Металлургия черных и цветных металлов
..pdfметаллов и использованием отходов для получения цемента. Алунитовые месторождения в нашей стране расположены в Азербайджане, Казахстане, Узбекистане. Так как в алунитах, кроме оксида алюминия, содержатся ангидрид и щелочи, то це лесообразна их комплексная переработка для извлечения всех
полезных состаблякнцих.
Каолины и глины — наиболее распространенные породы, имеющие в составе алюминий. Лучшие сорта каолинов содер жат глинозем в количестве 36—39 % и могут служить сырьем для извлечения глинозема. Кианиты или силлиманитовые руды в больших количествах находятся на Кольском полуострове и в Сибири. В результате обогащения кианитов получается сили кат алюминия АЬОз • БЮг, который служит для получения кремнеалюминиевых сплавов электротермическим путем.
Существует несколько схем получения алюминия и его сплавов. Наиболее распространенной в настоящее время явля ется получение металлического алюминия путем электролиза глинозема, растворенного в криолите с последующим рафини рованием металла.
§ 3. Производство глинозема
Существует несколько способов получения глинозема, в том числе электротермические способы, кислотные и щелочные. Два первых способа имеют ряд существенных недостатков, поэтому преобладающими в настоящее время являются щелочные спо собы получения глинозема, причем наибольшее распростране ние имеет способ Байера. К. И. Байер — австрийский химик, ра ботал в России в 90-х годах прошлого века, где разработал способ получения глинозема из бокситов для нужд текстиль ной промышленности. В дальнейшем этот способ получения глинозема был широко использован в алюминиевой промыш ленности. В способ внесен ряд усовершенствований, многие из
которых сделали советские ученые.
Сущность способа Байера заключается в том, что путем вы щелачивания глинозем из бокситов переводится в раствор алю мината натрия по реакции
А120 3 • пН20 + 2NaOH = NaА102 + (п + 1) Н20.
В дальнейшем после отделения примесей алюминатный рас твор после добавления к нему затравки гидроксида алюминия разлагается с выделением в осадок кристаллического гидро ксида алюминця. Гидроксид алюминия прокаливают при высо кой температуре (кальцинируют) и в результате получают без водный глинозем. Кремнезем, содержащийся в боксите, реаги рует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия,
который, взаимодействуя с алюминатом натрия, образует не растворимый алюмосиликат натрия. Таким образом, раствор очищается от кремнезема, но при этом связываются и теряются глинозем и едкий натрий. Каждый процент Si02 связывает 6,65 кг Na20 и 8,5 кг А120 з на 1 т боксита, поэтому по способу Байера целесообразно перерабатывать бокситы, в которых от ношение А12О з к Si02 не меньше 6 (содержание Si02 в боксите 3—5% ). Упрощенная схема производства глинозема приведена на рис. XI. 14. Боксит, поступающий с рудника, подвергают крупному и среднему дроблению, а затем тонкому измельчению на мельницах сухого или мокрого помола. В процессе мокрого помола происходит не только измельчение, но и начальная ста дия выщелачивания. С этой целью в шаровые мельницы вместе
сбокситом подают едкий натрий и оборотный раствор. Иногда
кбокситу добавляют в количестве 3—4 % известь, которая дей ствует каталитически напроцесс выщелачивания и связывает Si02. Сырая пульпа (смесь измельченного боксита и раствора) направляется на выщелачивание. Выщелачивание заключается
ив обработке измельченного боксита растворами едкого нат рия и оборотными щелочными растворами.
Процессы^ происходящие при выщелачивании боксита, можно свести к следующим основным реакциям. Гидраты оксида алюминия при взаимодей ствии с едким натрием переходят в раствор в виде алюмината натрия:
А100Н + NaOH = NaA102 + НаО или
А1 (ОН) 3 + NaOH = NaA102 2 НгО.
Кремнезем взаимодействует с едким натрием и переходит в раствор в виде силиката натрия:
Si02 + 2NaOH = Na2Si03 -|- 2 НаО.
При взаимодействии в растворе с алюминатом натрия силикат натрия образует нерастворимый натриевый алюмосиликат:
2NaA102 -|- 2Na2Si03 -|- 4Н20 = Na20 AI20 3 2Si02 2НаО + 4NaOH.
