Металургія алюмінію. Алюміній, виробництво алюмінію: технологія, процес та опис. Одержання рафінованого алюмінію

Алюміній є одним із найпоширеніших елементів у земній корі – з кількістю понад 7% посідає третє місце після кисню та кремнію. Його одержують із бокситу, тобто. осадової гірської породи, у якій він зустрічається переважно у вигляді оксиду.

Цей метал добре відомий вже понад 2 тисячі років і характеризується широким технічним застосуванням. Навіщо його можна використовувати?

У промисловості алюміній переважно використовується у сплавах коїться з іншими елементами, що поліпшує його експлуатаційні властивості. У такому вигляді він є універсальним конструкційним матеріалом з дуже універсальним застосуванням. Серед алюмінієвих сплавів можна виділити, зокрема, ливарні сплави та сплави, що використовуються для пластичної обробки. До їх складу, крім алюмінію, входять такі елементи, як: мідь, магній, кремній та марганець. Алюмінієві сплави використовують, зокрема, в авіації, хімічній промисловості, автомобілебудуванні та навіть у суднобудуванні.

Алюміній широко використовується в промисловості також і в чистому вигляді для виготовлення різних предметів побуту, таких як, наприклад, дзеркала, банки для напоїв та продуктів харчування, кухонне приладдя або всім відома алюмінієва фольга. Його використовують також виготовлення хімічної апаратури, електричних проводів, і навіть вибухових речовин. Щоб виділити цей елемент з бокситової руди, необхідно здійснити два наступні один за одним етапи. Перший – це процес Байєра, який дозволяє отримати з мінералу оксид алюмінію. Потім це з'єднання піддається електролізу, у результаті утворюється алюміній технічної чистоти.

Із чого виробляють алюміній?

Чистий алюміній не зустрічається у природі через його здатність до пасивації. Це полягає в окисленні металу в присутності повітря, у результаті чого на його поверхні утворюється пасивний захисний шар. Алюміній покривається шаром оксиду алюмінію (Al2O3) товщиною до декількох нм. Потім, під впливом вологи зовнішній шар піддається частковому гідролізу, у результаті додатково утворюється гідроксид, тобто. Al(OH) 3 .

Алюміній входить до складу різних мінеральних порід, що зустрічаються у природі у вигляді руд. Для виробництва чистого алюмінію використовується насамперед глиниста бокситова руда. Вона утворюється в основному в місцях вивітрювання алюмосилікатних порід у жаркому кліматі та містить також з'єднання заліза. Це порода з характерним червоним або коричневим кольором, що зустрічається у двох видах: силікатному та карбонатному.

Виробництво алюмінію технічної чистоти

Алюміній технічної чистоти (більше 99%) промислово одержують у результаті двох послідовних процесів. В результаті першого одержують оксид алюмінію (процес Байєра), а на наступному етапі проводять процес електролітичної редукції (електроліз методом Холла-Еру), завдяки якому отримують чистий алюміній. Для зниження витрат, пов'язаних із транспортуванням бокситової руди, більшість переробних підприємств будують неподалік шахт.

Процес Баєра

Перший етап після видобутку руди полягає у її миття за допомогою води. Таким чином видаляють більшу частину забруднень, які просто розчиняються у воді. Потім, оброблену водою сировину додають CaO, тобто. оксид кальцію. Після цього його подрібнюють за допомогою спеціальних трубних млинів до одержання зерен з дуже малим діаметром, тобто. менше 300 мкм. Відповідне подрібнення сировини надзвичайно важливо, оскільки воно забезпечує велику площу поверхні зерен, що, своєю чергою, впливає ефективність протікання процесу екстракції.

Наступний етап виробництва оксиду алюмінію полягає у розчиненні зерен за допомогою водного розчину каустичної соди. У групі PCC гідроксид натрію проводиться методом мембранного електролізу. Отриманий таким чином продукт має дуже високу якість і чистоту, відповідаючи при цьому вимогам останнього видання Європейської фармакопеї. Суміш, що містить мелені зерна і зберігається протягом декількох годин у спеціальних реакторах, званих автоклавами. Під час процесу осадження в реакторах підтримуються високий тиск і підвищена температура. Таким чином, алюмінат отримують натрію, який потім очищають за допомогою різних фільтрів.

На наступному етапі очищений розчин алюмінату натрію розкладається. В результаті утворюється (тобто водний розчин каустичної соди) і кристали гідроксиду алюмінію високого ступеня чистоти. Отриманий у результаті кристалізації осад відфільтровують та промивають водою. А натровий луг, що залишився, нагрівають і повертають у процес для повторного використання.

Останнім етапом виробництва чистого оксиду алюмінію є кальцинація. Вона полягає в нагріванні гідроксиду алюмінію при температурі вище 1000 o C, в результаті чого відбувається його розкладання Al 2 O 3 , який отримують у вигляді чистого білого порошку. Так підготовлений оксид алюмінію транспортують у печі для отримання металевого алюмінію у процесі електролітичної редукції.

Електроліз оксиду алюмінію

Наступним етапом отримання чистого алюмінію є проведення процесу електролізу методом Холла-Еру. В першу чергу, отриманий в процесі Байєра Al 2 O 3 розплавляють з кріолітом і таким чином приготований розчин піддають процесу електролізу при температурі не вище 900 o C. Отриманий таким чином рідкий алюміній відокремлюють від електроліту та видаляють з електролітичних ванн за допомогою т.зв. вакуумні сифони. Потім сировину потрапляє в ливарний пристрій, звідки на подальшому етапі його вкладають у розпечені печі, в яких відбувається процес переробки. Він полягає в очищенні алюмінію з метою досягнення максимальної чистоти. У промислових умовах алюміній може бути очищений двома способами. Перший з них полягає у розпалюванні алюмінію та пропусканні через нього хлору, завдяки чому домішки зв'язуються з , утворюючи хлориди, які потім видаляють із процесу. Другий метод полягає в електролітичній редукції розплавленого з міддю алюмінію. Отриманий у такий спосіб кінцевий продукт характеризується дуже високою чистотою.

Алюміній – матеріал майбутнього

Розробка методу отримання чистого алюмінію з бокситу за допомогою процесу Байєра та електролізу Холла-Еру розширила сферу застосування цього елемента. Крім того, поєднання високої міцності з легкістю дозволило в деяких випадках замінити алюмінієм більш дорогу сталь. Стійкість до впливу атмосферних факторів дала можливість використовувати алюміній у виробництві віконних та дверних профілів. Ще однією перевагою алюмінію є можливість його багаторазової вторинної переробки, завдяки чому він вважається відносно дружнім навколишньому середовищу матеріалом.

Підсумовуючи, алюміній – це універсальний матеріал, який широко використовується в харчовій, енергетичній, хімічній, транспортній, будівельній, автомобільній та авіаційній промисловостях. Враховуючи його численні переваги, безумовно, це не межа можливостей його застосування і в найближчому майбутньому він, як і раніше, набуватиме популярності.

Міністерство освіти і науки Російської Федерації

Федеральне агентство з освіти

Магнітогорський Державний Технічний Університет

ім. Носова

Кафедра металургії чорних металів

Реферат з дисципліни «Історія металургії»

МЕТАЛУРГІЯ АЛЮМІНІЮ

Анотація

Розглянуто тему "Металургія алюмінію", описано основні властивості цього металу. Коротко викладено історію відкриття алюмінію, можливі способи його отримання та застосування у різних галузях промисловості.

Вступ

1. Властивості алюмінію

2. Застосування алюмінію

3. Сирі матеріали

4. Виробництво глинозему

5. Електролітичне отримання алюмінію

6. Рафінування алюмінію

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Слово «металургія» походить від грец.

metalleuо – викопую, видобуваю із землі;

metallurgeo – видобуваю руду, обробляю метали;

metallon – копальня, метал.

Це слово означає галузь науки і техніки, що охоплює процеси обробки здобути з надр руд, отримання металів і сплавів, надання їм певних властивостей.

У давнину, у середні віки і порівняно недавно, до часу М.В.Ломоносова, вважалося, що є 7 металів (золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо, ртуть).

У 1814 р. шведський хімік Й.Берцеліус запропонував використовувати літерні знаки, якими користується весь світ, за рідкісними винятками.

Сьогодні науці відомо понад 80 металів, більшість із них використовується в техніці.

У світовій практиці склалося розподіл металів на чорні (залізо і сплави на його основі) та решта – нечорні (Non-ferrous metals, англ.; Nichtei-senmetalle, нім.) або кольорові метали. Металургія часто поділяється на чорну та кольорову. Нині частку чорних металів припадає близько 95% всієї виробленої у світі металопродукції.

У техніці прийнята також умовна класифікація, за якою кольорові метали поділені на «легкі» (алюміній, магній), «важкі» (мідь, свинець та ін.), тугоплавкі (вольфрам, молібден та ін.), благородні (золото, платина та ін), рідкісні метали.

