Металлургия цветных металлов. Практикум

4)  защита от коррозии;

5)  нет правильного ответа.

53  Огнеупорные материалы используют для сооруже-

ния:

1)  плавильных аппаратов;

2)  автоклавов;

3)  зданий;

4)  фильтровальных аппаратов;

5)  футеровки.

54  Классификации огнеупоров: 1)  по назначению; 2)  по степени огнеупорности; 3)  по качеству; 4)  по сроку службы; 5)  по стоимости.

55  Классификация огнеупоров по степени огнеупорности:

1)  высокоогнеупорные;

2)  просто огнеупорные;

3)  низкоогнеупорные;

4)  высшей огнеупорности;

5)  среднеогнеупорные.

56  Классификация огнеупоров по химической активности:

1)  кислые;

2)  нейтральные;

3)  щелочные;

4)  солевые;

5)  инертные.

57  Вспомогательные материалы для металлургических процессов:

1)  химические реактивы;

31

2)  сжатый воздух;

3)  флюсы;

4)  топливо;

5)  нет правильного ответа.

58  Товарной продукцией предприятий цветной металлургии могут быть:

1)  штейн;

2)  цветные металлы и сплавы;

3)  огарок;

4)  серная кислота;

5)  медный купорос.

59  К отходам и полупродуктам металлургического производства относятся:

1)  штейн;

2)  минеральные удобрения;

3)  огарок;

4)  серная кислота;

5)  шлак.

32

2  Металлургиялегкихцветныхметаллов

По классификации цветных металлов к группе легких относятся щелочные и щелочноземельные металлы (алюминий, магний, натрий, калий, барий, кальций, стронций). По объемам производства и потребления алюминий занимает первое место среди цветных металлов. Обладая уникальными физико-механическими и химическими свойствами, алюминий нашел широкое применение в самых разнообразных отраслях промышленности и технике. Малый удельный вес, способность образовывать сплавы высокой механической прочности, высокие тепло- и электропроводность, устойчивость к коррозии (при условии образования протекторных оксидных пленок на поверхности), способность восстанавливать металлы из оксидов благодаря высокому сродству к кислороду – далеко не все удивительные свойства этого металла.

Алюминий – самый распространенный металл в земной коре. Его кларк превышает 8 %. Основная масса этого металла распределена среди большого количества разнообразных минералов (около 250). При этом промышленное значение имеют лишь корунд, гиббсит, бемит, нефелин, алунит и каолинит. Из прочих известных минералов алюминий извлекать экономически нецелесообразно по причине его низкого содержания.

Поскольку процесс прямого восстановления алюминия из рудных материалов является крайне энергоемким и сложным, алюминий сначала отделяют от пустой породы в виде Al2O3 (название технологического продукта – глинозем), а затем восстанавливают до металла методом электролиза криолитоглиноземных расплавов.

Основным сырьем для производства глинозема во всем мире являются бокситы. В состав бокситовой руды кроме алюминия входят следующие основные примеси: кремний, железо, титан, кальций. Кроме перечисленных элементов в бокситах присутствует значительное количество малых примесей, которые в определенной степени могут отрицательно влиять на процесс производства глинозема или вести себя нейтрально

33

(как балласт). Основными критериями качества боксита являются содержание глинозема и кремниевый модуль – массовое отношение Al2O3 к SiO2, содержащемуся в руде. Мировой практикой и многочисленными исследованиями установлено, что различные типы алюминиевых руд могут быть переработаны различными методами, среди которых основными являются щелочные гидро- и пирометаллургические способы (рисунок  2.1), кислотные технологии, а также электротермический способ.

Многообразие предложенных технологий позволяет извлекать глинозем практически из любого вида алюминиевого сырья, но в условиях текущего состояния сырьевой базы и в обозримом будущем альтернативы способу Байера с точки зрения экономичности не наблюдается.

Щелочные способы

Рисунок  2.1 – Классификация щелочных способов производства глинозема

34

Способ,названныйименемработавшеговРоссииавстрийского химика К.И. Байера, основан на свойстве алюминиевых растворов находиться в устойчивом состоянии при повышенных температурах и концентрациях и самопроизвольно распадаться с кристаллизацией гидроксида алюминия из алюминатного раствора при понижении температуры и концентрации.