В результате происходит очистка алюминатны\ растворов от кремнезема, но при этом теря ются едкий натрий и глинозем, извлеченный из боксита. Находящийся в боксите гематит в рас твор не переходит и образует нерастворимый остаток— красный шлам, который идет в отвал. Диоксид титана частично (в зависимости от тем1 пературы, концентрации щелочи и минералогиче ской формы диоксида титана) растворяется с об разованием титаиата натрия, который затем выпа дает в осадок. Такие примеси, как V 2 O 5 , Р2О5, соединения хрома, Сг20 3, сера, содержащиеся в небольших количествах, в форме тех или иных соединений переходят в алюминатный раствор. Ряд этих соединений связывают щелочь, загряз няют алюминатный раствор или (например, ваданат натрия) могут выпадать вместе с А1(ОН)з, загрязняя глинозем, и осложняют технологиче ские операции.
Выщелачивание ведется при повышенном дав лении в автоклавах (рис. XI.15). Автоклавы пред ставляют собой стальные цилиндры, рассчитанные на работу под большим давлением (до 3 МПа) при температуре до 250 °С. Объем промышленных автоклавов находится в пределах 25—35 мв, диа метр 1,6—2,5 м, высота 13,5—17.5 м. Нагрев пульпы обычно осуществляется паром, подавае мым через сопло. Пар, проходя через пульпу снизу вверх, нагревает ее и перемешивает. Про должительность выщелачивания, а также опти мальные температура и давление находятся экс периментальным путем и зависят от свойств дан ного боксита.
По окончании выщелачивания пульпа через разгрузочную трубу вытесняется из автоклава при повышении давления пара над пульпой и по падает в самоиспаритель. В самоиспарителе в ре зультате резкого снабжения давления происходят бурное вскипание пульпы и выделение пара. Пар отделяется и иде^г для подогрева. Пульпа через днище выпускается из самоиспарителя и идет на
Рис. |
XI. 15. |
Автоклав для |
|||
выщелачивания |
бокситов: |
||||
/ — корпус; |
2 — загрузочный |
||||
штуцер; |
3 — труба |
разгру |
|||
зочная; |
4 — штуцер |
сдувки; |
|||
5 — штуцер |
для |
подключе |
|||
ния |
контрольно-измеритель |
||||
ной |
аппаратуры; |
6 — люк; |
7 — барботер; 8 — опоры
дальнейшую обработку. Непрерывное выщелачивание бокситов осуществляют
в батарее последовательно соединенных автоклавов (рис. XI. 16). |
|
|
|||||
Скорость выщелачивания зависит |
от таких факторов, как тонкость по |
||||||
мола, минералогические свойства |
бокситов, температура, концентрация щелочи |
||||||
й др. Ускоряет выщелачивание |
измельчение бокситов. При выщелачивании |
||||||
должно |
поддерживаться |
определенное |
каустическое |
отношение |
оборотного |
||
(ц к. о) |
и алюминатного |
( а к. а) растворов. Каустическое отношение |
а к пред |
||||
ставляет собой мольное отношение № 20 Кауст/А 120 3. |
Обычно а к. о |
и |
а к. а на |
||||
ходятся в пределах 3,5—4,0 и 1,5—1 ,8 соответственно. |
|
|
|
По окончании выщелачивания и охлаждения в самоиспарителях автоклав ная пульпа разбавляется промывными водами для улучшения условий от стаивания шлама и направляется на сгущение. Сгущение предназначено для отделения красного шлама от алюминатного раствора и ведется в сгустителях.
Сгущение раствора ведут при температуре |
~90°С, чтобы предупредить рас |
|||||
пад алюмината и улучшить отстаивание. Шлам из сгустителя |
промывают и |
|||||
направляют в отвал. Шлам |
содержит, |
%: А120 з |
12—15, Fe20 3 |
46—50, Si02 |
||
6 -11, Ti02 4—5, Са0 8 —11, |
Na203, Р20 5 0,8—0,9, V20 5 0,12—0,17, п. п. п. 7—10. |
|||||
Средний выход красного шлама близок к 50 % от массы боксита. Алюми- |
||||||
натный раствор из сгустителя фильтруют. Полученный |
осветленный алюми- |
|||||
натный раствор имеет следующие характеристики: |
а к= 1,8 , |
содержание |
||||
А120 3—120 г/л, Na20 K— 150 г/л, оксида |
железа не |
более 10 мг/л, отношение |
||||
Al20 3/Si02 не ниже 250—300. Этот раствор |
идет на разложение |
(декомпози |
||||
цию). |
|
|
|
|
|
|
Разложение алюминатного раствора. Алюминат натрия представляет собой соль, образованную слабой метаалюминие-/ вой кислотой и сильным основанием, поэтому эту соль подвер гают гидролизу. В результате гидролиза происходит выделение в осадок Кристаллов гидроксида алюмината натрия по реакции
NaA102 + 2Н20 = NaOH + А1 (ОН)3.