Частка продукції, виготовленої з використанням чорних та кольорових металів, нині становить 72-74% валового національного продукту держави. Можна стверджувати, що метали у ХХІ ст. залишаться основним конструкційними матеріалами, оскільки за своїми властивостями, економічність виробництва та споживання не мають собі рівних у більшості сфер застосування.

З ~ 800 млн. т споживаних металів ~ 750 млн. т – сталь, 20-22 млн. т – алюміній, 8-10 млн. т – мідь, 5-6 млн. т – цинк, 4-5 млн. т – свинець (інші -< 1 млн. т).

З найбільш цінних і важливих для сучасної техніки металів мало хто міститься в земній корі у великих кількостях: алюміній (8,8%), залізо (4,65%), магній (2,1%), титан (0,63%) .

До рудних родовищ легких металів зазвичай відносять руди, які містять алюміній; Основний постачальник алюмінію – боксити, і навіть алуніти, нефеліни і різні особисті глини. До рудних родовищ кольорових металів відносяться родовища міді, свинцю та цинку, кобальту, нікелю, сурми. Запаси металів у найбільших їх досягають від десятків до сотень млн. т, при звичайному вмісті металів у руді – одиниці відсотків.

Маса видобутих матеріалів у багато разів перевищує кількість металів, що містяться в руді, і в переважній більшості випадків з природних руд економічно невигідно безпосередньо витягувати корисні компоненти.

Археологічні розкопки свідчать, що знайомство людини з металами відноситься до часів, дуже віддалених від нас. Вважається, що перші вироби з бронзи отримані за 3 тис. років до н.е. Значно пізніше бронзи стали виготовляти добавкою в мідь олова та інших металів (алюмінієві, берилієві, кремнієві та інші). В даний час найбільш поширені алюмінієві бронзи (5-12% Al) з добавками заліза, марганцю та нікелю.

Нині металургійне виробництво одна із пріоритетних галузей народного господарства.

1. ВЛАСТИВОСТІ АЛЮМІНІЮ

Алюміній був вперше отриманий датським фізиком Х.Ерстедом в 1825 р. Назва цього елемента походить від латинського алюмену, так у давнину називалися галун, які використовували для фарбування тканин.

Алюміній має багато цінних властивостей: невеликою щільністю – близько 2,7 г/см 3 , високою теплопровідністю – близько 300 Вт/(м. К) та високою електропровідністю 13,8 . 10 7 Ом/м, гарною пластичністю та достатньою механічною міцністю.

Алюміній утворює метали з багатьма елементами. У розплавленому стані алюміній рідкий і добре заповнює форми, у твердому вигляді він добре деформується і легко піддається різанню, пайці та зварюванню.

Спорідненість алюмінію до кисню дуже велика. При його окисленні виділяється велика кількість тепла (~ 1670000 Дж/моль). Тонкоподрібнений алюміній при нагріванні спалахує і згоряє на повітрі. Алюміній з'єднується з киснем повітря та в атмосферних умовах. При цьому алюміній покривається тонкою (товщиною ~ 0,0002 мм) щільною плівкою окису алюмінію, що захищає його від подальшого окиснення; тому алюміній стійкий проти корозії. Поверхня алюмінію добре захищає від окислення цієї плівки та в розплавленому стані.

Зі сплавів алюмінію найбільше значення мають дюралюміній і силуміни.

До складу дюралюмінію, крім алюмінію, входять 3,4-4% Cu, 0,5% Mn та 0,5% Mg, допускається не більше 0,8% Fe та 0,8% Si. Дюралюміній добре деформується і за своїми механічними властивостями близький до деяких сортів сталі, хоча він у 2,7 рази легший від сталі (щільність дюралюмінію 2,85 г/см 3 ).

Механічні властивості цього сплаву підвищуються після термічної обробки та деформації у холодному стані. Опір на розрив підвищується з 147-216 МПа до 353-412 МПа, а твердість за Брінеллем з 490-588 до 880-980 МПа. При цьому відносне подовження металу майже не змінюється і залишається досить високим (18-24%).

Силуміни – ливарні метали алюмінію з кремнієм. Вони мають хороші ливарні якості та механічні властивості.

В історії металургії алюмінію можна розрізнити три періоди, що характеризуються певними способами, що застосовуються для отримання цього металу!. Ці періоди наступні: 1) одержання алюмінію хімічними методами, 2) одержання алюмінію електротермічним шляхом і 3) одержання алюмінію електролізом розплавлених солей.

Відкриття алюмінію та отримання його хімічними методами

Початкові спроби виділення алюмінію у вільному стані відносяться до 1807 і належать знаменитому англійському хіміку Гемфрі Деві (1778-1629). Останньому до цього часу вдалося вперше отримати металеві калій та натрій електролізом розплавлених їдких лугів. Як джерело струму Деві користувався вольтовим стовпом. J

З метою виділення алюмінію Деві тим самим шляхом намагався розкласти глинозем. Для цього він пропускав електричний струм через злегка зволожену і гідроксид алюмінію, що знаходиться в атмосфері водню. При цьому як анод служила платинова пластинка, на якій містився щільно спресований гідроксид алюмінію, а катодом - занурений у неї залізний дріт. При пропусканні струму остання розпалювалася до білого і оплавлялася.

Таким шляхом Деві отримав лише залізоалюмінієвий сплав, з якого виділити вільний алюміній не зміг. Так само виявилися безуспішними досліди Деві з відновлення глинозему парами калію в присутності Залізної тирси.

Фіг.1 Одержання алюмінію методом Сен-Клер-Девіля. Перша майстерня у районі Парижа

З отриманого металу заліза з алюмінієм останній виділити в чистому вигляді Деві також не вдалося.

Все це, однак, не завадило Деві бути впевненим у тому, що глинозем є хімічним похідним передбачуваного металу, якому він заздалегідь дав назву aluminum (алюмінум), утворивши його від англійської назви глинозему – alumina.

Вільний алюміній вперше був виділений датським фізиком Гансом Ерстедом (1777-1851) у березні.1825 р. З цією метою Ерстед отримав амальгаму алюмінію, відновивши хлорид алюмінію (також ним вперше отриманий) амальгамою калію. Дестилюючи потім без доступу повітря ртуть з отриманої алюмінієвої амальгами, Ерстед вийняв таким чином невеликі грудочки алюмінію - "металу з глини", за кольором і блиском схожого на олово.

Пізніше, 1827 р., німецький хімік Фрідріх Ведер (1800-1882) покращив метод Ерстеда, замінивши амальгаму калію металевим калієм. У фарфоровий або платиновий тигель Велер поміщав кілька шматочків металевого калію, зверху засинав їх кристалами хлориду алюмінію, і закритий кришкою тигель обережно нагрівав на пальнику. Отримана в результаті реакції сіро-чорна плавлена маса після охолодження вилуговували водою; твердий залишок являв собою порошкоподібний алюміній. Так як взаємодія між калієм і хлоридом алюмінію при їх безпосередньому сплавленні протікало вкрай бурхливо Велер в 1845 застосував змінений варіант свого способу, нагріваючи ці речовини роздільно і пропускаючи пари хлориду алюмінію над калієм. Застосовуючи цей метод. Велер отримав алюміній у кількостях, достатніх визначення його найважливіших фізичних і хімічних властивостей.

У 1864 р. Анрі Сен-Клер-Девіль (1818-1881 р.) у Франції застосував метод Велера для першого промислового способу виробництва алюмінію, внісши в нього подальші поліпшення: металевий калій Сен-Клер-Девіль замінив більш дешевим натрієм, а нестійкий і дуже гігроскопічний хлорид алюмінію - більш міцним подвійним хлоридом алюмінію і натрію (АLСLз №СL). Розкладання подвійного хлориду натрієм здійснювалося в полум'яній печі при температурі, що поступово підвищується. Процес, на відміну бурхливої реакції відновлення чистого хлориду алюмінію, протікав дуже спокійно. Відновлений алюміній збирався на подині печі і потім відливався в болванки в залізних виливницях (фіг. 1). Виробництво алюмінію цим так званим хімічним способом методом Сен-Клер-Девіля існувало з 1854 по 1890 р. Проте протягом. 30 років за допомогою хімічного методу було отримано загалом близько 200: т алюмінію. Наприкінці 80-х років минулого століття хімічний спосіб був витіснений електролітичним способом, який дозволив різко знизити вартість виробництва алюмінію та створив можливість для швидкого розвитку алюмінієвої промисловості.

Історія отримання алюмінієвих сплавів електротермічним шляхом

В історії металургії алюмінію мають бути відзначені роботи бр. Каулес з електротермічного виробництва алюмінієвих сплавів, (що стосуються кінця минулого (Століття. Після ряду безуспішних спроб отримання чистого, вільного від карбіду, алюмінію відновленням глинозему вуглецем, Каулес дійшли необхідності вести цей процес у присутності інших, менш хімічно активних металів). був розроблений промисловий метод електротермічного отримання сплавів алюмінію з міддю та залізом - алюмінієвої бронзи та фероалюмінію.

