Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал за даним посібником та приведеними нижче літе­ратурними джерелами.

2. Зарисувати схему електролізера для виробництва алюмінію і описати, як в ньому відбувається електроліз глинозему.

Список літературних джерел

1. Технология металлов и материаловедение. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В. и др. М.: Металлургия, 1987. - С. 63 – 69; 71 – 75; 76 – 79.

2. Металловедение и технология металлов: Учебник для вузов /Солнцев Ю.П., Веселов В.А., Демянцевич В.П. и др. М.: Металлургия. 1988. - С. 39 – 44; 45 – 49.

3. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навчальний посібник для вищих навчальних закладів. – Київ: Кондор, 2006. ­- С. 56 – 66.

ЗАВДАННЯ Й МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

Розглянути і записати в зошит:

а) які властивості характерні для алюмінію і для чого його використовують;

б) які матеріали є сировиною для виробництва алюмінію та в якому стані перебуває в них алюміній?

в) про способи одержання глинозему та їх суть;

г) як виробляють глинозем?

д) про способи рафінування алюмінію та їх суть.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як маркується алюміній особливої, високої та технічної чистоти?

2. Охарактеризувати властивості характерні для алюмінію та області його застосування.

3. Охарактеризувати суть виробництва алюмінію (згідно з схемою технологічної системи приведеною на рис. 4.1).

Лабораторна робота № 5

ВИРОБНИЦТВО ТИТАНУ І ЦИНКУ

Мета: Вивчити теоретичні основи технології виробництва титану і цинку.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Виробництво титану. За вмістом у земній корі (0,61 %) титан займає четверте місце після алюмінію, заліза та магнію. Відомо близько 60 мінералів титану, з них найбільше промислове значення мають ільменіт FeO•TiO₂, сфен (титаніт) CaO•TiO₂• SiO₂.

Важливим джерелом ільменіту є титаномагнетитові залізні руди – суміші ільменіту з магнетитом Fe₃O₄ і частково з гепатитом Fe₂O₃. Після гравітаційного і магнітного збагачення цих руд дістають концентрат з вмістом до 40 % ТіО₂, 50 % оксидів заліза та до 8…10 % інших оксидів.

Відомо кілька способів добування титану. Частіше для цього застосовують вибіркове відновлення. Концентрат шихтують з коксом, брикетують і переплавляють в електропечі. В результаті плавлення відновлюються оксиди заліза і утворюється чавун з 2,5…3,0 % С та невеликою кількістю (0,4…0,9 %) Si i Mn. Оксиди титану та кремнію утворюють шлак із вмістом 65–85 % ТіО₂, 10–15 % SiO₂ та інших оксидів. Цей шлак піддають хлоруванню – обробці в хлораторі розплавленими хлоридами MgCl₂, KaCl, NaCl. Хлор надходить в хлоратор через ряд фурм.

У присутності коксу хлорування ТіО₂ відбувається при темпе­ратурі близько 600°С за реакцією:

ТіO₂ + 2Сl₂ + С → ТiCl₄ + СО₂.

Разом з хлоридом титану утворюються і хлориди інших до­мішок (SiСl₂, FеСl₃, МgСl₂ та ін.).

Хлорид ТiСl₄ плавиться при температурі 23°С і кипить при +136°С. Тому він виділяється в хлораторі як пара, яка вбирає в себе летючі хлориди кремнію та заліза. Менш летючі хлориди магнію, кальцію та інших металів утворюють рідину.

Парогазову суміш із хлоратора направляють в складну систему конденсаційних установок, у яких вона ступінчасто охолоджується і завдяки різній температурі конденсації домішок хлоридів і ти­тану очищається. Після конденсації ТiСl₄ відстоюють від твердої фази і піддають складній і тривалій очистці методом ректифікації. Металевий титан дістають відновленням ТiСl₄ магнієм в цилінд­ричних сталевих герметичних ретортах діаметром 0,9...1,5 м і зав­вишки 1,8...3,0 м. Реторту вставляють вертикально в електропіч опору. Зверху реторта закривається кришкою з патрубками для подавання магнію, хлориду ТiСl₄, відкачки повітря і підведення аргону.

