боломжтой.

Хүчилтөрөгчтэй хөнгөн цагааны хамаарал маш өндөр байдаг. Исэлдэх явцад их хэмжээний дулаан ялгардаг (~ 1670000 Ж / моль). Нарийн нунтагласан хөнгөн цагаан нь халах үед гал авалцаж, агаарт шатдаг. Хөнгөн цагаан нь агаар болон агаар мандлын нөхцөлд хүчилтөрөгчтэй нийлдэг. Энэ тохиолдолд хөнгөн цагаан нь хөнгөн цагаан ислийн нимгэн (~ 0.0002 мм зузаантай) өтгөн хальсаар хучигдсан байдаг бөгөөд энэ нь цаашдын исэлдэлтээс хамгаалдаг; тиймээс хөнгөн цагаан нь зэврэлтэнд тэсвэртэй. Хөнгөн цагааны худгийн гадаргуу нь хайлсан төлөвт ч гэсэн энэ хальсыг исэлдүүлэхээс хамгаалдаг.

Хөнгөн цагааны хайлшаас дуралюминий ба силумин нь хамгийн чухал ач холбогдолтой юм.

Хөнгөн цагаанаас гадна дуралюминий найрлагад 3.4-4% Cu, 0.5% Mn, 0.5% Mg, 0.8% -иас ихгүй Fe, 0.8% Si агуулагдахыг зөвшөөрдөг. Duralumin нь гажигтай, механик шинж чанараараа зарим төрлийн гантай ойролцоо байдаг ч гангаас 2.7 дахин хөнгөн байдаг (дуралюминий нягт нь 2.85 г / см 3).

Энэ хайлшийн механик шинж чанар нь дулааны боловсруулалт, хүйтэн хэв гажилтын дараа нэмэгддэг. Суналтын бат бэх 147-216 МПа-аас 353-412 МПа, Бринеллийн хатуулаг 490-588-аас 880-980 МПа хүртэл нэмэгддэг. Энэ тохиолдолд хайлшийн харьцангуй суналт бараг өөрчлөгддөггүй бөгөөд нэлээд өндөр (18-24%) хэвээр байна.

Силуминууд нь хөнгөн цагааны цахиуртай цутгамал хайлш юм. Тэд сайн цутгах чанар, механик шинж чанартай байдаг.

2. Хөнгөн цагааны хэрэглээ

Хөнгөн цагаан ба хайлшийг нисэх, тээвэр, төмөрлөг, хүнсний үйлдвэр гэх мэт олон салбарт өргөнөөр ашигладаг. Нисэх, автомашин, тракторын үйлдвэрт нисэх онгоцны их бие, мотор, цилиндр блок, хурдны хайрцаг, насос болон бусад эд анги, химийн бүтээгдэхүүн хадгалах хөлөг онгоц. . Хөнгөн цагааныг өдөр тутмын амьдрал, хүнсний үйлдвэр, цөмийн эрчим хүч, сансрын хөлөгт хөнгөн цагаан, түүний хайлшаар хийдэг.

Хөнгөн цагаан нь хүчилтөрөгчтэй химийн өндөр хамааралтай тул металлургийн салбарт исэлдүүлэгч бодис болгон ашигладаг бөгөөд алюминотермик гэж нэрлэгддэг процессыг ашиглан нөхөн сэргээхэд хэцүү металлыг (кальци, лити гэх мэт) олж авахад ашигладаг.

Дэлхийн нийт металлын үйлдвэрлэлийн хэмжээгээр хөнгөн цагаан нь төмрийн дараа хоёрдугаарт ордог. ,

3. ТҮҮХИЙ ЭД

Хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн орчин үеийн гол арга бол электролитийн арга бөгөөд хоёр үе шатаас бүрддэг. Эхнийх нь хүдрийн түүхий эдээс хөнгөн цагааны исэл (Al 2 O 3) үйлдвэрлэх, хоёр дахь нь хөнгөн цагааны исэлээс электролизийн аргаар шингэн хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх явдал юм.

Хөнгөн цагааны хүдэр. Химийн өндөр идэвхжилтэй тул хөнгөн цагаан нь байгальд зөвхөн холбосон хэлбэрээр байдаг: корунд Al 2 O 3, гиббсит Al 2 O 3. 3H 2 O, boehmite Al 2 O 3 . H 2 O, кианит 3Al 2 O 3, 2SiO 2, нефелин (Na, K) 2 O. Al 2 O 3 . 2SiO 2, каолинит Al 2 O 3, 2SiO 2. 2H 2 O болон бусад. Одоогийн байдлаар хөнгөн цагааны үндсэн хүдэр нь боксит, түүнчлэн нефелин, алунитууд юм.

бокситууд. Боксит дахь хөнгөн цагаан нь гол төлөв хөнгөн цагааны гидроксид (гиббсит, бемит гэх мэт), корунд, каолинт хэлбэрээр олддог. Бокситын химийн найрлага нь нэлээд төвөгтэй байдаг. Тэд ихэвчлэн 40 гаруй химийн элемент агуулдаг. Тэдгээрийн хөнгөн цагааны ислийн агууламж 35-60%, цахиурын исэл 2-20%, Fe 2 O 3 2-40% исэл, титан исэл 0.01-10% байна. Бокситуудын нэг чухал шинж чанар бол цахиурын модуль гэж нэрлэгддэг Al 2 O 3-ийн жингийн SiO 2-ийн харьцаа юм.

Манай орны бокситын томоохон ордуудад Тихвинское (Ленинград муж), Северуральское (Свердловск муж), Южноуральское (Челябинск муж), Тургай, Краснооктябрьское (Костанай муж) багтдаг.

Нефелин нь нефелин сиенит ба уртитын нэг хэсэг юм. Кола хойг дээр уртитын томоохон орд байрладаг. Уртитын үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь нефелин ба апатит 3Ca 3 (PO 4) 2 юм. CaF2. Тэдгээрийг нефелин апатитын баяжмалыг ялгаруулах замаар флотацийн баяжуулалтад хамруулдаг. Апатитын баяжмалыг фосфатын бордоо бэлтгэхэд ашигладаг бол нефелин баяжмалыг хөнгөн цагаан исэл үйлдвэрлэхэд ашигладаг. Нефелиний баяжмал нь, %: 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, 2-3 CaO агуулдаг.

Алунитууд нь үндсэн хөнгөн цагааны сульфат ба кали (эсвэл натри) K 2 SO 4 юм. Al 2 (SO 4) 3 . 4 Al(OH) 3 . Тэдгээрийн доторх Al 2 O 3-ийн агууламж бага (20-22%) боловч бусад үнэ цэнэтэй бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг агуулдаг: хүхрийн ангидрид SO 3 (~ 20%) ба шүлт Na 2 O, K 2 O (4-5%). Тиймээс тэд нефелин шиг нарийн төвөгтэй түүхий эд юм.

Бусад түүхий эд. Хөнгөн цагааны исэл үйлдвэрлэхэд шүлтлэг NaOH, заримдаа шохойн чулуу CaCO 3, хөнгөн цагааны ислийн электролиз, криолит Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3), бага зэрэг хөнгөн цагаан фторид AlF 3, түүнчлэн CaF 2 ба MgF 2 зэргийг ашигладаг.