Для отримання цих металів бр. Каулес застосовували дугові печі на 5000-6000 а і 60 (фіг. 2). У піч вводилася шихта з глинозему, деревного вугілля та металевого скрапу (заліза чи міді). Алюмінієва бронза виходила із вмістом до 17% Аl та фероалюміній до 20% Аl. Витрата електроенергії становив у середньому 37 квт-год на 1 кг алюмінію у сплаві.

Фіг. 2. Дугові електропечі бр. Каулес

За методом бр. Каулес в Англії та США з 1884 по 1892 р. працювали заводи, що випускали сплави на ринок. Однак у такому вигляді електротермічний спосіб виробництва алюмінієвих сплавів конкурувати з дешевшим електролітичним методом не міг.

Тільки в даний час електротермічне виробництво алюмінієвих сплавів, головним чином з кремнієм, знову набуло значного розвитку як одна зі спеціальних галузей металургії алюмінію.

Історія одержання алюмінію електролізом розплавлених солей

У 1852 р. Роберт Бунеен (1811-1899), піддаючи електролізу розплавлений хлорид магнію, отримав металевий магній. Продовжуючи свої дослідження, Бунзен застосував цей метод для виділення металевого -алюмінію. Останній і був ним отриманий в 1854 електролізом розплавленого подвійного хлориду алюмінію і натрію.

Сен-Клер-Девіль, проводячи свої дослідження незалежно від Бунзена, в цей же час також отримав металевий алюміній електролізом подвійного хлориду алюмінію і натрію. У березні 1854 р. Сен-Клер-Девіль представив французької Академії наук разом з описом своїх досвідів маленький король алюмінію, виділений ним електролітичним шляхом. 9 липня того ж року Бунзен опублікував результати своїх робіт у Поггендорфс Аннален.

Досліди Бунзена і Сен-Клер-Девіля не вийшли, /проте, за межі лабораторії через неможливість отримати на той час значну кількість електроенергії.

Знадобилося понад 30 років, перш ніж принцип отримання «алюмінію електролізом розплавлених солей знайшов своє здійснення у промисловому! і.

Потужним поштовхом у розвиток електролітичного методу послужило «винахід в,1867 р. бр. Грам динамомашин.

Основоположними сучасного електролітичного способу виробництва металевого алюмінію є Поль Еру (1863-1914) у Фракції та Чарльз Холл (1863-1914) у США, 23 квітня 1886 р. Еру та 9 липня того ж року Холл заявили майже аналогічні патенти на спосіб отримання алюмінію електролізом глинозему розчиненого у розплавленому кріоліті.

Ці дати власне і слід вважати початком розвитку сучасної світової алюмінієвої промисловості і водночас початком широкого використання алюмінію. Необхідно відзначити, що появі патентів Еру і Холла передувало накопичення значного практичного та теоретичного матеріалу, отриманого великою кількістю дослідників, які багато працювали над питанням електролізу розплавлених алюмінієвих солей. ,

Роль Еру і Холла полягала, мабуть, не так у ношзні їх відкриття, як у вдалому поєднанні «вже відомих положень, оформлених ними в спосіб, придатний для промислового використання.

Еру, будучи студентом Гірської школи Парижі, вже 1888 р. цікавився електролітичним методом отримання алюмінію. Про це свідчить малюнок електролізу в його зошит, датований цього року (фіг. 3). Дуже показово, що цей малюнок надзвичайно близький до ескізу з першого патенту Еру<см. фиг. 4). *

Інтерес Еру до алюмінію отримав практичне заломлення після смерті батька, коли він отримав у спадок невелику шкіряну майстерню в Жантільї поблизу Парижа. Майстерня була обладнана парбовою машиною, і після придбання динамомашини Грама Еру отримав можливість проводити досліди електролізу різних з'єднань алюмінію.

Фіг. 3. Малюнок електролізера в шкільному зошиті Еру

Будучи переконаний, що алюміній можна отримати електролізом, Еру після багатьох невдач te водними розчинами перейшов до електролізу розплавленого кріоліту і суміші його з хлоридом алюмінію. Під час одного з таких дослідів дослідник виявив на вугільному аноді ясні ознаки його обгорання і зробив висновок, що в електроліті знаходиться оксид, відновлення якого йшло за рахунок витрачання матеріалу аноду.

Хімічний аналіз показав, що замість хлориду алюмінію в розплавлений кріоліт дослідник вводив глинозем, що виходив за рахунок гідролізу хлориду. Ввівши тепер глинозем у кріоліт навмисно, Еру 'і пюк-. йшов до відкриття методу, який відтоді застосовується для алюмінію.

На підставі цих дослідів Еру заявив свій перший патент від 23 квітня 1886 р. Патент цей дає дуже ясне формулювання сутності процесу, яка залишається цілком справедливою і по теперішній час.

Фіг. 4. Ескіз електролізера з першого патенту Еру

«Я претендую, - йдеться в патенті,- на винахід описаного вище способу отримання алюмінію, який полягає в електролізі глинозему, розчиненого в розплавленому кріоліті, причому струм підводиться за допомогою будь-яких електродів, наприклад, вугільних анодів, що занурюються в розплавлений електроліт, в той час каяк катодом служить саму посудину для електроліту. При цьому анод спалюється киснем, що виділяється на ньому, а метал збирається на дні тигля. У цьому процесі кріоліт не витрачається, і для безперервного виділення металу достатньо відшкодовувати глинозем, що розкладається при електролізі».

Фіг. 5. Ескіз електролізера із додаткового патенту Еру

Як електролізер Еру використав вугільний стакан, який вставляється всередину великого графітового тигля. Весь апарат містився у коксову піч. На фіг. 4 наведено ескіз електролізера першого патенту Еру. Не знайшовши, однак, спочатку свого патенту практичного застосування, Еру зайнявся розробкою способу отримання алюмінієвих сплавів і приблизно роком пізніше заявив додатковий патент отримання електролітичним шляхом алюмінієвої бронзи. Для цього електролізер вводиться відповідну кількість металевої міді. У патенті також вказується можливість одночасного електролізу глинозему і окисла важкого металу. Як видно з ескізу (фіг. 5), запозиченого з додаткового патенту Еру, тут немає зовнішнього нагрівання електролізера, причому в описі вказується, що «електричний струм виробляє достатньо тепла, щоб глинозем підтримувати в розплавленому стані».

Еру не зміг реалізувати свій винахід у Франції і зробив це у Швейцарії, на заводі в Нейгаузені, пущеному наприкінці 1888 р. Завод цей був першим у Європі алюмінієвим підприємством, що працював за електролітичним методом. Спочатку завод робив алюмінієву бронзу на основі додаткового патенту Еру. Незабаром (1891). однак, завод у Нейгаузені перейшов на виробництво чистого алюмінію.

Хол так само, мак і Еру, будучи ще студентом коледжу, зацікавився питанням отримання алюмінію і виробляв досліди, сподіваючись знайти найбільш економічний спосіб виробництва цього металу. У своїх дослідженнях Холл спочатку йшов суто емпіричним шляхом. Він намагався застосувати спосіб термічного відновлення, потім перейшов до електролізу водних розчинів алюмінієвих солей, переконався у необхідності переходу до електролізу у неводному середовищі і, нарешті, почав шукати розчинника для глинозему. З цією метою Холл перепробував різні фтористі солі. У лютому 1886 р. він відчув кріоліт, причому виявив дуже легку розчинність у ньому глинозему, який у розплавленій солі швидко зникав, розчиняючись «подібно до цукру або солі в окропі».

23 лютого 1886 р. Холл піддав електролізу розчин глинозему в розплавленому кріоліті та отримав алюміній. 9 липня 1886 р. він заявив свій «основний патент, який був виданий йому 2 квітня 1889 року.

У 1888 р. в Кенсінгтоні поблизу Пітсбурга (США) було розпочато перше в США виробництво алюмінію та електролітичного методу Холла з отриманням 50 фунтів (28, 65 кг) металу на день (фіг. 6). З 1894 р. цього виробництва спала використовуватися енергія Ніагарського водоспаду.

Фіг. 6. Перше виробництво алюмінію за методом Холла у Пітсбурзі

З моменту появи методу Еру і Холла власне і починається розвиток сучасної алюмінієвої промисловості, яка за півстоліття свого існування виросла в одну з найбільших галузей світового господарства.

Дуже показовим є рух цін на алюміній на світовому ринку. Протягом 30 років, поки алюміній виходив хімічним шляхом, ціна трималася приблизно на рівні 45 руб. за кілограм. З 1890 р. коли електролітичний метод витіснив всі інші, сталося рідкісне зниження ціни на алюміній, яка вже у всі наступні роки становила в середньому 1 руб. за кілограм.