Реакция разложения алюмината натрия обратима. Смеще ние реакции вправо обусловливают понижение температуры и разбавление раствора водой. Ускорению кристаллизации гид роксида алюминия способствует увеличение поверхности кри сталлизации, т. е. числа центров кристаллизации, что достига ется введением затравки из свежеосажденного гидроксида алю миния. Введение затравки из свежеосажденных кристаллов гидроксида алюминия с перемешиванием называется выкручи ванием. Количество затравки, добавляемой в раствор, выража ется затравочным числом, которое представляет собой отноше ние А120 3 в затравке к А120 3 в алюминатном растворе. Выкру чивание проводят в цилиндрических железных баках — декомпозерах.
По окончании декомпозиции пульпа поступает в сгустители и на фильтры, где происходят промывка и отделение гидрата от раствора. Щелочной раствор объединяется с промывными водами и идет на выпаривание. Гидроксид алюминия класси фицируется на два класса. Мелкая фракция используется в ка честве затравки и направляется в головной декомпозер. Круп ная фракция после тщательной промывки идет на кальци нацию.
----------- “Т“•'^Кгиброзатбо^Г^
Р ___ _____________ - А - -/Л ______ — _______ |
к !
Рис. |
XI. 16. |
Схема |
непрерывного выщелачивания |
бокситов: |
4 — теплообменник; 5 — грею |
|||
/ —мешалка; 2 — воздушный |
компенсатор; |
3 — насос; |
||||||
щие |
автоклавы; |
6 — реакционные автоклавы^ |
7с^сепаратор |
пульпы I ступени; 8 — |
||||
сепаратор |
пульпы |
II ступени; |
9 ггмешалка |
.разбавления; |
10 |
— самонспарнтель конден |
||
сата; |
// — |
конденсационный подогреватель; |
—^горячая вода |
|
Кальцинация (обезвоживание и обжиг) гидроксида алюми ния является завершающей операцией: при производстве глийозема. Обезвоживание гидроксида алюминия ведут в трубчатых вращающихся печах при 1150—1200 °С или в печах с кипящим слоем. В процессе обезвоживания важно, чтобы получаемый оксид алюминия был негигроскопичен. При нагреве происхо дят последовательно следующие структурные превращения:
А1 (ОН)3 -v А100Н |
Y-A120 3 -> а-А120 3. |
U-AI20 3 (корунд) |
практически не гигроскопичен, уА1гОз — |
модификация, полученная при низких температурах, гигроско пична, но при повышении температуры кристаллы у-А120з рас тут и их способность поглощать влагу уменьшается. В оконча тельно прокаленном глиноземе обычно содержится 30—50 % а-А120з, а остальное у-А120з. Полученный глинозем охлаждают в трубчатых холодильниках и транспортируют на заводы элек тролизного получения алюминия.
Расходные показатели при производстве глинозема по спо
собу Байера следующие: на |
1 т А120з расходуется боксита 2,2— |
2,5 т, каустической щелочи |
0,11 т, извести 0,12 т, электроэнергии |
300—320 кВт-ч, пара 8—10 т, воды 150 м3. Как указывалось ранее, способ Байера эффективен только в случае'переработки низкокремнистых бокситов, так как наличие кремнезема вызы вает потери А120 3 и NaOH, поэтому применяют другие способы получения глинозема.’