4. ХӨНГӨНТӨН ТӨЛБӨРИЙН ҮЙЛДВЭРЛЭЛ

Гадаадад бараг бүх хөнгөн цагааны ислийг бокситоос гол төлөв Байерын аргаар (К.И. Байер бол Орост ажиллаж байсан Австрийн инженер), дотоодын үйлдвэрүүдэд бокситоос Байерын аргаар, боксит, нефелинээс агломерын аргаар авдаг. Эдгээр хоёр арга нь хүдрээс хөнгөн цагаан оксидыг ялгах шүлтлэг аргад хамаарна. SiO 2-ийн агууламж багатай (Al 2 O 3 / SiO 2 5-7-аас дээш цахиурын модультай) бокситыг боловсруулахад Bayer аргыг ашиглах нь эдийн засгийн хувьд боломжтой, учир нь SiO 2-ийн хэмжээ ихсэх тусам. Илүү их Al 2 O 3 болон үйл явцад ашигласан шүлт нь Na 2 O химийн нэгдэл үүсэхэд алдагддаг. Al 2 O 3 . 2SiO2. 2H2O.

5-7-аас бага цахиурын модультай бокситыг боловсруулахад агломержуулах арга нь илүү хэмнэлттэй байдаг. Хөнгөн цагааны ислээр баялаг бокситын ордууд шавхагдаж, чанар муутай бокситуудыг үйлдвэрлэлд татан оролцуулж байгаагаас хөнгөн цагааны исэл үйлдвэрлэхэд Байерын аргын эзлэх хувь буурч, агнуурын аргын эзлэх хувь нэмэгдэж байна.

Байерын арга

Бокситээс хөнгөн цагааны ислийг ялгах арга болох Байерын процесс нь уусгахад суурилдаг бөгөөд боксит дахь хөнгөн цагааны ислийг уусгаж, бокситын үлдсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг уусмал руу шилжүүлэхээс сэргийлдэг. Энэ арга нь урвуу химийн урвал дээр суурилдаг.

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

Урвал баруун тийш явахад натрийн алюминат хэлбэрийн хөнгөн цагааны исэл нь уусмал руу шилжиж, урвуу урвалын явцад үүссэн гидратлагдсан Al 2 O 3 тунадас үүснэ.

1. Бокситыг уусгахад бэлтгэх. Бокситыг буталж, 0.05 - 0.15 мм-ийн фракц болгон нунтагласан шүлт ба шүлтийн эргэлтийн уусмал, уусгалтыг идэвхжүүлэхийн тулд бага зэрэг шохой нэмнэ.

2. уусгах. Нунтаглах явцад олж авсан целлюлозыг уусгахад илгээдэг. Дээрх урвалын бүрэн явцын хувьд баруун тийш (натри алюминат үүсэх), шүлтлэг орчин, өндөр даралт (~ 3 МПа), целлюлозыг 100 - 240 0 С хүртэл халаах (бокситын агууламжаас хамаарч) ба түүний урт (ойролцоогоор 2 цаг) холих шаардлагатай. Ийм нөхцлийг автоклавт - даралт дор ажилладаг хөлөг онгоцонд өгдөг. Ашигласан автоклавууд нь (Зураг 2) 1.6 - 2.5 диаметртэй, 13.5 - 17.5 м өндөртэй цилиндр хэлбэртэй ган сав, автоклав дахь даралт 2.5 - 3.3 МПа, целлюлозыг дээрээс, доороос нь тэжээдэг. бөмбөлөгтэй хоолой 2 3 - халааж холих уур. Целлюлозыг автоклаваас 1-р хоолойгоор шахаж гаргана.

Целлюлозыг ихэвчлэн 6-10 удаа дараалан суурилуулсан автоклавын батарейгаар дамжуулдаг бөгөөд целлюлозын найрлагад агуулагдах Al 2 O 3, H 2 O, Al 2 O 3, 3H 2 O, Al 2 O 3 хэлбэртэй хөнгөн цагааны исэл нь эдгээртэй урвалд ордог. шүлтийг ~ 2 цагийн турш (дээрх урвалыг өгсөн) Na 2 O болж хувиргана. Al 2 O 3 . Целлюлозыг эхний автоклавт шахуургаар буулгаж, ~ 150 0 С хүртэл халааж, сүүлчийн автоклаваас целлюлозыг хоёр автоклав-ууршуулагч руу оруулж, даралтыг атмосферийн даралт хүртэл бууруулдаг. Энэхүү бүтээгдэхүүн нь хөнгөн цагааны уусмал (Na 2 O. Al 2 O 3 агуулсан) болон лаг (үлдэгдэл боксит хольцууд тунадаг тунадас) -аас бүрдсэн автоклавт зутан юм.

3. Целлюлозыг усаар шингэлсний дараа хөнгөн цагааны уусмал ба лагийг салгах ажлыг өтгөрүүлэгч (тунгаагуур) - 15 - 50 м диаметртэй саванд хийж, ёроолд нь лаг тунадаг ба тунасан хөнгөн цагааны уусмалд хийнэ. дээд талаас нь урсдаг. Үүнийг нэмэлт шүүлтүүрээр дамжуулж, дараагийн үйл ажиллагаа - задрал руу илгээдэг. Үүссэн улаан шавар (F 2 O 3 тоосонцороор өнгөтэй) овоолго руу явдаг, лаг нь,% -ийг агуулна.

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

4. Уусмалаас хөнгөн цагааныг тунадас руу Al 2 O 3, 3H 2 O хэлбэрээр шилжүүлэхийн тулд задрал буюу мушгих гэж нэрлэгддэг алюминат уусмалын задралыг хийдэг бөгөөд үүний тулд дээрх уусгах урвалыг хангадаг. зүүн, Al 2 O 3, 3H 2 O үүсэх рүү. Энэ урвалыг зүүн тийш үргэлжлүүлэхийн тулд даралтыг бууруулж, уусмалыг шингэлж, хөргөж, үр, нухашыг хангалттай хэмжээгээр авахын тулд түүнд оруулах шаардлагатай. Al 2 O 3, 3H 2 O том талстыг 50-90 цагийн турш хутгана.

Энэ процессыг цуваагаар суурилуулж, тойрч гарах сифоноор холбосон хэд хэдэн задлагчаар гүйцэтгэдэг бөгөөд үүгээрээ целлюлозыг цуваагаар дамжуулдаг. Механик хутгагчтай 10-11 задлагч эсвэл целлюлозыг агаараар хутгах 16-28 задлагчийг цувралаар суурилуулсан.

5. Уусмалаас хөнгөн цагааны гидроксидын талстыг ялгах, талстыг хэмжээгээр нь ангилах. Задарсны дараа целлюлоз нь өтгөрүүлэгч рүү ордог бөгөөд энэ нь уусмалаас гидроксидыг тусгаарладаг. Гидросепараторт олж авсан гидроксидыг 40-100 μм ширхэгийн хэмжээтэй фракц, нарийн ширхэгтэй хэсэг болгон хувааж, задралын үр болгон ашигладаг. Том фракцыг угааж, шүүж, кальцинжуулахад илгээнэ.

6. Хөнгөн цагааны гидроксидыг шохойжуулах буюу усгүйжүүлэх ажлыг байгалийн хий эсвэл мазутаар халаадаг 2.5-5 диаметртэй, 35-110 м урттай хамот доторлогоотой хоолой хэлбэртэй эргэлтэт зууханд хийнэ. Гидроксид нь эргэдэг бөмбөрийн дагуу 200-300 0 С-ийн урсгал руу аажмаар холилдож, шатаагчийн ойролцоо ~ 1200 0 С хүртэл ачаалах үед урвал явагдана: Al 2 O 3, 3H 2 O = Al 2 O. 3 + , 3H 2 O, 900 0 С-т төгсдөг бүтээгдэхүүн нь Al 2 O 3 хөнгөн цагааны исэл (цагаан нунтаг).