Перші спроби організації виробництва алюмінію в нашій країні відносяться до 80-х років минулого століття, коли під Москвою для отримання алюмінію хімічним шляхом був побудований невеликий завод, який проіснував, однак, дуже короткий час (Ос 1892 по 1893 р.).

На початку цього сторіччя проф. П. П. Федотьева (1864-1934) та інші російськими вченими було виконано у сфері вивчення сучасного способу виробництва алюмінію ряд теоретичних досліджень, які здобули світову популярність. Однак лише після Жовтневої соціалістичної революції були створені умови для організації та розвитку алюмінієвої промисловості у нашій країні.

Перші досліди отримання алюмінію у значному масштабі було здійснено у 1929 р. з ініціативи Ленінградської обласної ради народного господарства на заводі «Червоний вибіржець» (Ленінград) під керівництвом проф. П. П. Федотьева. У 1930 р. в Ленінграді було пущено досвідчений алюмінієвий завод, який зіграв велику роль у розвитку радянської алюмінієвої промисловості. На цьому заводі протягом чотирьох років випробовувалося різне обладнання та навчалися кадри робітників та інженерно-технічного персоналу для перших алюмінієвих підприємств.

У травні 19321 р. було пущено Волхівський алюмінієвий завод, споруджений з урахуванням Волховської гідроелектростанції, а червні 1933 р. Дніпровський алюмінієвий завод, споруджений з урахуванням Дніпрогес. В 1938 вступив в експлуатацію Тихвінський глиноземний завод, розташований в безпосередній близькості до родовища тихвінських, бокситів. Далі, у вересні 1939 р., був пущений Уральський алюмінієвий завод з більш досконалим і потужним обладнанням, ніж попередні, а потім уже в період Великої вітчизняної війни - ряд нових алюмінієвих заводів, споруджених у східних районах країни.

Схожі записи:

Міністерство освіти і науки Російської Федерації

Федеральне агентство з освіти

Магнітогорський Державний Технічний Університет

ім. Носова

Кафедра металургії чорних металів

Реферат з дисципліни «Історія металургії»

МЕТАЛУРГІЯ АЛЮМІНІЮ

Анотація

Вступ

1. Властивості алюмінію

2. Застосування алюмінію

3. Сирі матеріали

4. Виробництво глинозему

5. Електролітичне отримання алюмінію

6. Рафінування алюмінію

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Слово «металургія» походить від грец.

metalleuо – викопую, видобуваю із землі;

metallurgeo – видобуваю руду, обробляю метали;

metallon – копальня, метал.

Сьогодні науці відомо понад 80 металів, більшість із них використовується в техніці.

У світовій практиці склалося розподіл металів на чорні (залізо і сплави на його основі) та решта – нечорні (Non-ferrousmetals, англ.; Nichtei-senmetalle, нім.) або кольорові метали. Металургія часто поділяється на чорну та кольорову. Нині частку чорних металів припадає близько 95% всієї виробленої у світі металопродукції.

Нині металургійне виробництво одна із пріоритетних галузей народного господарства.

1. ВЛАСТИВОСТІ АЛЮМІНІЮ

Зі сплавів алюмінію найбільше значення мають дюралюміній і силуміни.

Силуміни – ливарні метали алюмінію з кремнієм. Вони мають хороші ливарні якості та механічні властивості.

2. ЗАСТОСУВАННЯ АЛЮМІНІЮ

Алюміній та сплави широко застосовують у багатьох галузях промисловості, у тому числі в авіації, транспорті, металургії, харчової промисловості та ін. З алюмінію та його сплавів виготовляють корпуси літаків, мотори, блоки циліндрів, коробки передач, насоси та інші деталі в авіаційній, автомобільній та тракторної промисловості; судини для зберігання хімічних продуктів. Алюміній широко застосовують у побуті, харчовій промисловості, в ядерній енергетиці та космічних кораблів виготовлені з алюмінію та його сплавів.

Внаслідок великої хімічної спорідненості алюмінію до кисню його застосовують у металургії як розкислювач, а також для отримання при використанні так званого алюмінотермічного процесу металів, що важко відновлюються (кальцію, літію та ін.).

За загальним виробництвом металу у світі алюміній посідає друге місце після заліза. ,

3. СИРІ МАТЕРІАЛИ

Основним сучасним способом виробництва алюмінію є електролітичний спосіб, що складається із двох стадій. Перша – це одержання глинозему (Al 2 O 3) з рудної сировини та друга – одержання рідкого алюмінію з глинозему шляхом електролізу.

Руди алюмінію. Внаслідок високої хімічної активності алюміній зустрічається у природі лише у зв'язаному вигляді: корунд Al 2 O 3 , гіббсит Al 2 O 3 . 3H 2 O, беміт Al 2 O 3 . H 2 O, кіаніт 3Al 2 O 3 , 2SiO 2 , нефелін (Na, K) 2 O . Al 2 O 3 . 2SiO 2 , каолініт Al 2 O 3 , 2SiO 2 . 2H 2 O та інші. Основними використовуваними нині алюмінієвими рудами є боксити, і навіть нефеліни і алуніти.

Боксити. Алюміній у бокситах знаходиться головним чином у вигляді гідроксидів алюмінію (гіббситу, беміту та ін), корунду та каолінту. Хімічний склад бокситів досить складний. Вони часто містять понад 40 хімічних елементів. Зміст глинозему у яких становить 35-60%, кремнезему 2-20%, оксиду Fe 2 O 3 2-40%, окису титану 0,01-10%. Важливою характеристикою бокситів є відношення вмісту в них Al 2 O 3 SiO 2 по масі - так званий крем'яний модуль.

До великих родовищ бокситів нашій країні належить Тихвінське (Ленінградська область), Североуральское (Свердловська область), Южноуральское (Челябінська область), Тургайское і Червоножовтневе (Кустанайська область).

Нефеліни входять до складу нефелінових сієнітів та уртитів. Велике родовище уртитів знаходиться на Кольському півострові. Основні компоненти уртиту – нефелін та апатит 3Ca 3 (PO 4) 2 . CaF 2 . Їх піддають флотаційному збагаченню із нефелинового апатитового концентратів. Апатитовий концентрат йде для приготування фосфорних добрив, а нефеліновий – для одержання глинозему. Нефеліновий концентрат містить, %: 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 і 2-3 CaO.

Алуніти є основним сульфатом алюмінію і калію (або натрію) K 2 SO 4 . Al 2 (SO 4) 3 . 4 Al(OH) 3 . Зміст Al 2 O 3 в них невисока (20-22%), але в них є інші цінні складові: сірчаний ангідрид SO 3 (~ 20%) і луг Na 2 O , K 2 O (4-5%). Таким чином, вони, так само як і нефеліни, є комплексною сировиною.

Інші сировинні матеріали. При виробництві глинозему застосовують луг NaOH, іноді вапняк CaCO 3 при електролізі глинозему кріоліт Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) і трохи фтористого алюмінію AlF 3 , а також CaF 2 і MgF 2 .

4. ВИРОБНИЦТВО ГЛИНОЗЕМУ

За кордоном практично весь глинозем отримують з бокситів в основному способом Байєра (К.І.Байєр – австрійський інженер, який працював у Росії), на вітчизняних заводах глинозем отримують з бокситів способом Байєра та з бокситів та нефелінів способом спікання. Обидва ці способи відносяться до лужних методів виділення глинозему з руд. Спосіб Байєра економічно доцільно використовувати для переробки бокситів з невеликим вмістом SiO 2 (з кремнієвим модулем Al 2 O 3 /SiO 2 більше 5-7), оскільки при зростанні кількості SiO 2 все більше Al 2 O 3 і використовуваної в процесі лугу втрачаються з- за утворення хімічної сполуки Na 2 O . Al 2 O 3 . 2SiO 2 . 2H 2 O.

Для переробки бокситів з кремнієвим модулем менше 5-7 економічним є спосіб спечення. У зв'язку з виснаженням багатих глиноземом родовищ бокситу і залученням у виробництво бідніших бокситів, частка способу Байєра у виробництві глинозему знижується і зростає частка способу спікання.

Спосіб Байєра

Спосіб Байєра - спосіб виділення глинозему з бокситу - заснований на вилуговуванні, мета якого розчинити оксид алюмінію, що міститься в боксіті, уникнувши переведення в розчин інших складових бокситу. В основі способу лежить оборотна хімічна реакція:

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

При протіканні реакції вправо глинозем у вигляді алюмінату натрію переходить в розчин, а при зворотному перебігу реакції утворюється гідротований Al 2 O 3 випадає в осад.