Рисунок  2.2 – Технологическая схема производства глинозема по способу Байера

Способом Байера (рисунок  2.2) глинозем получают только из высококачественных бокситов, в которых растворение

35

гидроксидов алюминия происходит при воздействии на руду концентрированной щелочью с образованием растворимого алюмината натрия:

Al(OH)3 + NaOH → NaAl(OH)4,

вто время как все железо и значительная часть кремнезема пустой породы остаются в твердом осадке.

При выщелачивании боксита одновременно с Al2O3

враствор может переходить некоторое количество кремнезема в виде силиката натрия, который при взаимодействии

с алюминатом натрия образует нерастворимое соединение

Na2O Al2O3 хSiO2 уH2O. Этот побочный процесс уменьшает извлечение глинозема из боксита, увеличивает потери щелочи, ухудшает обезвоживание пульпы. Добавление некоторого количества СаО снижет этот отрицательный эффект благода-

ря образованию нерастворимого гидрограната.

Процесс выщелачивания ведут при температуре 105 °С

вмешалках и выше в автоклавах, в зависимости от типа боксита. Вареная пульпа после разбавления подается на участок сгущения и промывки, где в сгустителях происходит отделение алюминатного раствора от нерастворимого осадка – шлама, который после многократной противоточной промывки направляется в шламохранилище.

Отделенный от шлама раствор поступает на передел разложения (декомпозицию), где при медленном охлажде-

нии происходит выделение кристаллического Al(OH)3. Для ускорения процесса выпадения и роста кристаллов гидрата

алюминия вводят затравку (мелкие кристаллы Al(OH)3) и охлаждают раствор до 55…45 °С. В этих условиях раствор становится пересыщенным, и большая часть Al(OH)3 выпадает

восадок. Процесс разложения ведут в течение 55…60 ч в декомпозерах – цилиндрических резервуарах высотой до 30 м и диаметром до 8 м.

Гидратную пульпу фильтруют, полученный осадок промывают и прокаливают при температуре 1200 °С для получе-

36

ния безводного глинозема. Процесс прокалки гидрата алюминия называют кальцинацией.

Показатели процесса Байера:

а)  степень извлечения глинозема – 85…88 %; б)  удельный расход на 1 т глинозема:

боксита – 2,0…2,5 т;

щелочи – 70…90 кг;

извести – 120 кг;

пара – 7…9 т;

электроэнергии – 280 кВт ч.

Металлический алюминий получают электролизом криолито-глиноземного расплава в ванне, содержащей жидкий металлический катод и углеграфитовый анод. Электролитом служит расплав, представляющий собой тройную систему Nа3АlF6 – Аl2О3 – АlF3. Криолит – это плавящееся соединение Nа3АlF6 (3NaF АlF3), которое является единственным растворителем глинозема.

Кроме основных компонентов в него входит ряд других химических соединений (СаF2, МgF2, LiF, NаСl), улучшающих физико-химические свойства электролита. Растворение глинозема в электролите сопровождается химической реакцией:

Na3AlF6 + Al2O3 = 3NaAlOF2.

Электролиз ведут непрерывно. При этом содержание глинозема в оксидно-фторидном расплаве уменьшается. При достижении минимальной концентрации Al2O3 в электролите в него догружают глинозем и доводят до предельного (8…10 массовых % Al2O3) содержания при температуре 955…965 °С. Растворенный глинозем диссоциирует на ионы. При этом на катоде происходит выделение алюминия, а на аноде разряжаются кислородсодержащие ионы. На практике применяют угольнографитовый анод. Взаимодействие образующегося кислорода с углеродом анода происходит по реакции

1,5О2 + 2С → СО + СО2.

37

Выделяющийся алюминий накапливается на подине. Его периодически извлекают из ванны. Анодный газ улавливают и удаляют из электролизера при помощи специальных устройств в систему газоотсоса и газоочистки.