Байерын тайлбарласан процессыг ашиглан хөнгөн цагааны ислийн олборлолт ойролцоогоор 87% байна. ,

Цутгах арга

Энэ аргыг 5-7-аас бага цахиурын модуль бүхий өндөр цахиуртай бокситоос хөнгөн цагаан исэл, нефелиний хүдрээс гаргаж авахад ашигладаг; Энэ арга нь хөнгөн цагааны түүхий эдийг боловсруулахад тохиромжтой.

Аргын мөн чанар нь хатуу хөнгөн цагааны бодисыг өндөр (~ 1300 0 С) температурт шингэлж, дараа нь олж авсан агломерыг уусгах замаар олж авах явдал юм.

Бокситуудаас хөнгөн цагаан исэл авах. Энэ үйл явцын үндсэн үе шатууд нь дараах байдалтай байна.

Цутгахад бэлтгэх. Боксит, шохойн чулууг буталсаны дараа тээрэмд дахин боловсруулсан содын уусмалд шинэхэн сод нэмж буталж, 40% чийгийн агууламжтай целлюлозыг гаргаж авдаг.

Синтеринг нь 5 м хүртэл диаметртэй, 185 м хүртэл урттай халаалттай хоолой хэлбэртэй эргэлтэт зууханд хийгддэг. Зуухны температур целлюлозын тэжээлийн цэг дээр 200 -300 0 С-аас 1300 0 С хүртэл нэмэгддэг. шатаагч дахь гадагшлуулах төгсгөл. Халах үед хөнгөн цагаан исэл нь усанд уусдаг натрийн алюминат болж хувирдаг.

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

цахиур нь бага уусдаг силикатуудтай холбогддог: SiO 2 + 2CaO = 2CaO. SiO2. Боксит нь мөн содтой урвалд орж Na 2 O үүсгэдэг. Fe2O3. Эдгээр химийн нэгдлүүдийг шингэлж, хэсэгчлэн хайлсан хэсгүүдийг бүрдүүлдэг - синтер.

Шарсан зуухны дараа бялууг хөргөгчинд хөргөж, 6-8 мм хэмжээтэй хэсэг болгон буталж уусгахад илгээнэ.

Уусгах ажлыг халуун усаар урсгалын аргаар янз бүрийн хийц бүхий төхөөрөмжид гүйцэтгэдэг: диффузор (агломерыг хэсэг хэсгээр нь ачиж буулгадаг цилиндр савнууд), конвейерийн уусгагчид гэх мэт. Хамгийн дэвшилтэт нь тасралтгүй хоолой хэлбэрийн уусгагч юм (Зураг 3). Бункер 1-ээр дамжуулан 26 м өндөртэй саванд ачсан агломер нь секторын буулгагч 2-ын тасралтгүй буулгалтаас болж доошоо хөдөлж, усны эсрэг урсгалаар угаана. Натрийн алюминат усанд уусдаг, ус нь натрийн феррит Na 2 O задалдаг. Fe 2 O 3 ба Fe 2 O 3 тунадас. Уусгах бүтээгдэхүүн нь хөнгөн цагааны уусмал ба Fe 2 O 3, Al 2 O 3, SiO 2, CaO агуулсан улаан шавар юм. Бага зэрэг цахиур нь алюминат уусмал руу гидросиликат хэлбэрээр ордог тул уусмалыг цахиургүйжүүлдэг.

Aluminate уусмалыг цахиургүйжүүлэх ажлыг автоклавын батерейнд удаан хугацаагаар (~ 2.5 цаг) 150 - 170 0 С-ийн температурт явуулдаг. Эдгээр нөхцөлд усанд уусдаггүй Na 2 O нэгдлийн талстууд ургадаг. Al 2 O 3 . 2SiO 2, 2H 2 O (заримдаа уусмалд шохой нэмнэ, энэ тохиолдолд CaO, Al 2 O 3 талстууд үүсдэг. 2SiO 2, 2H 2 O). Целлюлоз нь хөнгөн цагааны уусмал ба тунадас - цагаан лагаас бүрдэх автоклаваас гарч ирдэг. Дараа нь уусмалыг өтгөрүүлж, шүүж, цагаан шавараас тусгаарлана. Цагаан шавар нь агломерын цэнэгт ордог бөгөөд уусмалыг нүүрстөрөгчжүүлэхэд илгээдэг.

Нүүрстөрөгчжүүлэлт нь хөнгөн цагааныг Al 2 O 3 тунадас болгон хуваах зорилгоор хийгддэг. 3H 2 O (нүүрсжилт нь Байерын процесс дахь задралыг орлоно). Нүүрстөрөгчжүүлэлт нь 800 м 3 хүртэлх эзэлхүүнтэй цилиндр эсвэл цилиндр хэлбэртэй саванд 10-14% CO 2 агуулсан агломерийн зуухны яндангийн хийн уусмалаар дамжин хийгддэг. Хий нь уусмалыг хольж, натрийн алюминатыг задалдаг.

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

хөнгөн цагааны гидроксидын тунадас.

Дараа нь Байерын аргын нэгэн адил технологийн үйлдлүүд явагдана: Al 2 O 3-ийг салгах. Уусмал болон шохойжилтоос 3H 2 O - хөнгөн цагааны гидроксидыг гуурсан зууханд шохойжуулах замаар усгүйжүүлж, хөнгөн цагаан Al 2 O 3 авна.

1 тонн хөнгөн цагааны исэл авах материалын ойролцоо зарцуулалт, т: боксит 3.2 - 3.6; шохойн чулуу 1.35; шохой 0.025; содын үнс 0.19; лавлагаа түлш 1.1 - 1.2; цахилгаан ~ 800 кВт.

Нефелинээс хөнгөн цагааны исэл авах. Нефелиний баяжмал буюу хүдэр, шохойн чулууг буталсаны дараа усан орчинд нунтаглаж, агломерын целлюлозыг гаргаж авдаг. Нефелиний найрлагад шүлт агуулагддаг тул содын цэнэгийг нэмэх шаардлагагүй.

Синтеринг нь 3-5 диаметртэй, 190 м хүртэл урттай халаалттай хоолой хэлбэртэй эргэлтэт зууханд хийгддэг; целлюлозыг хийн талаас зууханд цутгаж, температур нь 200 - 300 0 С, гадагшлуулах төгсгөлд 1300 0 С хүрдэг. Халаалтын явцад нефелин нь шохойн чулуутай харилцан үйлчилдэг.

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

Энэхүү урвалын үр дүнд нефелиний нэг хэсэг болох Na 2 O ба K 2 O нь хөнгөн цагааны ислийг усанд уусдаг алюминат болгон хувиргах, CaO нь цахиурыг муу уусдаг дикальцийн силикат болгон холбодог. Үр бялуу нь хөргөгчинд хөргөж, буталсан байна.

Нефелин бялууг уусган уусгах нь нунтаглахтай хавсарч, нүүрсжүүлэлтийн дараа гаргаж авсан шүлтлэг уусмал бүхий халуун усанд бөмбөг эсвэл саваа тээрэмд хийгддэг. Уусгах явцад алюминатууд нь усанд уусдаг ба шохойн цахиурт лаг үлдэгдэл нь цементийн үйлдвэрлэлд ордог.

Алюминий уусмалыг цахиургүйжүүлэх нь хоёр үе шаттайгаар явагддаг. Эхнийх нь автоклавт 150-170 0 С температурт 1.5-2 цагийн турш явагдана; энэ тохиолдолд цахиур агуулсан алюминосиликатууд тунадас үүснэ, энэ тунадас нь агломерын цэнэгт ордог.