1. Підготовка бокситу до вилуговування. Боксит дроблять і розмелюють до фракцій розміром 0,05 - 0,15 мм в середовищі лугу, що додається, і оборотного розчину лугу додають також трохи вапна, що активізує вилуговування.

2. Вилужування. Отриману при помелі пульпу направляють на вилуговування. Для повного перебігу наведеної вище реакції вправо (утворення алюмінату натрію) необхідні лужне середовище, високий тиск (~ 3МПа), нагрівання пульпи до 100 – 240 0 C (залежно від сорту бокситу) та його тривале (близько 2 год) перемішування. Такі умови забезпечуються у автоклавах – судинах, які працюють під тиском. Застосовувані автоклави є (рис. 2) сталевий циліндричний посуд діаметром 1,6 – 2,5 і висотою 13,5 – 17,5 м. Тиск в автоклаві 2,5 – 3,3 МПа, пульпу подають зверху, знизу через патрубок 2 з барботером 3 – пара, яка нагріває та перемішує її. З автоклава пульпа вичавлюється через трубу 1.

Пульпу зазвичай пропускають через батарею з 6 - 10 послідовно встановлених автоклавів, де протягом ~ 2 год міститься в пульпі у вигляді Al 2 O 3 , H 2 O, Al 2 O 3 , 3H 2 O та Al 2 O 3 глинозем реагує зі лугом (Реакція наведена вище), переходячи в Na 2 O . Al 2 O 3 . У перший автоклав пульпу падають насосом, попередньо підігрів до ~ 150 0 С, з останнього автоклава пульпа потрапляє в два автоклави-випарники, в яких тиск знижується до атмосферного. Продуктом є автоклавна пульпа, що складається з алюмінатного розчину (що містить Na 2 O . Al 2 O 3) і шламу (осаду, в який випадають інші домішки бокситу).

3. Поділ алюмінатного розчину і шламу після розведення пульпи водою проводять у згущувачах (відстійниках) – судинах діаметром 15 – 50 м, на дні яких осідає шлам, а через верх зливається алюмінатний розчин, що відстоявся. Його додатково пропускають через фільтри та направляють на наступну операцію - декомпозицію. Одержуваний червоний шлам (забарвлення йому надають частинки F 2 O 3) йде в відвал, містить шлам, %:

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

4. Розкладання алюмінатного розчину, зване декомпозицією або викручуванням проводять з метою перевести алюміній з розчину в осад у вигляді Al 2 O 3 , 3H 2 O, для чого забезпечують перебіг наведеної вище реакції вилуговування вліво, у бік утворення Al 2 O 3 , 3H 2 O. Щоб зазначена реакція йшла вліво, необхідно знизити тиск, розбавити і охолодити розчин, ввести в нього затравки і пульпу для отримання достатнього крупних кристалів Al 2 O 3 3H 2 O перемішувати протягом 50-90 год.

Цей процес здійснюють у серії встановлених послідовно та з'єднаних перепускними сифонами декомпозерів, через які послідовно проходить пульпа. У серії встановлюють 10-11 декомпозерів з механічним перемішуванням або 16-28 декомпозерів з повітряним перемішуванням пульпи.

5. Відділення кристалів гідроксиду алюмінію від розчину та класифікація кристалів по крупності. Після декомпозиції пульпа надходить у згущувачі, де гідроксид відокремлюють від розчину. Отриманий гідроксид у гідросепараторах поділяють на фракцію з розміром частинок 40-100 мкм і дрібну фракцію, яку використовують як затравку при декомпозиції. Велику фракцію промивають, фільтрують і спрямовують на кальцинацію.

6. Кальцинацію або зневоднення гідроксиду алюмінію здійснюють у футерованих шамотом трубчастих печах, що обертаються, діаметром 2,5-5 і довжиною 35-110 м, опалюваних природним газом або мазутом. Гідроксид повільно перемішується вздовж обертового барабана назустріч потоку 200-300 0 С в місці завантаження до ~ 1200 0 С поблизу пальника йде реакція: Al 2 O 3 , 3H 2 O = Al 2 O 3 + , 3H 2 O, закінчується при 0 Продуктом є глинозем Al 2 O 3 (порошок білого кольору).

Вилучення глинозему при використанні описаного способу Байєра становить близько 87%. ,

Спосіб спікання

Спосіб застосовують для отримання глинозему з висококремнистих бокситів з кремнієвим модулем менше 5-7 та з нефелінових руд; спосіб придатний також для переробки будь-якої алюмінієвої сировини.

Сутність способу полягає в отриманні твердих алюмінатів шляхом їх спікання при високих (~ 1300 0 С) температурах і в подальшому вилуговування отриманого спеку.

Одержання глинозему із бокситів. Основні стадії цього процесу такі.

Підготовка до спечення. Боксит і вапняк після дроблення подрібнюють у млинах серед оборотного содового розчину з добавкою свіжої соди, отримуючи пульпу з вологістю 40%.

Спікання ведуть в опалюваних трубчастих печах, що обертаються діаметром до 5 і довжиною до 185 м. Температура в печі підвищується від 200 -300 0 С в місці подачі пульпи до ~ 1300 0 С в розвантажувальному кінці біля пальника. При нагріванні оксид алюмінію перетворюється на водорозчинний алюмінат натрію:

Al 2 O 3 + Na 2 CO 3 = Na 2 O. Al 2 O 3 + CO,

а кремнезем зв'язується в малорозчинні силікати: SiO 2 + 2 CaO = 2 CaO . SiO 2 . З содою реагує також бокситу, утворюючи Na 2 O . Fe 2 O 3 . Ці хімічні сполуки спікаються, утворюючи частково оплавлені шматки – спек.

Після випалювальної печі спек охолоджують у холодильниках, дроблять до 6 -8 мм і направляють на вилуговування.

Вилуговування ведуть гарячою водою проточним методом в апаратах різної конструкції: дифузорах (циліндричних судинах, куди порціями завантажують і вивантажують спек), у конвеєрних вилуговувачах та ін. Найбільш досконалими є трубчасті вилуговувачі безперервної дії (рис.3). Завантажуваний через бункер 1 в посудину висотою 26 м спек завдяки безперервному вивантаженню секторними розвантажувачами 2 рухається вниз і промивається зустрічним потоком води. У воді розчиняється алюмінат натрію, вода розкладає ферит натрію Na 2 O . Fe 2 O 3 і Fe 2 O 3 випадає осад. Продуктами вилуговування є алюмінатний розчин і червоний шлам, що містить Fe 2 O 3 Al 2 O 3 SiO 2 CaO. В алюмінатний розчин переходить трохи кремнезему у вигляді гідросилікатів, у зв'язку з чим розчин зазнають обезкремнення.

Знекремнювання алюмінатного розчину здійснюють у батареї автоклавів тривалою (~ 2,5 год) витримкою при температурі 150 - 170 0 С. У цих умовах виростають кристали нерозчинної у воді сполуки Na 2 O . Al 2 O 3 . 2SiO 2 , 2H 2 O (іноді до розчину додають вапно, у цьому випадку утворюються кристали CaO , Al 2 O 3 . 2SiO 2 , 2H 2 O). З автоклавів виходить пульпа, що складається з алюмінатного розчину та осаду – білого шламу. Далі розчин відокремлюють від білого шламу шляхом згущення та фільтрації. Білий шлам йде в шихту для спікання, розчин направляють на карбонізацію.

Карбонізацію проводять з метою виділення алюмінію в осад Al 2 O 3 . 3H 2 O(карбонізація замінює декомпозицію у способі Байєра). Карбонізацію здійснюють у судинах циліндричної або циліндроконічної форми обсягом до 800 м 3 пропусканням через розчин відпрацьованих газів спікальних печей, що містять 10 -14% CO 2 . Гази перемішують розчин, а розкладає алюмінат натрію:

Na 2 O. Al 2 O 3 + CO 2 + 3H 2 O = Al 2 O 3 . 3H 2 O + Na 2 CO 3

і гідроксид алюмінію випадає осад.

Далі проводять ті ж технологічні операції, що й у способі Байєра: відділення Al 2 O 3 . 3H 2 Oвід розчину та кальцинацію – зневоднення гідроксиду алюмінію прожарюванням у трубчастих печах з отриманням глинозему Al 2 O 3 .

Приблизна витрата матеріалів отримання 1 т глинозему, т: бокситу 3,2 – 3,6; вапняку 1,35; вапна 0,025; кальцинованої соди 0,19; умовного палива 1,1 - 1,2; електроенергії ~800 кВт;

Одержання глинозему із нефелінів. Нефеліновий концентрат або руду та вапняк після дроблення розмелюють у водному середовищі, отримуючи пульпу для спікання. У зв'язку з наявністю у складі нефеліну лугів не потрібно добавок у шихту соди.