Після відкачки повітря реторту заповнюють аргоном, нагріва­ють до температури 750–800°С, заливають рідкий магній і почи­нають подавати рідкий хлорид титану. Відновлення відбувається за реакцією:

ТiСl₄ + 2Мg → 2МgСl₂ + Тi.

Титан в реторті виділяється у вигляді губки, а рідкий хлорис­тий магній періодично виливають через патрубок на дні реторти. Після завершення реакції включають нагрівання і витримують реторту ще 1 год. при температурі 1000–1100°С. Після цього ре­торту виймають із печі і охолоджують до температури 20–40°С. Весь процес відновлення в заводських умовах триває 30–35 год. За одну операцію добувають до 1,5 т титану.

Титанова губка містить до 35–45 % магнію і хлористого маг­нію, а також деякі інші домішки. Тому її піддають очистці мето­дом вакуумної дистиляції – видержують протягом кількох де­сятків годин у вакуумі з залишковим тиском близько 0,1 Па при температурі 900°С. При цьому частина домішок виводиться у ви­гляді розплаву, інші випаровуються, а потім конденсуються.

Плавку титанової губки здійснюють у вакуумних електродуго­вих печах з мідним тиглем, який охолоджується водою. Одним із електродів є стрижень з пресованої титанової губки, другим – розплавлений метал. Під час горіння дуги стержень оплавляється, краплі титану стікають і твердіють у зливок. Вакуум захищає метал від окислювання і сприяє його очистці від розчинених газів.

Чистота титану, утвореного переплавкою губки, становить 99,6...99,7 %. Титан з меншим вмістом домішок добувають мето­дом йодистої очистки, заснованої на термічній дисоціації чотирихлористого титану ТiСl₄ на поверхні титанового дроту, нагрітого електричним струмом до 1300–1400°С. Титан, що виділяється при цьому, осідає на дроті і утворює пруток. Цей спосіб очистки ефек­тивний, але малопродуктивний. Тому йодистий титан має високу вартість.

Виробництво цинку. Схему технологічної системи виробництва цинку зображено на рис. 5.1. Вона складається з дев'яти елементів.

Рис. 5.1. Схема технологічної системи виробництва цинку

Для приготування електроліту руду подрібнюють у млинах (елемент 1), збагачують у спеціальному обладнанні (елемент 2) і випалюють для отримання ZnО, оскільки ZnS погано розчиняється в сірчаній кислоті. Руду випалюють у печах (елемент 3) за температури 650–750°С:

2ZnS + 30₂  2 ZnО + 2S0₂.

У процесі взаємодії оксиду цинку із сірчаною кислотою в агрегаті елемента 4 разом із цинком у розчин переходять також домішки (Д).

ZnО + H₂S0₄  Zn S0₄ + Н₂О + Д .

Отриманий розчин очищають від домішок за допомогою цинкового порошку (домішки відновлюються й осідають на дно). Розчин фільтрують на фільтрах (елемент 5) і зливають в електролізер (елемент 6), куди додають сірчану кислоту для підвищення електричної провідності електроліту. Концентрація цинку в електроліті становить 50–60 г/л, а сірчаної кислоти – 100–120 г/л. Збільшувати концентрацію сірчаної кислоти неприпустимо, оскільки зменшиться вихід за струмом. Електроліт нагрівають до температури 35–40°С. Напруга на ванні дорівнює 3,5 В.

У процесі електролізу (елемент 6) на алюмінієвому катоді розряджаються йони цинку, на свинцевому аноді – іони кисню. Процес відбувається безперервно. Через кожні 24 год. катоди замінюють на нові. Катодний цинк переплавляють у печі (елемент 7) і розливають у виливниці (елемент 9). Температура плавлення цинку становить 419,4°С. П'ять відсотків отриманого цинку переробляють на порошок (елемент 8). Цинк-порошок використовують для очищення електроліту від домішок. Чистота отриманого цинку становить 99,7–99,9%.

На виробництво 1 т цинку витрачається 3000–3500 кВт•год. електро­енергії. Вихід за струмом дорівнює 88–94%.