Аюминатын уусмалын хоёр дахь хэсгийг 1.5-2 цагийн турш ~ 95 0 С-т шохой нэмсэн холигчоор нэмж цахиургүйжүүлнэ.Энэ тохиолдолд шохой-силикат лаг тунадас үүсч, алюминат уусмалын гүн цахиуржилтыг хангана. Дараа нь энэ уусмалыг шохойжуулж, хөнгөн цагааны гидроксид ба хурдас дахь гүн цахиургүйжүүлсэн содын уусмалыг олж авах бөгөөд үүнээс кали (K 2 CO 3) ба содын үнс (Na 2 CO 3) -ийг содын цехээс олж авдаг; Эдгээр зах зээлд боломжтой бүтээгдэхүүнийг олж авахын тулд гүн цахиургүйжүүлэх шаардлагатай.

Кальцинжуулалт. Хөнгөн цагааны гидроксидыг хоёр салаа боловсруулсны дараа хөнгөн цагааны уусмалыг угааж, шүүж, дараа нь шохойжуулах (шингэнжүүлэх) руу илгээдэг бөгөөд энэ нь Байерын аргаар хөнгөн цагааны исэл олж авахтай ижил аргаар явагддаг.

Нефелинээс 1 тонн хөнгөн цагааны исэл авах материалын ойролцоо зарцуулалт, t: нефелин 4; шохойн чулуу 7; шохой 0.1; лавлагаа түлш 1.5; цахилгаан ~ 1000 кВт.ц.Үүний зэрэгцээ 1 тонн орчим содын бүтээгдэхүүн, 10 тонн хүртэл цемент авдаг.

5. Хөнгөн цагааны ЭЛЕКТРОЛИТИЙН ҮЙЛДВЭРЛЭЛ

Хөнгөн цагааныг гол бүрэлдэхүүн хэсэг нь криолит болох хайлсан электролизд ууссан хөнгөн цагааны ислийн электролизээр гаргаж авдаг. Цэвэр криолит Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) -д NaF: AlF 3 харьцаа 3, цахилгааныг хэмнэхийн тулд электролизийн явцад энэ харьцаа 2.6-2.8 байх шаардлагатай тул хөнгөн цагаан фторын AlF 3 нэмнэ. криолит руу. Үүнээс гадна хайлах цэгийг бууруулахын тулд электролитэд бага зэрэг CaF 2, MgF 2, заримдаа NaCl нэмдэг. Аж үйлдвэрийн электролитийн үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн агууламж нь дараах хязгаарт байна, %: Na 3 AlF 6 75-90; AlF 3 5-12; MgF 2 2-5; CaF 2 2-4; Al 2 O 3 2-10.

Электролизийн банн эсвэл электролиз хийдэг үүр нь төлөвлөгөөний дагуу тэгш өнцөгт хэлбэртэй байна. Ган хуудаснаас хийсэн яндан нь банны ханыг хүрээлдэг бөгөөд том ванны хувьд ёроолтой байдаг. Дотор нь галт шаврын давхарга байдаг бөгөөд дараа нь хана нь нүүрсний хавтангаар доторлогоотой, ёроол нь голомтын нүүрсний блокуудаас бүрддэг. 0.5-0.6 м-ийн гүнтэй ваннд электролит, түүний доор шингэн хөнгөн цагааны давхарга дүүрдэг.

Нүүрстөрөгчийн анодыг ган бариул дээр түдгэлзүүлсэн бөгөөд ингэснээр түүний доод хэсэг нь электролитэд дүрж, дугуйны саваагаар анод руу гүйдэл өгдөг.

Түүнд нийлүүлсэн гүйдлийн хүчээр тодорхойлогддог үүрний хүч нь бага чадалтай ванны хувьд 30 кА-аас их чадалтай ванны хувьд 250 кА хүртэл хэлбэлздэг.

Урьдчилан бэлтгэсэн анод бүхий электролизийн банн нь хоёр эгнээнд байрлуулсан хэд хэдэн нүүрстөрөгч эсвэл бал чулуун блокоос бүрдсэн анодын угсралттай байдаг. Блок бүр нь саваатай холбогдсон дөрвөн ган хөхтэй; Энэ төхөөрөмж нь гүйдлийг хангах, нэгжийг түдгэлзүүлэх үүрэгтэй. Шатсан блокуудыг шинээр сольж байна. Усанд орох ванны дээгүүр хий сэргээх хайрцаг байдаг.

Жигнэсэн анодыг ашиглах нь ванны нэгжийн багтаамжийг нэмэгдүүлэх, өөрөө шатах электрон давирхайг коксжуулах явцад үүсдэг хорт хавдар үүсгэгч хорт бодисын ялгаралтыг эрс багасгах боломжийг олгосон.

Цахим ваннуудыг цехэд дараалан байрлуулдаг - хэдэн арван ваннуудыг дараалан байрлуулна.

Электролизийг 4-4,3 В хүчдэлд хийж, тэмдэглэснээр анодоор дамжин өнгөрөх тодорхой гүйдлийн нягтын хувьд 0,65-1,0 А / см 2. Усанд орох электролитийн давхаргын зузаан нь 150-250 байна. мм. Электролитоор шууд гүйдэл дамжих явцад ялгардаг дулааны улмаас ванны температурыг 950-970 0 С-ийн хүрээнд хадгална. Ийм температур нь анодын дор үүсдэг ба хатуужсан электролитийн царцдас нь агаартай хиллэдэг ба баннын хананы ойролцоо электролитийн хатуурсан давхарга (савх) үүсдэг.

Банны шаардлагатай температур, өөрөөр хэлбэл электролитийн давхаргад шаардлагатай дулааныг ялгаруулах нь электролитийн давхаргын тодорхой цахилгаан эсэргүүцэлтэй байх үед хангагдсан байдаг. Ийм цахилгаан эсэргүүцэл нь электролитийн найрлага, түүний дамжуулагч давхаргын зузааныг тогтоосон хязгаарт, өөрөөр хэлбэл анод ба шингэн хөнгөн цагааны давхаргын хоорондох зайг 40-60 мм-ийн дотор байлгах замаар хүрдэг.

Катод ба анод руу хүчдэл өгөх үед шингэн электролитийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд электролитийн диссоциаци болж, хайлмал нь олон тооны катион ба анионуудаас бүрддэг. Электролитийн найрлагыг зөвхөн электролит дахь Al 2 O 3 диссоциацийн үед үүсдэг Al 3+ катионууд ба O 2- анионууд дээр ялгарах потенциалын утгын дагуу сонгосон. , гадагшлуулах боломжтой.

Катодоос ялгарсан хөнгөн цагаан нь электролитийн давхаргын доор ванны ёроолд хуримтлагддаг. Анод дээр CO ба CO 2 хий үүсэх замаар ялгардаг, өөрөөр хэлбэл анодын ёроол исэлддэг тул анодыг үе үе доошлуулдаг. CO ба CO 2 хий нь анодын доороос хажуугийн гадаргуугаас гарч ирдэг бөгөөд тэдгээр нь электролит ба хөнгөн цагааны тоосноос ялгардаг фторын хортой нэгдлүүдийг агуулдаг; Эдгээр хий нь тоос, фторын нэгдлүүдээс баригдаж, цэвэрлэгддэг.

Процессын явцад хөнгөн цагааны ислийг үе үе ванн руу ачдаг; засч залруулах нэмэлтийг нэвтрүүлэх замаар электролитийн найрлагыг хянах; зохицуулагчийн тусламжтайгаар анод ба шингэн хөнгөн цагааны хоорондох хамгийн оновчтой зайг хадгална. Хөнгөн цагааны ислийг дээрээс нь ваннд ачдаг бөгөөд энэ зорилгоор шингэрүүлсэн электролитийн царцдасыг ванны дагуу хөдөлж буй машинуудын тусламжтайгаар зүсдэг.