Спікання проводять в опалюваних трубчастих печах, що обертаються діаметром 3 - 5 і довжиною до 190 м; пульпу заливають у піч з боку газів, де температура дорівнює 200 - 300 0 С, а в розвантажувальному кінці вона досягає 1300 0 С. У процесі нагрівання нефелін взаємодіє з вапняком:

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

В результаті цієї реакції входять до складу нефеліну Na 2 O і K 2 O забезпечують переклад глинозему у водорозчинні алюмінати, а CaO зв'язує кремнезем в малорозчинний двокальцієвий силікат. Отриманий спек охолоджують у холодильниках і дроблять.

Вилуговування нефелінового спеку поєднують з його розмолом і проводять у кульових або стрижневих млинах у середовищі гарячої води з лужним розчином, що отримується після карбонізації. У процесі вилуговування алюмінати розчиняються у воді і залишається вапняно-кремнистий шлам, що йде на виробництво цементу.

Знекремлювання алюмінатного розчину проходить у дві стадії. Першу проводять в автоклавах протягом 1,5-2 години при температурі 150-170 0 С; при цьому в осад випадають алюмосилікати, що містять кремнезем, цей осад йде а шихту для спікання.

Другу частину алюмінатного розчину додатково знекремнюють в мішалках з добавкою вапна при ~ 95 0 С протягом 1,5-2 год. При цьому в осад випадає вапняно-силікатний шлам і забезпечується глибоке знекремлювання алюмінатного розчину. Потім цей розчин піддають кальцинації, отримуючи в осаді гідроксид алюмінію і глибоко знекремлений содовий розчин, з якого далі в содовому цеху отримують поташ (K 2 CO 3) і кальциновану соду (Na 2 CO 3); глибоке знекремлення необхідне отримання цих товарних продуктів.

Кальцинація. Гідроксид алюмінію після обох гілок переробки алюмінатного розчину піддають промиванні та фільтрації і потім направляють на кальцинацію (зневоднення), яку проводять так само, як у способі Байєра, отримуючи глинозем.

Приблизна витрата матеріалів на одержанні 1т глинозему з нефелінів, т: нефеліну 4; вапняку 7; вапна 0,1; умовного палива 1,5; електроенергії ~ 1000 кВт, год. При цьому отримують близько 1 т содопродуктів та до 10 т цементу.

5. ЕЛЕКТРОЛІТИЧНЕ ОТРИМАННЯ АЛЮМІНІЮ

Алюміній отримують шляхом електролізу глинозему, розчиненого у розплавленому електролізі, основним компонентом якого є кріоліт. У чистому кріоліті Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) відношення NaF: AlF 3 дорівнює 3, для економії електроенергії необхідно при електролізі мати це відношення в межах 2,6-2,8, тому до кріоліту додають фтористий алюміній AlF 3 . Крім того, для зниження температури плавлення електроліт додають трохи CaF 2 , MgF 2 і іноді NaCl. Зміст основних компонентів у промисловому електроліті знаходиться в таких межах, %: Na 3 AlF 6 75-90; AlF 3 5-12; MgF 2 2-5; CaF 2 2-4; Al 2 O 3 2-10.

Електролізна ванна або електролізер, де проводять електроліз, має у плані прямокутну форму. Кожух із сталевих листів охоплює стіни ванни, а у великих ванн виконаний із днищем. Усередині є шар шамоту і далі стіни викладені вугільними плитами, а під утвореними подовими вугільними блоками. Ванна глибиною 0,5-0,6 м заповнений електролітом і шаром рідкого алюмінію, що знаходиться під ним.

Вугільний анод підвішений на сталевих стрижнях так, що нижній кінець його занурений в електроліт, через стрижні до анода подається струм від шин.

Потужність електролізера, що визначається силою струму, що підводиться до неї, змінюється від 30 кА у ванн малої потужності до 250 кА у ванн великої потужності.

Електролізні ванни з попередньо оббіженими анодами мають анодний вузол, складений з кількох вугільних або графітованих блоків, які розташовані в два ряди. У кожному блоці закріплені чотири сталеві ніпелі, з'єднані зі штангою; цей пристрій служить для підведення струму та для підвіски блоку. Згорілі блоки замінюють на нові. Над ванною встановлений газоуловлювальний короб.

Використання обпалених анодів дозволило збільшити одиничну потужність ванн і сильно скоротити виділення шкідливих канцерогенних речовин, які утворюються при коксуванні пеку електронів, що самовипалюються.

Електронні ванни розміщують у цеху в ряд - по кілька десятків ванн у ряду.

Електроліз ведуть при напрузі 4-4,3 В, як зазначалося, при питомій щільності струму, що походить через анод, що дорівнює 0,65-1,0 А /см 2 . Товщина шару електроліту у ванні становить 150-250 мм. Температуру ванни підтримують в межах 950-970 0 С за рахунок тепла, що виділяється при постійному проходженні струму через електроліт. Такі температури мають місце під анодом, а на кордоні з повітрям утворюється кірка електроліту, що затвердів, а біля стін ванни - затверділий шар електроліту (гарнісаж).

Необхідна температура ванни, тобто виділення в шарі електроліту необхідної кількості тепла забезпечується при певному електроопір шару електроліту. Такого електроопору досягають, підтримуючи в заданих межах склад електроліту і товщину його струмопровідного шару, тобто відстані між анодом і шаром рідкого алюмінію в межах 40-60 мм.

При додатку напруги до катода та анода складові рідкого електроліту піддаються електролітичній дисоціації, і розплав складається з численних катіонів та аніонів. Склад електроліту підібраний так, що відповідно до значень потенціалів розряду на електродах можуть розряджатися тільки катіони Al 3+ і аніони O 2- , що утворюються при дисоціації Al 2 O 3 в електроліті.

Алюміній, що розряджається на катоді, накопичується на подині ванни під шаром електроліту. Виділяється на аноді з утворенням газів CO і CO 2 , тобто при цьому окислюється низ анода, у зв'язку з чим анод періодично опускають. Гази CO і CO 2 виходять з-під анодів вздовж їх бічних поверхонь, вони містять токсичні фтористі з'єднання і глиноземний пил, що виділяються з електроліту; ці гази вловлюють та очищають від пилу та фтористих сполук.

По ходу процесу у ванни періодично завантажують глинозем; контролюють склад електроліту, вводячи коригувальні добавки; за допомогою регуляторів підтримують оптимальну відстань між анодами та рідким алюмінієм. Глинозем завантажують у ванни зверху, пробираючи при цьому кірку спеклого електроліту з допомогою пересуваються вздовж ванн машин.

Рідкий алюміній витягають із ванн один раз на добу або через 2-3 доби за допомогою вакуум-ковшів. Вакуум-ківш являє собою ємність, що вміщує 1,5-5 т алюмінію футеровану шамотом, в якій створюється розрядження ~ 70 кПа. З'єднану з патрубком ковша забірну трубку занурюють зверху шар рідкого алюмінію засмоктується в ківш.

Анодні гази, що виділяються, спочатку направляють в пальники, де спалюють CO і відгони смоли, а потім в газоочищення, де вловлюють пил і фтористі з'єднання.

Продуктивність сучасних електролізних ванн становить 500-1200 кг алюмінію на добу. Для отримання 1 т алюмінію витрачається ~ 1,95 т глинозему, ~ 25 кг кріоліту, 25 кг фтористого алюмінію, 0,5-0,6 т анодної маси, 14-16 МВт, год електроенергії. ,

6. РАФІНУВАННЯ АЛЮМІНІЮ

Алюміній, що витягується з електролізних ванн, називають алюмінієм-сирцем. Він містить металеві та неметалічні домішки, а також гази (водень, кисень, азот, оксиди вуглецю, сірчистий газ). Неметалічні домішки – це механічно захоплені частинки глинозему, електроліт, частинки футерування та ін.

Для відчищення від механічно захоплених домішок, розчинених газів, а також від Na, Ca та Mg алюміній піддають хлоруванню. Для цього у вакуум-ківш вводять трубку, через яку протягом 10-15 хв подають газоподібний хлор, причому для збільшення поверхні зіткнення газу з металом на кінці трубки кріплять пористі керамічні пробки, що забезпечують дроблення струменя газу на дрібні бульбашки. Хлор активно реагує з алюмінієм, утворюючи хлористий алюміній AlCl 3 . Пари хлористого алюмінію піднімаються через шар металу і разом з ними спливають зважені неметалічні домішки, частина газів і хлориди, що утворюються Na, Ca, Mg і H 2 .

Далі алюміній заливають в електричні печі-міксери або відбивні печі, де протягом 30-45 хв відбувається його залишення. Мета цієї операції - додаткове очищення від неметалевих та газових включень та усереднення складу шляхом змішування алюмінію із різних ванн. Потім алюміній розливають або в чушки на конвеєрних розливних машинах, або на установках безперервно лиття в зливки для прокатки або волочіння. Таким чином, отримують алюміній чистотою не менше 99,8% Al.