Теоретически в процессе получения алюминия расходуется не только глинозем и углерод, но и электроэнергия, которая необходима для разложения глинозема и поддержания высокой рабочей температуры электролиза. Кроме того, в ходе электролиза наблюдаются потери значительного количества криолита и других фтористых солей из-за испарения и впитывания в футеровку.

Удельный расход на 1 т получаемого металла, кг:

глинозема: 1925…1945;

анодной массы: 525…570;

фтористых солей: 40…100.

Алюминиевый электролизер любой конструкции и мощности состоит из катодного устройства, анодной системы, ошиновки (анодной и катодной) и опорных металлоконструкций. Кроме этих основных узлов электролизеры имеют специальные приспособления для улавливания и отвода газов, выделяющихся во время электролиза.

Современные алюминиевые электролизеры можно классифицировать по устройству анода, конструкции анодного токоподвода и мощности:

по устройству анода делятся на электролизеры с обожженными анодами (ОА) и электролизеры с одним самообжигающимся непрерывным анодом;

по конструкции анодного токоподвода электролизеры бывают с боковым анодным токоподводом (БТ) и с верхним анодным токоподводом (ВТ);

по мощности – электролизеры небольшой мощности (на силу тока 80…90 кА), электролизеры средней мощности (на силу тока 150…175 кА) и электролизеры большой мощности (на силу тока 300…500 кА).

Основными технико-экономическими показателями электролиза являются выход по току и расход электроэнер-

38

гии. На промышленных электролизерах в зависимости от их конструкции выход по току составляет 84…90 %, а расход электроэнергии – 14 500…15 500 кВт ч/т.

Химический состав и марки первичного алюминия приведены в ГОСТ  11069–2001. Самый грязный металл (марка А0) содержит алюминия не менее 99 %, а самый чистый (А85) – не менее 99,85 %. Основные примеси, которые содержатся в первичном алюминии, – это Fe, Si, Cu, Zn и Ti.

Алюминий высокой чистоты (АВЧ) с содержанием алюминия 99,950…99,995 % обладает по сравнению с алюминием технической чистоты рядом ценных свойств. К ним относятся повышенная электропроводимость, большая пластичность, высокая отражательная способность и исключительно высокая антикоррозионная стойкость, которые и определяют соответствующие области применения АВЧ.

Основным способом получения алюминия высокой чистоты является электролитическое рафинирование по трехслойному методу. Катодом служит рафинированный алюминий. На катоде происходит восстановление ионов алюминия. При этом более электроотрицательные, чем алюминий, металлы не выделяются на катоде и остаются в электролите. Электролитом является расплавленная смесь фторида алюминия с фторидами и хлоридами щелочных и щелочноземельных металлов.

Нижний слой электролизеров – анодный сплав, как правило, содержит 25…35 % меди, а также железо и кремний. Основная реакция на аноде – анодное растворение алюминия.

Более электроположительные, чем алюминий, металлы не подвергаются анодному растворению и накапливаются в анодном сплаве. На 1 т получаемого металла извлекают от 60 до 80 кг анодных осадков.

Современные рафинировочные электролизеры рассчитаны на силу тока 75 кА и по своему внешнему виду похожи на электролизеры с обожженными анодами, с той лишь разницей, что анодное устройство здесь расположено снизу, а катодное – сверху.

39

Контрольные вопросы

1  Кларк алюминия равен: 1)  0,3354; 2)  –1,67; 3)  26,98; 4)  13; 5)  8,13.

2  Минералы алюминия: 1)  боксит; 2)  глина; 3)  корунд; 4)  глинозем; 5)  нефелин.

3  Формула диаспора:

1)  Al2O3 H2O;

2)  Al2O3 SiO2;

3)  Al2O3 3H2O; 4)  СаО Al2O3; 5)  Al(OН)3.

4  Формула бемита:

1)  Al2O3;

2)  Al(OH)3;

3)  AlOOH;

4)  Al2O3 H2O;

5)  Al2O3 3H2O.

5  Формула корунда:

1)  Al2O3;

2)  Al(OH)3;

3)  AlOOH;

4)  Al2O3 H2O;

5)  Al2O3 3H2O.

6  Формула гиббсита: 1)  Al2O3 H2O;

40