Шингэн хөнгөн цагааныг ваннаас өдөрт нэг удаа эсвэл 2-3 хоногийн дараа вакуум хувингаар зайлуулдаг. Вакуум шанага нь 1.5-5 тонн хөнгөн цагаан агуулсан шамот доторлогоотой сав бөгөөд дотор нь ~ 70 кПа вакуум үүсдэг. Шанаганы цорготой холбогдсон оролтын хоолойг дээрээс нь шингэн хөнгөн цагааны давхарга руу дүрж, шанага руу сорно.

Гарсан анодын хий нь эхлээд CO болон давирхайг шатаадаг шатаагч руу, дараа нь тоос, фторын нэгдлүүдийг барьж авдаг хийн цэвэрлэгээнд илгээдэг.

Орчин үеийн электролизийн ванны бүтээмж нь өдөрт 500-1200 кг хөнгөн цагаан юм. 1 тонн хөнгөн цагаан авахын тулд ~ 1.95 тонн хөнгөн цагааны исэл, ~ 25 кг криолит, 25 кг хөнгөн цагаан фтор, 0.5-0.6 тонн анодын масс, 14-16 МВт цаг цахилгаан зарцуулдаг. ,

6. Хөнгөн цагааны цэвэршүүлэх

Электролизийн ваннаас гаргаж авсан хөнгөн цагааныг түүхий хөнгөн цагаан гэж нэрлэдэг. Энэ нь метал ба металл бус хольц, түүнчлэн хий (устөрөгч, хүчилтөрөгч, азот, нүүрстөрөгчийн исэл, хүхрийн давхар исэл) агуулдаг. Металл бус хольц нь механикаар шингэсэн хөнгөн цагааны ислийн тоосонцор, электролит, доторлогооны хэсгүүд гэх мэт.

Механикаар баригдсан хольц, ууссан хий, түүнчлэн Na, Ca, Mg-ээс цэвэрлэхийн тулд хөнгөн цагааныг хлоржуулдаг. Үүнийг хийхийн тулд хоолойг вакуум шанага руу хийж, хийн хлорыг 10-15 минутын турш нийлүүлж, хийн металлтай харьцах гадаргууг нэмэгдүүлэхийн тулд хоолойн төгсгөлд сүвэрхэг керамик залгуурыг бэхлэнэ. хийн урсгалыг жижиг бөмбөлөг болгон бутлахыг баталгаажуулах. Хлор нь хөнгөн цагаантай хүчтэй урвалд орж, хөнгөн цагаан хлорид AlCl 3 үүсгэдэг. Хөнгөн цагаан хлоридын уур нь металлын давхаргаар гарч, тэдгээртэй хамт түдгэлзүүлсэн металл бус хольц, хийн нэг хэсэг, Na, Ca, Mg, H 2 хлоридууд хөвдөг.

Дараа нь хөнгөн цагааныг цахилгаан холигч зуух эсвэл цуурайт зууханд цутгаж, 30-45 минут байлгана. Энэхүү үйл ажиллагааны зорилго нь металл бус болон хийн хольцоос нэмэлт цэвэршүүлэх, янз бүрийн ваннаас хөнгөн цагаан холих замаар найрлагыг дундажлах явдал юм. Дараа нь хөнгөн цагааныг дамжуургаар цутгах машинууд дээр эсвэл цувих, татах зорилгоор тасралтгүй гулдмай цутгах үйлдвэрт цутгадаг. Ийм байдлаар хөнгөн цагааныг хамгийн багадаа 99.8% Al-ийн цэвэршилттэй гаргаж авдаг.

Өндөр цэвэршилттэй хөнгөн цагааныг үйлдвэрлэлийн хэмжээнд шингэн хөнгөн цагааныг гурван давхаргат гэж нэрлэгддэг аргын дагуу электролитийн аргаар цэвэршүүлэх замаар олж авдаг. Электролизийн банн нь магнезит хана, нүүрсний голомт, дээрээс дүүжлэгдсэн бал чулуу катодуудтай. Анхны хөнгөн цагааныг хэсэг хэсгээр нь хажуугийн нүхээр зуух руу цутгаж, тодорхой зузаантай анодын давхаргыг хадгална; түүний дээр фтор ба хлоридын давсны электролитийн давхарга, электролитийн дээр электролитээс хөнгөн цэвэршүүлсэн хөнгөн цагааны давхарга байдаг; катодын төгсгөлүүд нь энэ давхаргад дүрэгдсэн байна.

Цэвэршүүлсэн хөнгөн цагааныг доод хэсэгт байлгахын тулд анодын давхаргад хөнгөн цагаан-зэсийн хайлш үүсгэх замаар илүү хүнд болгодог. Электролизийн үед Al 3+ ионууд анодын давхаргаас электролитийн давхаргаар дамжин катодын давхарга руу шилжиж, энд ялгардаг. Банны гадаргуу дээр хуримтлагдсан цэвэр катодын металыг утгуураар гаргаж аваад ембүү рүү хийнэ. Энэ аргаар 99.95% цэвэршилттэй хөнгөн цагаан үйлдвэрлэдэг. 1 тонн хөнгөн цагаанд цахилгаан зарцуулалт ~ 18000 кВт.ц. Илүү цэвэр хөнгөн цагааныг бүс хайлуулах эсвэл субгалидаар нэрэх замаар олж авдаг.

ДҮГНЭЛТ

Энэ материалаас харахад хөнгөн цагаан бол аж үйлдвэрт зайлшгүй шаардлагатай металлуудын нэг юм. Орчин үеийн технологийг хөгжүүлэхэд хөнгөн цагаан металлурги чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.

АШИГЛАСАН Уран зохиолын ЖАГСААЛТ

1. Габриелян О.С. Хими. - М .: Тодог, 2004

2. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Ерөнхий металлурги. - М .: ОУХТ "Академкнига", 2004 он

3. Кулман А.Г. Ерөнхий хими. - М.: "Колос", 1968.

Анх удаа металл хөнгөн цагааныг 1821 онд Германы химич Ф.Вёлер химийн аргаар гаргаж авсан (халаахад хөнгөн цагааны хлоридыг металл калигаар ангижруулж). 1854 онд Францын эрдэмтэн Сен-Клэр Девилл хөнгөн цагаан-натрийн давхар хлоридыг натритай багасгаж хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх цахилгаан химийн аргыг санал болгов.

Хөнгөн цагааны үйлдвэрлэл, үйлдвэрлэл

Металл хөнгөн цагааныг гурван үе шаттайгаар авдаг.

• Хөнгөн цагааны хүдрээс хөнгөн цагааны исэл (Al 2 O 3) авах;
• Хөнгөн цагааны исэлээс хөнгөн цагаан авах;
• хөнгөн цагаан цэвэршүүлэх.

Хөнгөн цагааны исэл авах

Нийт хөнгөн цагааны ислийн 95 орчим хувийг бокситын хүдрээс олж авдаг.

Боксит(Франц боксит) (Францын өмнөд хэсэгт байрлах Baux талбайн нэрээр) - хөнгөн цагааны хүдэр, хөнгөн цагааны гидроксид, төмөр, цахиурын исэл, хөнгөн цагааны исэл, хөнгөн цагааны исэл агуулсан галд тэсвэртэй материал үйлдвэрлэх түүхий эд. Арилжааны боксит дахь хөнгөн цагааны ислийн агууламж 40% -иас 60% ба түүнээс дээш байна. Мөн хар төмөрлөгийн үйлдвэрлэлд флюс болгон ашигладаг.