П p o u seo d cteo глинозем а спеканием . Этот способ основан на спекании бок
ситов с содой при высокой температуре; Пржвзаимодействии А120з боксита1
с содой образуется алю минат натрия в твердом виде. |
Спекание |
ведется при |
|||||||
1100— 1200 °С во |
вращ аю щ ихся печах. |
П олученны й |
в |
результате |
спекании |
||||
алю минат |
натрия |
вы щ елачивается водой . Алюминатный |
раствор |
отделяю т от |
|||||
примесей |
и разлагаю т углекислотой |
для |
вы деления |
гидроксида |
|
алюминия. |
|||
В ш ихту |
вводят |
известняк, который, |
взаим одействуя |
с оксидом .кремния, свя |
|||||
зы вает его, образуя нерастворимы й |
в |
воде |
силикат кальция. М етод! спекания |
||||||
пол ож ен такж е в основу получения глинозема из нефелинов. Ш ихта |
в данном |
||||||||
случае составляется так, чтобы на каж ды й |
моль S i 0 2, |
поступаю щ его в печь, |
приходилось 2 моля СаО с тем, чтобы при спекании связать крем незем в двух-
кальциевый силикат. В данном случае не требуется, |
добав ок |
щ елочи, |
так как |
|
сырье содерж и т достаточное количество N a20 + K 20 |
, |
чтобы |
связать |
глинозем |
в метаалю минаты . Спекание ведется во вращ аю щ ихся |
печах при 1250— 1300 °С. |
|||
П осле охл аж ден ия спек вы щ елачивают для отделения |
и перевода алю минатов |
|||
в раствор. В дальнейш ем проводится обескрем нивание алю минатны х раство |
ров в автоклавах, карбонизация и кальцинация гидроксида алюминия так ж е,
как |
и при |
получении глинозема из бокситов. В |
качестве побочны х |
продуктов |
|||
при |
производстве глинозема из нефелинов на 1 |
т |
А120 3 получается |
1 т |
смеси |
||
№ 2С 0 2 + К 2С 0 з и 9,5 т неф елинового ш лама. Нефелиновы й шлам |
м ож но |
пере |
|||||
рабаты вать |
на портландцемент и получить на |
1 т |
А120 3 ~ 7 , 5 т |
цем ента. И з |
|||
карбонатов |
кальция и натрия после переработки |
получаю т безводную |
соду |
||||
и поташ . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Современные глиноземные заводы обычно имеют произво |
||||||
дительность от 0,4 до 1 млш т АЬОз в; год. Основные |
затрату |
||||||
(~ 4 8 % ) |
при производстве глинозема |
из бокситов |
падают на |
сырье и основные материалы, ! главным образом на боксит и соду; ~30% падает на энергетические затраты. Численность рабочих на глиноземных заводах невелика, расходы на зара ботную плату составляют всего ~ 4 % . Снижение себестоимо сти глинозема возможно в результате снижения затрат на сырье и основные материалы. Снижению затрат на перера
ботку |
сырья |
способствуют интенсификация |
производства, |
по |
||||
вышение извлечения |
глинозема |
при |
выщелачивании боксита |
|||||
или |
спека, |
уменьшение |
потерь |
гидроксида |
алюминия |
при |
||
транспортировке и кальцинации и т. д. |
|
|
||||||
Важное |
значение |
в |
снижении |
себестоимости глинозема |
имеет повышение производительности труда, что может быть достигнуто улучшением организации труда, применением пере довых методов работы, автоматизацией и механизацией глино земного производства.
§ 4. Получение металлического алюминия
Металлический алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в криолите. Промышленные месторождения криолита редки, поэтому все страны получают криолит и дру гие фтористые соли, необходимые для электролиза, искусствен ным путем. Сырьем для производства криолита и других фто ристых солей служит плавиковый шпат, или флюорит. После обогащения плавикового шпата получают концентрат, содер жащий 96 % CaF2. Из концентрата можно получить криолит двумя способами — кислотным или щелочным. Наиболее рас
пространен кислотный способ получения криолита. Сущность этого способа заключается в следующем. Плавиковый шпат нагревают в смеси с крепкой серной кислотой во вращающихся трубчатых печах при температуре ~200 °С. В результате про исходит разложение плавикового шпата с образованием фто ристого водорода и гипса по реакции
CaF2 + H2S04 = 2HF + CaS04.
Кремнезем, присутствующий в плавиковом шпате, взаимо действует со фтористым водородом, образуя в конечном счете кремнефтористую кислоту:
SiOj(TB)Ч- 4HF(r) = SiF4(r)-f- 2Н20;
SiF4(r)-)-2HF(r) = H2SiF6(r).
