Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Комплексное использование сырья и отходов алюминия и магния. Ч.1. Курс лекций-1
.pdf
№ 4232
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА
Кафедра цветных металлов и золота
А.П. Лысенко
Е.С. Кондратьева
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
СЫРЬЯ И ОТХОДОВ АЛЮМИНИЯ
И МАГНИЯ. Часть 1
Курс лекций
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2020
УДК 669.71’721.054.8
К43
Рецензент
канд. техн. наук, доц. С.С. Киров
Лысенко А.П.
К43 Комплексное использование сырья и отходов алю-
миния и магния. Часть 1: курс лекций / А.П. Лысенко,
Е.С. Кондратьева. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС»,
2020. – 64 с.
ISBN 978-5-907226-89-0
В процессе обучения у студентов формируются знания в области
производства и комплексной переработки сырья и отходов алюминия и магния. Курс лекций содержит материалы и общие сведения
по получению алюминия электролитическим методом. Описаны конструктивные особенности электролизеров и технико-экономические
показатели. В курсе проанализированы основные источники отходов
алюминиевого производства, приведены их классификация и способы утилизации. Рассмотрены вопросы, связанные с загрязнением
окружающей среды, методами улучшения экологической ситуации и
безопасности жизнедеятельности. Большое внимание в курсе уделено
вторичной металлургии алюминия.
Предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по
направлению подготовки 22.04.02.
ISBN 978-5-907226-89-0
УДК 669.71’721.054.8
А.П. Лысенко,
Е.С. Кондратьева, 2020
НИТУ «МИСиС», 2020
Содержание
Введение ........................................................................... 5
Лекция 1. Электрометаллургия алюминия ............................ 7
1.1. Общие сведения по получению алюминия .................... 7
1.2. Конструкция алюминиевых электролизеров ................. 9
1.3. Технико-экономические показатели электролиза ........ 10
1.4. Электролитическое рафинирование алюминия ........... 11
1.5. Классификация отходов алюминиевого
производства ................................................................ 12
Лекция 2. Образование фторсодержащих отходов
алюминиевого производства .............................................. 14
2.1. Источники загрязнения окружающей среды ............... 14
2.2. Производство регенерационного криолита.................. 17
Лекция 3. Способы очистки газообразных выделений
при электролизе алюминия ............................................... 22
3.1. Образование газообразных выделений
при электролизе алюминия ............................................ 22
3.2. Сухая газоочистка газов для алюминиевых
электролизеров ............................................................. 24
3.3. Мокрая двухступенчатая газоочистка
для алюминиевых электролизеров .................................. 28
Лекция 4. Производство вторичного криолита ..................... 31
4.1. Производство регенерационного криолита
из растворов газоочистки ............................................... 31
4.2. Производство флотационного криолита
при переработке угольной пены ...................................... 33
Лекция 5. Способы утилизации фторсодержащих
отходов алюминиевого производства................................... 37
5.1. Состав белых и черных шлаков ................................. 37
5.2. Флюсовая плавка в роторных и отражательных печах .... 38
5.3. Захоронение отходов ............................................... 39
5.4. Переработка шлаков на алюминиевых заводах ............ 40
Лекция 6. Металлургия вторичного алюминиевого сырья ...... 44
6.1. Плавка в отражательной печи ................................... 45
6.2. Плавка в индукционной печи ................................... 46
6.3. Плавильный комплекс «Мульти Мелтер» ................... 50
6.4. Практика плавки алюминиевых отходов и лома .......... 50
3
Лекция 7. Комплексная переработка солевых
алюмосодержащих шлаков вторичного сырья ...................... 52
7.1. Полигоны для хранения производственных отходов .... 52
7.2. Опытно-промышленные испытания технологии
разделения отходов на солевую и оксидную часть .............. 55
Заключение .................................................................... 59
Библиографический список ............................................... 60
4
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее пособие предназначено для курсового и дипломного проектирования по курсу «Комплексное использование сырья
и отходов алюминия и магния». Оно может быть также полезным при проведении семинарских занятий и курсовой научноисследовательской работы студентов.