Зураг 1 - Бокситын хүдэр

Ер нь боксит нь туузанцар, пизолит (вандуй шиг) эсвэл жигд бүтэцтэй байж болох шороон, шавар шиг масс юм. Хэвийн өгөршлийн нөхцөлд хээрийн жонш (дэлхийн царцдасын ихэнх хэсгийг бүрдүүлдэг алюминосиликатууд) шавар үүсгэхийн тулд задарч, харин халуун уур амьсгалтай, өндөр чийгшилтэй нөхцөлд боксит нь задралын эцсийн бүтээгдэхүүн болдог, учир нь ийм орчин нь түүнийг зайлуулахад таатай байдаг. шүлт ба цахиурын исэл, ялангуяа сиенит эсвэл габбро . Бокситыг хөнгөн цагаан болгон боловсруулдаг: эхлээд хөнгөн цагаан исэл (хөнгөн цагаан исэл), дараа нь металл хөнгөн цагаан (криолитийн оролцоотойгоор электролитийн аргаар) авдаг.

Бокситуудын гол хольц нь Fe 2 O 3, SiO 2, TiO 2 юм. Бокситын жижиг хольцуудад: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, газрын ховор элемент, Cr, P, V, F, органик бодисууд орно.

Бокситуудыг ихэвчлэн дараах байдлаар ангилдаг.

• өнгөөр;
• үндсэн ашигт малтмалын хувьд (илүү ихэвчлэн тэдгээрийг хольсон);
• насаар.

Үндсэн шалгуур хөнгөн цагааны хүдрийн чанар нь:

1. Цахиурын модуль (Msi = Al 2 O 3 / SiO 2 (% жин)). Цахиурын модуль хэдий чинээ том байх тусам чанар сайн байх болно (Msi = 7);
2. Fe 2 O 3-ын хувьд төмрийн агууламж. Хэрэв Fe 2 O 3-ийн агууламж жингийн 18% орчим байвал бокситыг өндөр төмөр гэж үзнэ. Төмрийн агууламж их байх тусам бокситыг олборлоход хэцүү байдаг;
3. Хүхрийн агууламж. Их хэмжээний хүхэр байгаа нь боксит боловсруулахад хүндрэл учруулдаг;
4. CO 3-ын хувьд карбонатын агууламж (2-) . Их хэмжээний карбонат байгаа нь боксит боловсруулахад хүндрэл учруулдаг.

Бокситыг дараахь байдлаар ашигладаг.

• хөнгөн цагааны исэл үйлдвэрлэхэд;
• зүлгүүрийн материалын үйлдвэрлэлд;
• галд тэсвэртэй материал үйлдвэрлэхэд;
• ил зуухны ган хайлуулах урсгал болгон;
• хий хатаах, хүхэрээс тосыг цэвэрлэх;
• будаг болгон.

Өнөөдрийг хүртэл бокситын гол нийлүүлэгчид нь:

• Австрали - бас Fe, Au, U, Ni, Co, Cu гэх мэт асар том ордууд байдаг.Түүхий эдээ өөрөө боловсруулахаас илүү Австралиас авах нь ашигтай.
• Гвиней - Орос хэд хэдэн суудал худалдаж авсан.
• Төв Америк: Гайана, Ямайка, Суриман.
• Бразил.

Европт бүх ордын нөөц шавхагдаж байна. Бокситыг Грекээс нийлүүлдэг ч энэ түүхий эд нь чанар муутай байдаг.

Зураг 2 - Дэлхийн бокситын нөөц

ОХУ-ын хөнгөн цагааны хүдрийн үндсэн ордуудыг доор харуулав.

• Анхны ордыг 1914 онд Санкт-Петербург хотын ойролцоо, Тихвин хотын ойролцоо нээсэн. Энэ талбайд 6 үйлдвэр баригдсан. Хамгийн том нь Волховын хөнгөн цагааны үйлдвэр юм. Өнөөдрийг хүртэл Тихвинское талбайн нөөц шавхагдаж, голчлон импортын түүхий эдээр ажиллаж байна.
• 1931 онд Северо-Уральскийн өндөр чанарын бокситын өвөрмөц орд (SUBR) нээгдэв. Энэ нь 1939 онд Уралын хөнгөн цагааны үйлдвэр (UAZ) барих үндэс суурь болсон. Мөн Өмнөд Уралын бокситын уурхайн (YUBR) үндсэн дээр Богословскийн хөнгөн цагаан хайлуулах үйлдвэр (BAZ) баригдсан.
• Североонежское талбай нь Кола хойг руу явах зам дээр байрладаг. Төлөвлөгөөнд байгаа ч баригдах хугацаа тодорхойгүй байна.
• Висловское орд нь каолит төрлийн цэвэр шаварлаг орд юм. Хөнгөн цагааны исэлд ашигладаггүй.
• Тиманское талбай (Коми Бүгд Найрамдах Улс, Варкута). Канадчууд энэ салбарыг сонирхож байгаа тул үйлдвэр барихаар төлөвлөж байна (Коми Суал бол холдинг компани).

Бокситын хүдрээс хөнгөн цагааны исэл авах

Хөнгөн цагаан нь амфотер шинж чанартай тул хөнгөн цагааны ислийг гурван аргаар үйлдвэрлэдэг.

• шүлтлэг,
• хүчил;
• электролит.

Хамгийн өргөн тархсан нь шүлтлэг арга (К. И. Байерийн арга, өнгөрсөн зууны сүүлчээр Орост боловсруулсан бөгөөд бага хэмжээний (5-6% хүртэл) цахиурын исэл бүхий өндөр агуулгатай бокситыг боловсруулахад ашигладаг). Түүнээс хойш түүний техникийн үзүүлэлтүүд мэдэгдэхүйц сайжирсан. Байерийн аргаар хөнгөн цагааны исэл үйлдвэрлэх схемийг Зураг 3-т үзүүлэв.

Зураг 3 - Байерын аргаар хөнгөн цагааны исэл авах схем

Аргын мөн чанар нь хөнгөн цагааны уусмалд хөнгөн цагааны гидроксидыг оруулахад хурдан задардаг бөгөөд 169-170 ° C-т эрчимтэй холих нөхцөлд ууршсаны дараа задралаас үлдсэн уусмал нь бокситуудад агуулагдах хөнгөн цагаан оксидыг дахин уусгах чадвартай байдаг. Энэ арга нь дараах үндсэн үйлдлүүдээс бүрдэнэ.

1. Бокситыг тээрэмд бутлах, нунтаглахаас бүрдэх бэлтгэл; тээрэмд боксит, идэмхий шүлт, бага хэмжээний шохой нийлүүлдэг бөгөөд энэ нь Al 2 O 3-ийн ялгаралтыг сайжруулдаг; үүссэн целлюлозыг уусгахад зориулж хооллодог;

2. Боксит уусгах (сүүлийн үед хэрэглэж байсан дугуй хэлбэртэй автоклавын блокуудыг хэсэгчлэн гуурсан автоклаваар сольсон бөгөөд уусгалт нь 230-250 ° C (500-520 К) температурт явагддаг бөгөөд энэ нь түүний химийн задралаас бүрддэг. усан уусмал шүлттэй харилцан үйлчлэх; хөнгөн цагаан оксидын гидратууд нь шүлттэй харилцан үйлчлэхэд натрийн алюминат хэлбэрээр уусмалд ордог.