Алюміній більш високого ступеня чистоти в промисловому масштабі отримують шляхом подальшого електролітичного рафінування рідкого алюмінію за так званим тришаровим методом. Електролізна ванна має стінки з магнезиту, вугільну подину та підвішені зверху графітовані катоди. На подину через бічне отвір порціями заливають вихідний алюміній, підтримуючи тут анодний шар певної товщини; вище за нього розташовується шар електроліту з фтористих і хлористих солей, а над електролітом - шар очищеного алюмінію, який легший за електроліт; у цей шар занурені кінці катодів.

Для того щоб алюміній, що рафінується, знаходився внизу, його обтяжують, формуючи в анодному шарі сплав алюмінію з міддю. У процесі електролізу іони Al 3+ переміщуються з анодного шару через шар електроліту в катодний шар і розряджаються. Чистий катодний метал, що накопичується на поверхні ванни, вичерпують і розливають у зливки. Цим способом одержують алюміній чистотою 99,95%. Витрата електроенергії дорівнює ~ 18000 кВт, год на 1 т алюмінію. Чистіший алюміній одержують методом зонної плавки або дистиляцією через субгалогеніди.

ВИСНОВОК

З розглянутого матеріалу слід, що алюміній одна із необхідних металів у промисловості. Металургія алюмінію відіграє велику роль у розвитку сучасних технологій.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Габрієлян О.С. Хімія.- М: Дрофа, 2004 р.

2. Воскобойніков В.Г., Кудрін В.А., Якушев А.М. Загальна металургія. - М: ІКЦ «Академкнига», 2004 р.

3. Кульман А.Г. Загальна хімія. - М: "Колос", 1968.

Вперше металевий алюміній було отримано хімічним шляхом німецьким хіміком Ф.Велером 1821 р. (відновленням із хлориду алюмінію металевим калієм під час нагрівання). У 1854 р. французький учений Сент-Клер Девіль запропонував електрохімічний спосіб отримання алюмінію, відновлюючи подвійний натрієм хлорид алюмінію-натрію.

Виробництво та отримання алюмінію

Металевий алюміній одержують у три стадії:

Одержання глинозему (Al2O3) з алюмінієвих руд;
Одержання алюмінію із глинозему;
Рафінування алюмінію.

Отримання глинозему

Близько 95% всього глинозему одержують із бокситових руд.

Боксіт(фр. bauxite) (за назвою місцевості Baux на півдні Франції) – алюмінієва руда, що складається з гідроксидів алюмінію, оксидів заліза та кремнію, сировина для отримання глинозему та глиноземовмісних вогнетривів. Зміст глинозему у промислових бокситах коливається від 40% до 60% і від. Використовується також як флюс у чорної металургії.

Малюнок 1 – Бокситова руда

Зазвичай боксити є землистую глиноподібну масу, яка може мати полосчатую, пизолитовую (горохоподібну) чи однорідну текстуру. У звичайних умовах вивітрювання польові шпати (мінерали, що становлять більшу частину земної кори і є алюмосилікатами) розкладаються з утворенням глин, але в умовах жаркого клімату і високої вологості кінцевим продуктом їх розкладання можуть виявитися боксити, тому що подібна обстановка сприяє виносу. , особливо з сієнітів або габро. Боксити переробляють на алюміній поетапно: спочатку отримують оксид алюмінію (глинозем), а потім металевий алюміній (електролітичним способом у присутності кріоліту).

Основні домішки в бокситах це Fe2O3, SiO2, TiO2. До малих домішок бокситів відносять: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, рідкісні елементи, Cr, P, V, F, органіка.

Зазвичай боксити класифікують:

за кольором;
здебільшого мінералу (частіше вони бувають змішаними);
за віком.

Основними критеріями якості алюмінієвої руди є:

Кремнієвий модуль (Мsi = Al 2 O 3 /SiO 2 (% мас.)). Чим більший кремнієвий модуль тим краща якість (Мsi = 7);
Зміст заліза у перерахунку на Fe 2 O 3 . Якщо вміст Fe2O3 близько 18% мас., то боксит вважається високозалізистим. Чим більший вміст заліза важче здобути боксити;
Зміст сірки. Наявність великої кількості сірки ускладнює переробку бокситу;
Зміст карбонатів у перерахунку CO 3 (2-) . Наявність великої кількості карбонатів ускладнює переробку бокситу.

Боксити застосовують:

у виробництві глинозему;
у виробництві абразивних матеріалів;
у виробництві вогнетривких матеріалів;
як флюс для виплавки мартенівської сталі;
для сушіння газів та чищення нафти від сірки;
як барвник.

На сьогоднішній день головними постачальниками бокситу є:

Австралія – там знаходяться також величезні поклади Fe, Au, U, Ni, Co, Cu та ін. Вигідніше купувати сировину в Австралії, ніж переробляти свою.
Гвінея – Росія має кілька куплених місць.
Центральна Америка: Гайана, Ямайка, Суріман.
Бразилія.

У Європі всі родовища виснажені. Здійснюються поставки бокситів із Греції, але ця сировина є сировиною низької якості.

Рисунок 2 – Запаси бокситів у світі

Нижче представлено основні родовища алюмінієвих руд у Росії.

Перше родовище було відкрито 1914 р. під Сант-Петербургом, поруч із містом Тихвін. На даному родовищі було збудовано 6 заводів. Найбільший – це Волхівський алюмінієвий завод. На сьогоднішній день Тихвінське родовище виснажене і працює здебільшого на привізній сировині.
У 1931 р. було відкрито унікальне Північно-Уральське родовище високоякісних бокситів (СУБР). Воно послужило базою для будівництва 1939 р. Уральського алюмінієвого заводу (УАЗ). А на основі Южно-уральського бокситового рудника (ЮУБР) було збудовано Богословський алюмінієвий завод (БАЗ).
Північноонезьке родовище знаходиться дорогою на Кольський півострів. У Плані є, але дата будівництва невідома.
Висловське родовище – чистоглинне родовище каолітного типу. Для глинозему не використовується.
Тиманське родовище (Республіка Комі, Варкута). Канадці зацікавлені у цьому родовищі, тому планують будівництво заводів ("Комі Суал" - холдинг).

Отримання глинозему з бокситових руд

Оскільки алюміній амфотерен, глинозем одержують трьома способами:

лужним,
кислотним;
електролітичним.

Найбільшого поширення має лужний метод (метод До. І. Байєра, розроблений у Росії наприкінці позаминулого століття і застосовуваний для переробки високосортних бокситів з невеликою кількістю (до 5 – 6 %) кремнезему). З того часу технічне виконання його було суттєво покращено. Схема виробництва глинозему за способом Байєра представлена малюнку 3.

Рисунок 3 – Схема одержання глинозему за способом Байєра

Сутність способу полягає в тому, що алюмінієві розчини швидко розкладаються при введенні в них гідроксиду алюмінію, а розчин, що залишився від розкладання після його випарювання в умовах інтенсивного перемішування при 169 - 170 ° С може знову розчиняти глинозем, що міститься в бокситах. Цей спосіб складається з наступних основних операцій:

1. Підготовка бокситу, що полягає в його дробленні та подрібненні в млинах; до млина подають боксит, їдкий луг і невелику кількість вапна, що покращує виділення Al 2 O 3 ; отриману пульпу подають на вилуговування;

2. Вилужування бокситу (останнім часом застосовувані досі блоки автоклав круглої форми частково замінені трубчастими автоклавами, в яких при температурах 230 - 250 ° С (500 - 520 К) відбувається вилуговування), що полягає в його хімічному розкладанні від взаємодії з водним розчином луги; гідрати окису алюмінію при взаємодії зі лугом переходять у розчин у вигляді алюмінату натрію:

AlOOH+NaOH→NaAlO 2 +H 2 O

Al(OH) 3 +NaOH→NaAlO 2 +2H 2 O;

SiO 2 +2NaOH→Na 2 SiO 3 +H2O;

у розчині алюмінат натрію та силікат натрію утворюють нерозчинний натрієвий алюмосилікат; у нерозчинний залишок переходять окисли титану і заліза, що надають залишку червоного кольору; цей залишок називають червоним шламом. Після закінчення розчинення отриманий алюмінат натрію розбавляють водним розчином лугу при одночасному зниженні температури на 100 °З;

3. Відділення алюмінатного розчину від червоного шламу зазвичай здійснюється шляхом промивання у спеціальних згущувачах; внаслідок цього червоний шлам осідає, а алюмінатний розчин зливають і потім фільтрують (освітлюють). В обмежених кількостях шлам знаходить застосування, наприклад як добавка до цементу. Залежно від сорту бокситів на 1 т одержаного окису алюмінію припадає 0,6 – 1,0 т червоного шламу (сухого залишку);

4. Розкладання алюмінатного розчину. Його фільтрують і перекачують у великі ємності з мішалками (декомпозер). З пересиченого розчину при охолодженні на 60 °С (330 К) і постійному перемішуванні вилучається гідроксид алюмінію Al(OH) 3 . Так як цей процес протікає повільно і нерівномірно, а формування і зростання кристалів гідроксиду алюмінію мають велике значення при її подальшій обробці, декомпозери додають велику кількість твердого гідроксиду - затравки:

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

5. Виділення гідроксиду алюмінію та його класифікації; це відбувається у гідроциклонах та вакуум-фільтрах, де від алюмінатного розчину виділяють осад, що містить 50 – 60 % частинок Al(OH) 3 . Значну частину гідроокису повертають у процес декомпозиції як затравний матеріал, яка залишається в обороті в незмінних кількостях. Залишок після промивання водою йде кальцинацію; фільтрат також повертається в оборот (після концентрації у випарних апаратах – для вилуговування нових бокситів);

6. Зневоднення гідроксиду алюмінію (кальцинації); це завершальна операція виробництва глинозему; її здійснюють у трубчастих печах, що обертаються, а останнім часом також у печах з турбулентним рухом матеріалу при температурі 1150 – 1300 °С; сирий гідроокис алюмінію, проходячи через піч, що обертається, висушується і зневоднюється; при нагріванні відбуваються послідовно такі структурні перетворення:

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

200 °C – 950 °C – 1200 °C.