Тематика лекций неразрывно связана с реальными электрометаллургическими процессами производства алюминия. В курсе рассмотрены основные вопросы, связанные с производством
алюминия методом электролиза криолито-глиноземного расплава, а также конструкции алюминиевых электролизеров и их технологические характеристики. Показано, что основными технико-экономическими показателями электролиза являются выход
по току и расход электроэнергии. Кроме этого, в курсе лекций
рассмотрен ряд вопросов, связанных с получением алюминия
высокой чистоты.
Особое внимание уделено проблемам, связанным с переработкой и утилизацией алюминиевого лома и отходов вторичной металлургии. Большая часть курса посвящена образованию и переработке фторсодержащих отходов алюминиевого производства.
Это в основном угольная «пена», шламы регенерации криолита
(при мокрой системе очистки отходящих газов) и пыль, увлекаемая общеобменной вентиляцией корпуса и отходящими газами
от электролизера. Показано, что в газах, выделяющихся из электролизера, доминирующая роль принадлежит сумме оксида и
диоксида углерода. В них содержатся и другие соединения – SO2,
CF4, SiF4, HF, а также смолистые возгоны из анодов. В лекциях
подробно описаны и проанализированы аппаратурно-технологические схемы работы «сухой» и «мокрой» очистки газов.
Часть материала лекций посвящена производству вторичного
криолита. Подробно описано производство регенерированного
криолита из растворов газоочистки и флотационного криолита
при переработке угольной пены, представлена принципиальная
технологическая схема получения вторичного криолита.
В процессе курсового и дипломного проектирования для студентов может представлять интерес состав флюсов при плавке
низкосортных алюминиевых отходов во вращающих, индукци-
5
онных и отражательных печах. В курсе лекций подробно описаны способы переработки флюсов и оборудование, применяемое
на различных заводах в России и за рубежом.
В курсе лекций подробно описаны способы разделения отходов на солевую и оксидную части. Проведенные испытания позволили создать технологическую схему переработки солевых
алюмосодержащих шлаков и представить ее студентам. До сих
пор солевые алюмосодержащие шлаки складируются в отвалы.
Под воздействием осадков содержащиеся в шлаках хлориды
выщелачиваются, засоляют почву и отравляют водоемы, а также грунтовые воды. Улучшение экологической ситуации – одна
из главных задач для будущих специалистов, работающих в области получения и переработки цветных металлов.
6
ЛЕКЦИЯ 1. ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
АЛЮМИНИЯ
1.1. Общие сведения по получению алюминия
Алюминий получают электролизом криолито-глиноземного
расплава в ванне, содержащей жидкий металлический катод и
углеграфитовый анод.
Электролитом для производства алюминия служит криолитоглиноземный расплав. Криолит – это конгруэнтно плавящееся
соединение Nа3АIF6 (3NaF × АIF3). Этот расплав имеет ряд существенных недостатков.
1. Расплавленные криолито-глиноземные электролиты чрезвычайно агрессивны. В них реально устойчивы лишь графит и
другие углеродистые материалы.
2. Электролиз этих электролитов сопровождается выделением отравляющего атмосферу газообразного фтористого водорода
и фторсодержащей пыли.
3. Криолит и фтористые соли являются дорогими и дефицитными материалами, что неблагоприятно сказывается на себестоимости алюминия.
Но, несмотря на это, на сегодняшний день криолит является
единственным растворителем глинозема.