AlOOH+NaOH→NaAlO 2 +H 2 O

Al(OH) 3 +NaOH→NaAlO 2 +2H 2 O;

SiO 2 +2NaOH→Na 2 SiO 3 +H2O;

уусмалд натрийн алюминат ба натрийн силикат нь уусдаггүй натрийн алюминосиликат үүсгэдэг; титан ба төмрийн исэл нь уусдаггүй үлдэгдэл рүү нэвтэрч, үлдэгдлийг улаан өнгөтэй болгодог; энэ үлдэгдлийг улаан шавар гэж нэрлэдэг. Уусгаж дууссаны дараа үүссэн натрийн алюминатыг шүлтийн усан уусмалаар шингэлж, температурыг 100 хэмээр бууруулна;

3. Алюминий уусмалыг улаан шавараас ялгах, ихэвчлэн тусгай өтгөрүүлэгчээр угаах замаар хийдэг; Үүний үр дүнд улаан шавар тунаж, алюминий уусмалыг шавхаж, дараа нь шүүнэ (тундруулна). Хязгаарлагдмал хэмжээгээр лагийг жишээ нь цементийн нэмэлт болгон ашигладаг. Бокситын зэрэглэлээс хамааран үйлдвэрлэсэн 1 тонн хөнгөн цагааны исэлд 0.6 - 1.0 тонн улаан шавар (хуурай үлдэгдэл) унадаг;

4. Алюминий уусмалын задрал. Үүнийг шүүж, хутгагч (задгаруулагч) бүхий том саванд шахдаг. Хөнгөн цагааны гидроксид Al(OH) 3-ыг хэт ханасан уусмалаас 60 °C (330 К) хүртэл хөргөж, байнга хутгах үед гаргаж авдаг. Энэ үйл явц аажмаар, жигд бус явагддаг тул хөнгөн цагааны гидроксидын талст үүсэх, ургах нь цаашдын боловсруулалтад чухал ач холбогдолтой тул задалдагч - үрүүдэд их хэмжээний хатуу гидроксид нэмнэ.

Na 2 O Al 2 O 3 + 4H2O→Al(OH) 3 + 2NaOH;

5. Хөнгөн цагааны гидроксидын хуваарилалт, түүний ангилал; Энэ нь гидроциклон болон вакуум шүүлтүүрт тохиолддог бөгөөд 50-60% Al(OH) 3 хэсгүүдийг агуулсан тунадас нь алюминат уусмалаас тусгаарлагддаг. Гидроксидын нэлээд хэсэг нь задралын процесст үрийн материал болгон буцаж ирдэг бөгөөд энэ нь өөрчлөгдөөгүй хэмжээгээр эргэлтэнд үлддэг. Усаар угаасны дараа үлдэгдэл нь шохойжилт руу ордог; шүүгдсийг эргэлтэнд буцааж өгдөг (ууршуулагчид концентраци хийсний дараа - шинэ бокситыг уусгах);

6. Хөнгөн цагааны гидроксидын шингэн алдалт (кальцинжуулалт); энэ нь хөнгөн цагааны үйлдвэрлэлийн эцсийн үйл ажиллагаа юм; энэ нь гуурсан хоолойн эргэлтэт зууханд, мөн саяхан 1150 - 1300 ° C-ийн температурт материалын булингартай хөдөлгөөнтэй зууханд хийгддэг; түүхий хөнгөн цагааны гидроксид, эргэдэг зуухаар ​​дамжин, хатаасан, усгүйжүүлсэн; халах үед дараах бүтцийн өөрчлөлтүүд дараалан явагдана.

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

200 ° C - 950 ° C - 1200 ° C.

Эцсийн шохойжуулсан хөнгөн цагааны исэл нь 30-50% α-Al2O3 (корунд), үлдсэн хэсэг нь γ-Al 2 O 2 байна.

Энэ аргаар үйлдвэрлэсэн бүх хөнгөн цагааны ислийн 85-87%-ийг гаргаж авдаг. Үүссэн хөнгөн цагааны исэл нь 2050 ° C хайлах цэгтэй хүчтэй химийн нэгдэл юм.

Электролизийн аргаар хөнгөн цагааныг олж авах

Криолит дээр суурилсан хайлмалд ууссан хөнгөн цагааны ислийн электролитийн бууралтыг электролитийн үүрэнд 950-970 ° C-д гүйцэтгэдэг. Уг эс нь нүүрстөрөгчийн блокоор доторлогоотой ваннаас бүрдэх ба доод хэсэгт нь цахилгаан гүйдэл өгдөг. Доод хэсэгт ялгарч буй шингэн хөнгөн цагаан нь катодын үүрэг гүйцэтгэдэг электролитийн давсны хайлмалаас хүнд байдаг тул түүнийг нүүрсний суурь дээр цуглуулж, үе үе шахаж гаргадаг (Зураг 4). Дээрээс нүүрстөрөгчийн анодууд нь хөнгөн цагааны исэлээс ялгарах хүчилтөрөгчийн агаар мандалд шатаж, нүүрстөрөгчийн дутуу исэл (CO) эсвэл нүүрстөрөгчийн давхар исэл (CO 2) ялгаруулдаг электролитэд дүрнэ. Практикт хоёр төрлийн анодыг ашигладаг.

• хөнгөн цагаан бүрхүүлд дүүргэсэн Зедербергийн массын "талх" гэж нэрлэгддэг шахмал түлшээс бүрдэх Zederberg анод (25 - 35% нүүрсний давирхайтай үнслэг багатай нүүрс); өндөр температурын нөлөөн дор анодын массыг галладаг (синтерсэн);
• галладаг, эсвэл "тасралтгүй", том нүүрстөрөгчийн блокоор хийсэн анодууд (жишээлбэл, 1900 × 600 × 500 мм, ойролцоогоор 1.1 тонн жинтэй).

Зураг 4 - Электролизерийн схем

Электролизерууд дээрх одоогийн хүч нь 150,000 A. Тэдгээр нь сүлжээнд цувралаар холбогдсон, өөрөөр хэлбэл, систем (цуврал) -ыг олж авдаг - электролизерын урт эгнээ.

Ашиглалтын явцад системийн янз бүрийн хэсэгт хүчдэлийн алдагдал зайлшгүй гардаг тул 4 - 5 В-ийн банн дээрх ажлын хүчдэл нь хөнгөн цагаан исэл задрах хүчдэлээс хамаагүй өндөр байдаг. 1 тонн хөнгөн цагааныг хүлээн авах үеийн түүхий эд, эрчим хүчний үлдэгдлийг Зураг 5-д үзүүлэв.

Зураг 5 - 1 тонн хөнгөн цагаан үйлдвэрлэхэд түүхий эд, эрчим хүчний баланс

Урвалын саванд хөнгөн цагааны ислийг эхлээд хөнгөн цагаан хлорид болгон хувиргадаг. Дараа нь нягт дулаалгатай ваннд KCl, NaCl хайлсан давсанд ууссан AlCl 3-ийн электролиз явагдана. Энэ процесст ялгарсан хлорыг сорж, дахин боловсруулалтанд өгдөг; хөнгөн цагаан нь катод дээр хуримтлагддаг.

Шингэн криолит-хөнгөн цагааны хайлмал (криолитэд ууссан Al 2 O 3, Na 3 AlF 6) одоо байгаа электролизээс энэ аргын давуу тал нь: эрчим хүчний 30 хүртэлх хувийг хэмнэх; уламжлалт электролиз хийхэд тохиромжгүй хөнгөн цагаан ислийг ашиглах боломж (жишээлбэл, цахиурын өндөр агууламжтай Al 2 O 3); үнэтэй криолитыг хямд давсаар солих; фтор ялгарах аюулыг арилгах.