Эти реакции показывают, что примеси кремнезема снижают выход HF и загрязняют его кремнефтористой кислотой. Отхо дящие из вращающейся печи газообразные продукты реакции поглощаются водой в башнях с насадкой из угольных колец
или деревянных |
реек. В результате; получается раствор плави |
|
ковой кислоты |
(содержание HFFH30%), с примесью кремне |
|
фтористой или |
кремнефториетоводородной кислоты |
( — 5 %), |
H2S04 1—2 % и других примесей. Плавиковую кислоту под |
||
вергают обескремниванию, для этого добавляют к |
кислоте |
|
соду. В результате реакции |
|
|
H2SiFо -j- Nа2С03 - |
Na2SiF3 -f- С02 -Ь Н20 |
|
образуется малорастворимый кремнефтористый натрий, выпа дающий в осадок. Осадок с чистой плавиковой кислотой на правляют в сгустители. После обескремнивания плавиковая кислота содержит ~ 25% HF, 0,7—0,8% H2SiFe и с 1,5% H2Si04. В раствор чистой плавиковой кислоты для получения криолита добавляют расчетное количество гидроксида алюми ния для образования фторалюминиевой кислоты:
6HF + А1 (ОН)3 = H3AlFe + ЗН20.
В результате нейтрализации фторалюминиевой кислоты со дой в осадок выпадает криолит:
2H3AlFe + 3Na2C03 - 2Na3AlF„ + 3C02 + 3H20. |
|
|||||
Криолит, |
отделенный |
от |
раствора, промывают |
и сушат |
||
в сушильных |
барабанах |
при |
140—160 °С. Фториды |
алюминия |
||
и натрия получают по реакциям: |
|
|||||
3H F + |
А1 (О Н ), = A1F3 + |
З Н 20 ; |
|
|
||
2H F + |
N a 3C 0 3 = |
2N aF + |
Н 20 + |
СО*. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электролиз |
|
криолитно- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кремнеземны х расплавов |
ведут |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в электролизны х ваннах. Прин |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ципиальная схем а такой ванны |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
показана |
на |
рис. XI. 17. |
Уголь |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ная |
токопроводящ ая |
|
подина |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ванны |
|
сл уж и т катодом . Уголь |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ные |
электроды , |
погруженны е |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
расплавленный |
электролит, |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
является |
анодом . |
|
Боковые |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стенки |
|
ф утерую тся |
углероди |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стым |
огнеупорны м |
кирпичом. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д л я |
|
электролиза |
и |
нагрева |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ванны |
|
использую т |
постоянный |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ток. При |
разлож ении |
глинозе |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ма |
на |
катоде вы деляется |
алю |
|||||||||
Рис. |
XI. 17. |
Схема электролизной ванны для |
по |
|
миний, |
который |
в |
расплавлен |
||||||||||||||||
|
ном |
состоянии |
собирается |
на |
||||||||||||||||||||
лучения |
алюминия: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
дне |
ванны. На анодах |
выделя |
||||||||||||||||
I — козкух; |
2 — боковые |
угольные |
|
блоки; |
3 — |
|
||||||||||||||||||
|
|
ется |
кислород, |
который, |
взаи |
|||||||||||||||||||
угольные |
|
блрки |
катодные; |
4,. 5 — тркоцодэодц |
|
|||||||||||||||||||
к |
электродам; |
6 — анод; |
7 — токоподводяида |
|
м одействуя с углеродом. |
, |
обра- |
|||||||||||||||||
шины; |
'8— корка |
застЬтшего |
электроЛИТа; |
9 |
|
зует |
газы |
СО ;И |
СОг- |
П о V |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п я - ..'. Т |
' : . , |
- П Г \ |
|
~ |
|
|
||||
глинозем; ' |
шамбтная футеровка |
|
н |
|
|
рт рвнйя |
анодо1в :их |
постепенна |
||||||||||||||||
м: |
|
yjv |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н^а‘;боаЬ)в.ьД |
||||||
cTje^ ^ 1’ia.Hiiil;'А'iS p iifyffiff1 |
|
|
|
|
^в^рдого ,,:,$Ж{рйЛйУа}/-’ ‘ рМ; |
|||||||||||||||||||
докраняю щ йй, |
'футеровку" |
ваннуг |
%врр#т |
|
П о ! |
м ёре |
расходования |
гли |
||||||||||||||||
нозем а |
в |
электролите |
в |
глинозем, |
|
чтобы |
поддерж ивать |
|||||||||||||||||
постоянной его |
концентрацию |
в |
электролите. |
Состав |
криолита |
в |
процессе |
|||||||||||||||||
электролиза, его характеристйкй Имеют чрезвычайно |
|
важ ное |
значение. Тем |
|||||||||||||||||||||
пература плавления криолита Ыа3А1Рб равна |
1000 °С. В аж ной характеристикой |
|||||||||||||||||||||||