У остаточно прожареному глиноземі міститься 30 – 50 % α-Al2O3 (корунд), решта γ-Al 2 O 2 .

Цим способом витягується 85 - 87% від всього одержуваного глинозему. Отриманий окис алюмінію є міцною хімічною сполукою з температурою плавлення 2050 °С.

Одержання алюмінію електролізом

Електролітичне відновлення окису алюмінію, розчиненого в розплаві на основі кріоліту, здійснюється за 950-970 ° С в електролізері. Електролізер складається з футерованої вуглецевими блоками ванни, до подіни якої підводиться електричний струм. Рідкий алюміній, що виділився на подині, що служить катодом, важчий за розплав солі електроліту, тому збирається на вугільній підставі, звідки його періодично відкачують (рисунок 4). Зверху в електроліт занурені вугільні аноди, які згоряють в атмосфері кисню, що виділяється з окису алюмінію, виділяючи окис вуглецю (CO) або двоокис вуглецю (CO 2). На практиці знаходять застосування два типи анодів:

самопальні аноди Зедерберга, що складаються з брикетів, так званих «хлібів» маси Зедерберга (малозолильне вугілля з 25 – 35 % кам'яновугільного пеку), набитих у алюмінієву оболонку; під дією високої температури анодна маса випалюється (спікається);
обпалені, або «безперервні», аноди з великих вугільних блоків (наприклад, 1900×600×500 мм масою близько 1,1 т).

Рисунок 4 – Схема електролізера

Сила струму на електролізерах становить 150 000 А. Вони входять у мережу послідовно, т. е. виходить система (серія) – довгий ряд електролізерів.

Робоча напруга на ванні, що становить 4 – 5, значно вище напруги, при якому відбувається розкладання окису алюмінію, оскільки в процесі роботи неминучі втрати напруги в різних частинах системи. Баланс сировини та енергії при отриманні 1 т алюмінію представлений малюнку 5.

Рисунок 5 – Баланс сировини та енергії при отриманні 1 т алюмінію

У реакційному посудині окис алюмінію перетворюється спочатку на хлорид алюмінію. Потім у щільно ізольованій ванні відбувається електроліз AlCl 3 розчиненого в розплаві солей KCl, NaCl. Хлор, що виділяється при цьому, відсмоктується і подається для вторинного використання; алюміній осідає на катоді.

Перевагами даного методу перед існуючим електролізом рідкого кріолітоглиноземного розплаву (Al 2 O 3 розчинена в кріоліті Na 3 AlF 6) вважають: економію до 30 % енергії; можливість застосування окису алюмінію, який не підходить для традиційного електролізу (наприклад, Al 2 O 3 з високим вмістом кремнію); заміну дорогого кріоліту дешевшими солями; зникнення небезпеки виділення фтору.

Одержання рафінованого алюмінію

Для алюмінію рафінуючий електроліз з розкладанням сольових водних розчинів неможливий. Оскільки для деяких цілей ступінь очищення промислового алюмінію (Al 99,5 – Al 99,8), отриманого електролізом кріолітогліноземного розплаву, недостатня, то з промислового алюмінію або відходів металу шляхом рафінування отримують ще чистіший алюміній (Al 99,99 R). Найбільш відомий метод рафінування – тришаровий електроліз.

Рафінування методом тришарового електролізу

Одягнена сталевим листом, що працює на постійному струмі (малюнок 6) ванна для рафінування складається з вугільної подини з струмопідведення і теплоізолюючої магнезитової футеровки. На противагу електролізу кріолітогліноземного розплаву анодом тут служить, як правило, розплавлений рафінований метал (нижній анодний шар). Електроліт складається з чистих фторидів або суміші хлориду барію та фторидів алюмінію та натрію (середній шар). Алюміній, що розчиняється з анодного шару електроліті, виділяється над електролітом (верхній катодний шар). Чистий метал є катодом. Підведення струму до катодного шару здійснюється графітовим електродом.

Рисунок 6 - Схема електролізера з переднім горном для рафінування алюмінію (за Фульдом - Гінзбергом)

1 – алюмінієвий розплав; 2 – електроліт; 3 – рафінований алюміній високої частоти; 4 – катод із графіту; 5 – магнезитова стіна; 6 – передній горн; 7 – ізолюючий шар; 8 – бічна ізоляція; 9 – вугільна подина; 10 - анодний струмопровід; 11 – ізоляція подини; 12 – залізний короб; 13 – кришка

Ванна працює при 750 - 800 ° С, витрата електроенергії становить 20 кВт год на 1 кг чистого алюмінію, тобто дещо вище, ніж при звичайному електроліз алюмінію.

Метал анода містить 25 - 35% Cu; 7 - 12% Zn; 6 - 9% Si; до 5 % Fe та незначна кількість марганцю, нікелю, свинцю та олова, решта (40 – 55 %) – алюміній. Всі важкі метали та кремній при рафінуванні залишаються в анодному шарі. Наявність магнію в електроліті призводить до небажаних змін складу електроліту або сильного його ошлакування. Для очищення магнію шлаки, що містять магній, обробляють флюсами або газоподібним хлором.

В результаті рафінування отримують чистий алюміній (99,99%) та продукти сегрегації (зайгер-продукт), які містять важкі метали та кремній та виділяються у вигляді лужного розчину та кристалічного залишку. Лужний розчин є відходом, а твердий залишок застосовується для розкислення.

Рафінований алюміній зазвичай має наступний склад, %: Fe 0,0005 – 0,002; Si 0,002 - 0,005; Cu 0,0005 - 0,002; Zn 0,0005 - 0,002; Mg сліди; А решта.

Рафінований алюміній переробляють напівфабрикат у зазначеному складі або легують магнієм (таблиця 1).

Таблиця 1 – Хімічний склад алюмінію підвищеної чистоти та первинного алюмінію за DIN 1712, лист 1

		Допустимі домішки* , %
			в тому числі

* Наскільки можна визначити звичайними методами дослідження.

** Чистий алюміній для електротехніки (алюмінієві провідники) поставляють у вигляді первинного алюмінію 99,5, що містить не більше 0,03% (Ti+Cr+V+Mn); позначається у разі E-A1, номер матеріалу 3.0256. В іншому відповідає нормам VDE-0202.

Рафінування шляхом алюмоорганічних комплексних сполук та зонною плавкою

Алюміній ступеня чистоти вище марки A1 99,99 R може бути отриманий рафінуючим електролізом чистого або технічно чистого алюмінію із застосуванням електроліту комплексних алюмоорганічних сполук алюмінію. Електроліз проходить при температурі близько 1000°С між твердими алюмінієвими електродами і в принципі схожий на рафінуючий електроліз міді. Природа електроліту диктує необхідність працювати без доступу повітря і за низької щільності струму.

Цей вид рафінуючого електролізу, що застосовується спочатку лише в лабораторному масштабі, вже здійснюється у невеликому виробничому масштабі – виготовляється кілька тонн металу на рік. Номінальний ступінь очищення металу 99,999 -99,9999%. Потенційними областями застосування металу такої чистоти є кріогенна електротехніка та електроніка.

Можливе застосування розглянутого методу рафінування та у гальванотехніці.

Ще більш високу чистоту – номінально до A1 99,99999 – можна отримати наступним зонним плавленням металу. При переробці алюмінію підвищеної чистоти на напівфабрикат, лист або дріт необхідно, враховуючи низьку температуру рекристалізації металу, вживати особливих запобіжних заходів. Примітною властивістю рафінованого металу є його висока електропровідність у сфері кріогенних температур.