Криолито-глиноземные расплавы представляют собой тройную систему Nа3АIF6–А12О3–АIF3. Если криолитовое отношение
(NaF/AlF3) у криолита равно 3, то промышленные электролиты
имеют небольшой избыток фтористого алюминия [1]. Кроме основных компонентов (Nа3А1F6, А1F3, Аl2О3), в него входит ряд
других химических соединений (СаF2, МgF2, LiF, NаСI), улучшающих физико-химические свойства электролита. Растворение глинозема в электролите сопровождается химической реакцией (1.1):
Na3AlF6 + Al2O3 = 3NaAlOF2. (1.1)
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 (от 8 до 10 мас-
7
совых % Al2O3) содержания при температуре
955–965 °
С. Растворенный глинозем диссоциирует на ионы. При этом на катоде
происходит выделение алюминия по реакции (1.2):
3AlOF
–
+ 6e = 2Al↓ + AlO
2
3–
+ 6F–, (1.2)
3
а на аноде разряжаются кислородсодержащие ионы по реакции
(1.3):
3AlOF
–
– 6e = 3Al3+ + 6F– + 1,5 О2↑. (1.3)
2
На практике применяют угольно-графитовый анод. Взаимодействие образующегося кислорода с углеродом анода происходит по реакции (1.4):
1,5О2 + 2С → СО + СО2. (1.4)
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 [1, 2].
Механизм горения угля состоит из следующих стадий.
1. Химическая адсорбция кислорода на угле.
2. Образование промежуточных углерод-кислородных соеди-
нений типа CxOy.
3. Распад CxOy на СО и СО2.
4. Десорбция СО и СО2 с поверхности анода.
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 этого, в ходе электролиза наблюдаются потери значительного количества криолита
и других фтористых солей из-за испарения и впитывания в футеровку.
На 1 т получаемого металла расходуется:
– от 1925 до 1945 кг глинозема;
– от 525 до 570 кг анодной массы;
– от 40 до 100 кг фтористых солей.
Часть фтористых солей регенерируется и возвращается в процесс получения алюминия.
8
1.2. Конструкция алюминиевых
электролизеров
Металлический алюминий получают в электролизной ванне. Выделяющийся расплавленный алюминий при температуре электролиза тяжелее электролита и находится на подине
ванны. Устройство электролизера можно схематически представить следующим образом. Это неглубокая шахта, которая
заполнена электролитом. Внутренняя футеровка ванны сделана из угольных блоков – боковых и подовых. В электролит опущен угольный анод. Катодом служит угольная подина. К аноду
и к подине подведены токопроводящие шины. Над расплавом
на границе с воздухом образуется корка застывшего электролита. Слоем застывшего электролита покрыты изнутри боковые
стенки (боковой гарнисаж) и частично подовая поверхность
ванны (около стенок).
Таким образом, 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 по мощности [3].
1. По устройству анода делятся на электролизеры с обожженными анодами (ОА) и электролизеры с одним самообжигающимся непрерывным анодом.
2. По конструкции анодного токоподвода электролизеры бывают с боковым анодным токоподводом (БТ) и с верхним анодным токоподводом (ВТ).
3. По мощности – на электролизеры небольшой мощности
(на силу тока от 80 до 90 кА), электролизеры средней мощности
(на силу тока от 150 до 175 кА) и электролизеры большой мощности (на силу тока от 300 до 500 кА).
9
1.3. Технико-экономические показатели
электролиза
Основными технико-экономическими показателями электро-
лиза являются выход по току и расход электроэнергии. Выход
по току (ηт) определяется как отношение практически полученного на катоде алюминия к теоретической массе, рассчитанной
по закону Фарадея (реакции 1.5 и 1.6):
ηт = (Р / М) × 100%. (1.5)
Закон Фарадея:
M = k × I × τ, (1.6)
где М – масса алюминия, кг;
k – электрохимический эквивалент, г/(А∙ч);
I – сила тока, А;
τ – время, ч.
Электрохимический эквивалент алюминия составляет
0,335 г/(А∙ч).
Удельный расход электроэнергии (W) определяется как отношение количества затраченной электроэнергии к массе полученного металла по реакции (1.7):
W = I Uср ∙ τ / Р, (1.7)
где W – удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/т;
I – сила тока, кА;
Uср – среднее напряжение на электролизере, В;
Р – производительность электролизера (количество металла
в тоннах за единицу времени τ).
На промышленных электролизерах в зависимости от их конструкции выход по току составляет от 84 до 90%, а расход электроэнергии – от 14 500 до 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 (марка
А85) – не менее 99,85%. Основные примеси, которые содержатся в первичном алюминии, – это Fe, Si, Cu, Zn и Ti.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]