электролита является |
криолитовое отнош ение |
(к. о .), |
которое |
представляет |
||||||||||||||||||||
собой |
м олярное |
отнош ение N aF |
к A1F3. Д л я чистого |
|
криолита |
оно |
равно |
3. |
||||||||||||||||
Электролиты с |
к. о.==3 |
назы ваю тся нейтральными. Электролиты с к. о . < 3 |
на |
|||||||||||||||||||||
зы ваю тся |
кислыми, с к. о . > 3 — основными. Электролиты |
с |
к. о .> 3 |
в электро |
||||||||||||||||||||
лизны х ваннах неприменимы, так как при |
этом |
|
повы ш ается |
концентрация |
||||||||||||||||||||
ионов |
натрия и возм ож н о |
их вы деление |
на |
катоде. |
Слиш ком кислые электро |
литы х у ж е растворяю т глинозем . На практике в промыш ленных алюминиевых
ваннах |
применяют кислые электролиты с |
к. о. = 2 ,6 -ь 2,8. В |
электролите алю ми |
||||||
ниевых |
ванн |
присутствую т C aF 2 |
и M gF 2 |
(д о 10 % ), что сниж ает |
тем пературу |
||||
плавления электролита и полож ительно |
влияет |
на процесс |
электролиза. |
||||||
Растворимость А120 3 |
в |
криолите |
при |
1000 °С составляет |
|||||
12 %, |
при |
1050 °С— 16%. |
Растворимость, |
а |
также |
скорость |
растворения в расплавленном криолите уменьшаются при уве личении содержания A1F3 и добавлении CaF2 и MgF2. Эти фак торы необходимо учитывать, чтобы избежать образования на подине ванн глиноземных остатков, поэтому на практике со держание А120 3 в электролите не превышает 8 %. Важной ха рактеристикой электролита является его плотность. Плотность электролита должна быть меньше, чем алюминия, чтобы алю миний находился на дне. Всплывание алюминия недопустимо, так как это приведет к его сгоранию на аноде. Плотность алю миния с повышением температуры уменьшается по формуле
dfc ^ 2*382 ^ 2,73. KF*it —658);:
где плотность жидкого алюминия ,при температуре L
При температуре плавления плотность жидкого алюминия равна 2,382 кг/м3, а при температуре 1000 °С—2,289 кг/м3.
Плотность расплавленного криолита |
зависит |
от температуры |
по уравнению |
|
|
d‘Kp =2,088 —8,8- Ю"4(/— 1000), |
|
|
где d!KP— плотность расплавленного |
криолита |
при температуре |
t, кг/м3. Плотность криолита меньше, чем алюминия, при тем пературе электролиза. Добавки NaF и AIF3 приводят к умень шению, a CaF2 и MgF2 к увеличению плотности электролита.
Плотность |
промышленного |
электролита, |
содержащего |
5 % |
А1203, 4—6 % CaF2, с к. о. = 2,7^-2,4 равна |
2,110—2,090 |
кг/м3 |
||
при 1000 °С, |
т. е. примерно |
10 % меньше, |
чем алюминия. |
При прохождении электрического тока через электролит выделяется тепло, необходимое для поддержания нужной температуры. В связи с этим электри ческая проводимость электролита имеет важное значение. Электрическая прбводимос^ь электролита зависит от сЙ де'р^н ^‘,в нем глинозема, а также^при месей. В процессе электролиза глинозем и криолит диссоциируют .на. -йоны; В настоящее время нет ёдйнрго твердо установленного взгляда на механизм электролиза!.1 ррдьШую, в разработке щ . а н и ^ эле^ролжщ .сргредсо ветские учёные. Т1. П.'Фёдотйев разраОРХМтеорию переноса трка в адк?Мйниёвой ванне в 1923—1932 гг., В. П. Мдшрр.^д, Г. А. Абрамов; А. И. Беляев,
В. М. Гуськов, В. А. Пазухин й другиё внесли |
Уточнения в механизм процес |
|
сов и развили теорию. Диссоциацию криолита |
и глинозема в расплавленном |
|
электролите можно представить следующими реакциями; |
||
Na3AlFe = 3Na+ + A IF ^ ; |
2А120 3 = Al3+ + |
ЗАЮ ^; |
А10’ = А13+ + 202~. |
|
|
Ряд ученых считает, что возможно образование и других ионов, например AIF5O4-, AIF4-, F- , АЮ+. В переносе тока будут участвовать все ионы, при сутствующие в электролите, причем доля в переносе тока зависит от концент рации и подвижности ионов. На катоде будет разряжаться ион А13+ с обра зованием металлического алюминия, а на аноде — ион 0 2~, который будет окислять углерод анода до СО и С02. Разряд других ионов на электродах возможен только при нарушении нормального течения процесса. Таким обра зом, при нормальной работе ванны в процессе электролиза расходуется глино зем, растворенный в электролите, с получением металлического алюминия. Напряжение на ванне обычно находится в пределах 4,1—4,5 В. При снижении содержания глинозема примерно до 1 % возникает анодный эффект. Внешне он проявляется в резком увеличении Напряжения до 30—40 В и в возйикновенин искровых разрядов на границе между анодом и электролитом. Появление анодных эффектов нарушает нормальную работу выпрямителей тока, повы шает расход электроэнергии и ускоряет разрушение анодов.