Цэвэршүүлсэн хөнгөн цагааныг олж авах

Хөнгөн цагааны хувьд давсны усан уусмалыг задлах замаар электролизийг цэвэршүүлэх боломжгүй юм. Зарим зорилгоор криолит-хөнгөн цагааны хайлмал электролизээр гаргаж авсан үйлдвэрийн хөнгөн цагааны (Al 99.5 - Al 99.8) цэвэршүүлэх зэрэг нь хангалтгүй байдаг тул илүү цэвэр хөнгөн цагааныг (Al 99.99 R) үйлдвэрийн хөнгөн цагаан эсвэл металлын хаягдлаас цэвэршүүлэх замаар гаргаж авдаг. . Хамгийн алдартай цэвэршүүлэх арга бол гурван давхаргат электролиз юм.

Гурван давхар электролизоор цэвэршүүлэх

Тогтмол гүйдлээр ажилладаг ган хавтангаар доторлогоотой (Зураг 6) цэвэршүүлэх банн нь гүйдлийн дамжуулалт бүхий нүүрсний зуух, дулаан тусгаарлагч магнезит доторлогооноос бүрдэнэ. Криолит-хөнгөн цагааны хайлмал электролизээс ялгаатай нь энд байгаа анод нь дүрмээр бол хайлсан цэвэршүүлсэн металл (анодын доод давхарга) юм. Электролит нь цэвэр фторидууд эсвэл барийн хлорид, хөнгөн цагаан, натрийн фторидуудын холимогоос (дунд давхарга) бүрдэнэ. Электролит дэх анодын давхаргаас ууссан хөнгөн цагаан нь электролитийн (катодын дээд давхарга) дээгүүр ялгардаг. Цэвэр металл нь катодын үүрэг гүйцэтгэдэг. Графит электродын тусламжтайгаар катодын давхаргад гүйдэл өгдөг.

Зураг 6 - Хөнгөн цагааныг цэвэршүүлэх зориулалттай урд зуух бүхий электролитийн эсийн диаграмм (Фулда - Гинзбергийн дагуу)

1 - хөнгөн цагааны хайлмал; 2 - электролит; 3 - өндөр давтамжийн цэвэршүүлсэн хөнгөн цагаан; 4 – графит катод; 5 - магнезит хана; 6 - урд эвэр; 7 - тусгаарлагч давхарга; 8 - хажуугийн тусгаарлагч; 9 - нүүрсний зуух; 10 - анод дамжуулагч; 11 - голомтыг тусгаарлах; 12 - төмөр хайрцаг; 13 - бүрхэвч

Усанд орох нь 750 - 800 ° C температурт ажилладаг бөгөөд эрчим хүчний зарцуулалт нь 1 кг цэвэр хөнгөн цагаан тутамд 20 кВт цаг, өөрөөр хэлбэл ердийн хөнгөн цагаан электролизээс арай өндөр байдаг.

Анодын метал нь 25-35% Cu агуулдаг; 7-12% Zn; 6-9% Si; 5% хүртэл Fe, бага хэмжээний манган, никель, хар тугалга, цагаан тугалга, үлдсэн хэсэг нь (40 - 55%) хөнгөн цагаан юм. Цэвэршүүлэх явцад бүх хүнд металл, цахиур нь анодын давхаргад үлддэг. Электролитэд магнийн агууламж байгаа нь электролитийн найрлагад хүсээгүй өөрчлөлтүүд эсвэл түүний хүчтэй шавхалтад хүргэдэг. Магнийг арилгахын тулд магни агуулсан шаарыг флюс эсвэл хийн хлороор эмчилдэг.

Цэвэршүүлсний үр дүнд хүнд металл, цахиур агуулсан, шүлтлэг уусмал, талст үлдэгдэл хэлбэрээр тусгаарлагдсан цэвэр хөнгөн цагаан (99.99%), ялгах бүтээгдэхүүн (Зигер бүтээгдэхүүн) гаргаж авдаг. Шүлтлэг уусмал нь хог хаягдал бөгөөд хатуу үлдэгдлийг хүчилгүйжүүлэхэд ашигладаг.

Цэвэршүүлсэн хөнгөн цагаан нь ихэвчлэн дараах найрлагатай, %: Fe 0.0005 - 0.002; Si 0.002 - 0.005; Cu 0.0005 - 0.002; Zn 0.0005 - 0.002; Mg ул мөр; За амраарай.

Цэвэршүүлсэн хөнгөн цагааныг тодорхой найрлагаар нь хагас боловсруулсан бүтээгдэхүүн болгон боловсруулж, эсвэл магнийн хайлшаар хийдэг (хүснэгт 1).

Хүснэгт 1 - DIN 1712 стандартын дагуу өндөр цэвэршилттэй хөнгөн цагаан ба анхдагч хөнгөн цагааны химийн найрлага, хуудас 1

		Зөвшөөрөгдөх хольц*, %
			орно

* Судалгааны уламжлалт аргаар аль болох тодорхойлох.

** Цахилгааны инженерийн цэвэр хөнгөн цагааныг (хөнгөн цагаан дамжуулагч) 0.03% -иас ихгүй (Ti + Cr + V + Mn) агуулсан анхдагч хөнгөн цагаан 99.5 хэлбэрээр нийлүүлдэг; Энэ тохиолдолд E-A1 гэж тэмдэглэсэн, материалын дугаар 3.0256. Үгүй бол VDE-0202-д нийцнэ.

Хөнгөн цагааны органик нэгдлүүд болон бүсийн хайлуулах аргаар цэвэршүүлэх

Өндөр цэвэршилттэй A1 99.99 R зэрэглэлийн хөнгөн цагааныг электролит болгон хөнгөн цагааны нийлмэл хөнгөн цагаан органик нэгдлүүдийг ашиглан цэвэр буюу цэвэр хөнгөн цагааны электролизийг цэвэршүүлэх замаар гаргаж авч болно. Электролиз нь хатуу хөнгөн цагаан электродуудын хооронд ойролцоогоор 1000 ° C температурт явагддаг бөгөөд зарчмын хувьд зэсийг цэвэршүүлэх электролизтэй төстэй. Электролитийн шинж чанар нь агааргүй, бага гүйдлийн нягттай ажиллах хэрэгцээг шаарддаг.

Энэ төрлийн цэвэршүүлэх электролизийг зөвхөн лабораторийн хэмжээнд ашигладаг бөгөөд жижиг үйлдвэрлэлийн хэмжээнд аль хэдийн хийгдсэн байдаг - жилд хэдэн тонн металл үйлдвэрлэдэг. Үүссэн металлын цэвэршүүлэх нэрлэсэн зэрэг нь 99.999 -99.9999% байна. Ийм цэвэршилттэй металлыг ашиглах боломжит талбарууд нь криоген цахилгаан инженерчлэл ба электроник юм.

Боловсруулсан цэвэршүүлэх аргыг цахилгаанаар бүрэх ажилд ашиглах боломжтой.

Илүү өндөр цэвэршилтийг - нэрлэсэн A1 99.99999 хүртэл - металлыг дараагийн хайлуулах замаар олж авах боломжтой. Өндөр цэвэршилттэй хөнгөн цагааныг хагас боловсруулсан бүтээгдэхүүн, хуудас эсвэл утас болгон боловсруулахдаа металлын дахин талстжих температур бага байгааг харгалзан тусгай урьдчилан сэргийлэх арга хэмжээ авах шаардлагатай. Цэвэршүүлсэн металлын гайхалтай шинж чанар нь криоген температурын бүсэд өндөр цахилгаан дамжуулах чадвар юм.