4. Производство глинозема

Как уже отмечалось, технология производства алюминия состоит из двух стадий: первая – производство глинозема и вторая – электролитическое получение алюминия из глинозема. За рубежом весь глинозем получается из бокситов в основном способом Байера (К.И. Байер – австрийский инженер, работавший в России), на отечественных заводах глинозем получается из бокситов способом Байера и из бокситов и нефелинов способом спекания. Оба эти способа относятся к щелочным методам выделения глинозема из руд. Способ Байера экономически целесообразно использовать для переработки бокситов с небольшим содержанием SiO₂ (с кремневым модулем А1₂О₃/SiO₂ более 5 –7), поскольку при росте количества SiO₂ все больше А1₂О₃ и использруемой в процессе щелочи теряются из-за образования химического соединения Na₂O А1₂О₃2SiO₂2H₂O.

Для переработки бокситов с кремневым модулем менее 5 –7 более экономичным является способ спекания. В связи с истощением богатых месторождений боксита и вовлечением в производство более бедных бокситов, доля способа Байера в производстве глинозема снижается и возрастает доля способа спекания.

4.1. Способ Байера

Способ Байера – способ выделения глинозема из боксита – основан на выщелачивании, цель которого растворить содержащийся в боксите оксид алюминия А1₂О₃, избежав перевода в раствор остальных составляющих боксита (SiO₂, Fe₂O₃ и других). В основе способа лежит обратимая химическая реакция:

А1₂О₃nH₂O + 2NaOH = Na₂OА1₂О₃ + (n +1)H₂O.

При протекании реакции вправо глинозем в виде алюмината натрия переходит в раствор, при обратном течении реакции образующийся гидратированный А1₂О₃ выпадает в осадок.

Подготовка боксита к выщелачиванию. Боксит дробят и размалывают до фракций размером 0,05-0,15 мм в среде добавляемой щелочи и оборотного раствора щелочи NaOH, добавляют также немного извести, активизирующей выщелачивание

Выщелачивание. Полученную при помоле пульпу направ­ляют на выщелачивание. Для полного протекания приведенной выше реакции вправо (образования алюмината натрия) необ­ходимы щелочная среда, высокое давление (~ 3 МПа), нагрев пульпы до 100-240С (в зависимости от сорта боксита) и ее длительное (около 2ч) пере­мешивание. Такие условия обеспе­чиваются в автоклавах – сосудах, работающих под давлением. Приме­няемые автоклавы представляют собой (рис.1) стальной цилинд­рический сосуд диаметром 1,6-2,5 и высотой 13,5-17,5 м. Дав­ление в автоклаве 2,5-3,3 МПа, пульпу подают сверху, снизу че­рез патрубок 2 с барботером пар, который нагревает и перемешивает ее. Из автоклава пульпа выдавливается через трубу 1. (рис.1)

Пульпу обычно пропускают че­рез батарею из 6-10 последова­тельно установленных автоклавов, где в течение 2ч содержащийся в пульпе в виде А1₂О₃ • Н₂О, А1₂0₃ • ЗН₂0 и А1₂0₃ глинозем реагирует со щелочью (реакция приведена выше), переходя в Na₂O • А1₂О₃. В первый автоклав пульпу подают насосом, предвари­тельно подогрев до ~150С, из последнего автоклава пульпа по­падает в два автоклава-испарителя, в которых давление снижается до атмосферного. Продуктом является автоклавная пульпа, состоящая из алюминатного раствора (содержащего Na₂OА1₂О₃) и шлама (осадка, в который выпадают все остальные примеси боксита).

Разделение алюминатного раствора и шлама после разбавления пульпы водой производится в сгустителях (отстойниках) – сосудах диаметром 15–50 м, на дне которых оседает шлам, а через верх сливается отстоявшийся алюминатный раствор. Он дополнительно пропускается через фильтры и направляется на следующую операцию – декомпозицию. Получаемый красный шлам (окраску ему придают частицы Fe₂O₃) идет в отвал. Шлам содержит в процентном отношении: 12–18 А1₂О₃, 6 –11 SiO₂, 13 –14 Na₂O, 6 –7 K₂O, 44 –50 Fe₂O₃ и 8–13 CaO.

Разложение алюминатного раствора, называемое также декомпозицией или выкручиванием проводится с целью перевести в осадок в виде А1₂О₃3H₂O, для чего обеспечивается течение приведенной выше реакции выщелачивания влево, в сторону образования А1₂О₃3H₂O. Чтобыуказоанная реакция шла влево, необходимо понизить давление (до атмосферного), разбавить и охладить раствор, ввести в него затравки (мелкие кристаллы гидрооксида алюминия) и пульпу для получения достаточно крупных кристаллов А1₂О₃3H₂O, перемешивать в течение 50 – 90 часов.

Этот процесс осуществляется в серии установленных последовательно и соединенных перепускными сифонами декомпозеров, через которые последовательно проходит пульпа (алюминатный раствор с выпадающими кристаллами гидрооксида алюминия). В серии устанавливаются 10 – 11 декомпозеров с механическим перемешиванием или 16 – 28 декомпозеров с воздушным перемешиванием пульпы. Первые представляют собой баки диаметром до 8 м, в которых перемешивание осуществляется вращением вокруг вертикальной оси волокуш (гребков). Декомпозеры второго типа, преимущественно применяемые в настоящее время, представляют собой цилиндрические баки высотой 25 – 35м и объемом до 3000м³; снизу в них подается сжатый воздух, перемешивающий пульпу.

Отделение кристаллов гидрооксида алюминия от раствора и классификация кристаллов по крупности. После декомпозиции пульпа поступает в сгустители, где гидрооксид отделяется от раствора. Полученный гидрооксид в гидросепараторах разделяется на фракцию с размером частиц40—100 мкм и мелкую фракцию (размером < 40 мкм), которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

Кальцинацию или обезвоживание гидрооксида алюминия осуществляют в футерованных шамотом трубчатых вращающихся печах диаметром 2,5—5 и длиной 35—110м, отапливаемых природным газом или мазутом. Гидрооксид медленно пере­мещается вдоль вращающегося барабана навстречу потоку горячих газов, температура которых повышается от 200—300С в месте загрузки до ~1200С вблизи горелки у разгрузочного торца барабана. При нагреве гидрооксида идет реакция: AI_ZO₃ • ЗН₂О = А1₂О_Э + ЗН₂О, заканчивающая­ся при 900С. Продуктом является глинозем А1₂О₃ (порошок белого цвета).

Извлечение глинозема при использовании описанного спо­соба Байера составляет около 87 %. На производство 1 т глинозема расходуют 2,0-2,5 т боксита, 70—90 кг NaOH, около 120 кг извести, 7—9 т пара, 160—180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт - ч элект­роэнергии.