Исследования, выполненные под руководством А. И. Беляева, во многом
прояснили природу анодного эффекта. При |
уменьшении содержания |
глино |
|
зема ухудшается1смачиваемость электрода |
электролитом |
и при достаточно |
|
низкой концентрации глинозема наступает |
момент, когда |
электролит |
пере |
стает смачивать анод, анодное газы, ,которые при хорошем ^смачивании охры: вались от поверхности анода, в виде Мелких пузырьков, при ухудшенйи смёчивания задерживаются на аноде так, что/ййсповерхнобти, МЬда лфбрэзуетрй,
газовая |
пленка. Резко возрастает сопротивление на границе анод электро |
лит, й |
вЬЗнМкё'ёт1 анбйный:: Ьффёкт^! -Для' ЙрёЛЬтйра1Йённй‘ анодногоi эффекта |
необходимо выдерживать соответствующий^режим питания ванны глиноземом. Автоматизация процесса электролиза направлена на то, чтобы, контролируя параметры процесса, поддерживать постоянным электрическое сопротивление электролита.
§ 5. Показатели процесса электролиза и влияние различных факторов на расход электроэнергии
Основные экономические показатели процесса электролиза оп
ределяются выходом |
по току |
и |
расходом |
электроэнергии на |
1 т алюминия. Выход |
по току |
TJT |
является |
важной характери |
стикой процесса и представляет собой количество алюминия g it фактически выделенного определенным количеством электриче ства, к теоретическому количеству алюминия g2 :i)T=gi/g2. По закону Фарадея при электролизе количество выделившегося на катоде алкшиния составляет 0,335 г/(А • ч). Практически вслед ствие потерь тока и побочных процессов выделение алюминия меньше.
Выход по току зависит во многом от качества обслужива ния ванны и находится в пределах 0,85—0,90. Расход электро энергии на 1 т алюминия при напряжении на ванне 4,5 В и т]т=0,90 составляет 14900 кВт-ч, фактический расход электро энергии вследствие потерь, наличия анодных эффектов и дру гих факторов— 15000—17000 кВт-ч. На практике часто поль зуются величиной, обратной расходу электроэнергии, которую называют выходом по энергии. Выход по энергии представляет собой количество алюминия в граммах, полученного на 1 кВт-ч израсходованной электроэнергии. В современных про мышленных ваннах выход по энергии находится в пределах 60—64 г/(кВт- ч).
Выход по энергии, так же как и выход по току, определяет основные экономические показатели процесса электролиза и зависит от условий ведения процесса электролиза, в том числе от состава и температуры электролита, плотности тока, меж полюсного расстояния и других факторов.
§ 6. Рафинирование алюминия
Черновой алюминий содержит примеси трех видов: неметалли ческие включения, которые механически захватываются метал лом при выпуске, глинозем, электролит, карбид алюминия, угольные частицы; металлические примеси* переходящие из сырья (железо, кремний, титан, натрий, кальций) и газообраз ные, главным образом водород, появляющийся в результате электролитического разложения воды, попадающей в крио- литно-глиноземный расплав. Для удаления примесей и повы шения чистоты алюминий подвергают рафинированию. На ряде заводов рафинирование проводят непосредственно в ковшах с помощью газообразного хлора. При продувании расплава