Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии переработки руд. Учебное пособие
.pdf
, MgF2 2 % – 5 %. Такой электролит не содержит ионов с более низким потенциалом
разряда, чем потенциал разряда ионов алюминия, и температура плавления его
находится в интервале от 950 до 970 °С.
Рисунок 6 – Диаграмма состояния: криолит – оксид алюминия
Основные компоненты системы диссоциируют
А12О
↔А1+3 + А1О
3
Na3AlF6 ↔ 3Na+ + AlF
3
– 3
6
и
– 3
В результате добавок фтористых солей, расплавленный электролит содержит
следующие ионы и представляет собой сложную ионную систему:
+3
А1
, Na+, Ca+2, Mg+2, Li
+
, А1О
– 3
3
, AlF
– 3
6
, F
–
Разрядка ионов расплавленного электролита определяется значением их
потенциалов разряда в соответствии с правилом. В таблице 9 указаны в качестве
примера потенциалы разряда ионов А12О
и Na3AlF6 на алюминиевом катоде,
3
который представляет собой расплавленный алюминий и угольном аноде, которые
используются в электролизерах, а также уравнения реакций на электродах [22].
Таким образом, при электролизе криолито-глиноземного расплавленного
электролита восстанавливаются ионы А1+3 и А1Оз
- 3
. Теоретическое напряжение
разряжения на алюминиевом и угольном электродах равно 1,66 – (– 0,47) = 2,13 В.
121
Таблица 9 – Потенциалы разряда ионов А1
Электроды
Потенциалы
разряда, В
Реакции на электродах
Катод
+ 2,71
+ 1,66
Na+
А1
+3
+ Зē = А1
Анод
более – 0,5
– 0,47
AlF
6
– 3
А1О
3
– 3
– 6ē = А1
2О3
+ 1,5О
2
и Na3AlF6 и уравнения реакций
2О3
на электродах
Напряжения разрядки добавок криолита и других фтористых солей (AIF3,
NaF, MgF2 LiF и CaF2), рассчитанные теоретически для температуры Т = 1300 °,
гораздо выше 2,13 В, поэтому они при электролизе эти примеси не претерпевают
электрохимическое разложение.
Вторичные процессы при электролизе расплавленного электролита криолитоглиноземного расплава идут на аноде и на катоде.
На аноде при температуре электролиза идет постоянное окисление угольного
вещества, при этом образуется смесь оксида углерода (II) и оксида углерода (IV)
согласно реакциям:
С + О = СО и С + О
= СО
2
2
Пузырьки газа адсорбируются на поверхности анода, изменяя его природу и
повышая потенциал разряда ионов. Именно поэтому напряжение разложения на
этих электродах А1–С–СО
практически более высокое, чем теоретически и равно
2
4,3 В – 4,5 В.
процесса электролиза:
При суммировании реакций процессов, получим суммарные уравнения
А12О
2А12О
+ ЗС = 2А1 + ЗСО
3
+ ЗС = 4А1 + ЗСО
3
2
122
Главным устройством в электролитическом получении алюминия является
электролизер, который называется алюминиевой ванной (рисунок 7) [22].
Электролизер имеет катод и анод. Катод выглядит как прямоугольный
металлический кожух, имеющий огнеупорную изоляцию, футерован внутри
угольными плитами, блоками. Нижние блоки выполняют роль токоподводов для
расплавленного алюминия, который играет роль катода. Электролизер обустроен
системой газоулавливания, сгорания оксида углерода (II), устройством для
постоянной подачи глинозема, системой отведения металлического алюминия.
Анод выполнен из угля, он погружен в расплавленный электролит, в котором
запрессованы токоподводы.
Материал анода принимает участие во вторичных процессах электролиза,
поэтому аноды постоянно обгорают, это ведет к изменению расстояния между
анодом и катодом, что нарушает режим электролиза. Для устранения этого явления
используют непрерывные аноды разных конструкций. Обычно в электролизерах
применяют непрерывные аноды:
1 – кожух, 2 – футеровка огнеупорная, 3 – футеровка из угля (плиты), 4 –
глинозем, 5 –расплавленный электролит, 6 – гарнисаж, 7 – алюминий, 8 –блок
обожженного анода, 9 – токоподводы, 10 – наращиваемый блок, 11 – кожух анодной
массы, 12 – анодная масса
Рисунок 7 – Общая схема электролизера
123
– самообжигающиеся аноды, которые состоят из алюминиевого кожуха с
размещенной в нем брикетированной анодной массы с запрессованными в нее
токоподводами; при обгорании такой анод опускают в электролизер, при этом
анодная масса перемещается в зону все более высоких температур, где спекается,
превращаясь в угольный анод; при сгорании анода алюминиевый кожух
наращивается сверху и заполняется анодной массой;
– предварительно обожженные аноды. В настоящее время в электролизерах
высокой мощности используют предварительно обожженные аноды, которые
состоят из блоков, наращиваемых сверху по мере их обгорания. Токоподводы
впрессованы сбоку в готовые блоки.
Плотность Na3AlF6 (криолита), Al (алюминия) и А1
(глинозема) в твердом
2О3
состоянии соответственно (в т/м3): 2,95; 2,70; 3,90. При температуре процесса
электролиза плотность расплавленного алюминия равна 2,3 т/м3, а электролита
порядка 2,0 т/м3. Из-за разности плотностей расплав исходный разделяется. Жидкий
алюминий отделяясь от криолито-глиноземного расплава, накапливается на дне
ванны. В процессе электролиза в результате охлаждения ванны наружным воздухом
на поверхности расплава образуется твердый слой электролита (гарнисаж), он
утепляет ванну, а также понижает расход электроэнергии. Расплавленный
алюминий извлекают из ванны используя вакуумные ковши, сифоны.
Глинозем постоянно поступает в электролизер с помощью пневматического
штокового устройства, которое пробивает корку гарнисажа и дозирут глинозем.
Система газоулавливания электролизера собирает выделяющиеся при
электролизе газы и удаляет их в газоочистную систему. В ваннах с
самообжигающимися анодами газы улавливают специальными колоколами,
обеспечивающими возможность дожигания летучих продуктов коксования анода и
оксида углерода (II) СО. В ваннах с непрерывными предварительно обожженными
анодами применяют, в основном, газоизоляцию всего электролизера, исключая
подсос в него воздуха снаружи [22].
124
Очистка и рафинирование алюминия
Примеси отрицательно влияют на механические, электрические, литейные и
другие свойства алюминия, а также понижают его стойкость к коррозии. Для
очистки от механических примесей и растворенных газов алюминий хлорируют
прямо в вакуум-ковшах. При этом образуются хлориды водорода и некоторых
металлов. Образовавшиеся хлориды и механические примеси всплывают на
поверхность металла и затем удаляются:
{А1 + Mg + Са} ↔ {MgCl2 + СаС12 + А1С13} + А1
После хлорирования алюминий выдерживается в электрических печах, чтобы
удалить остатки примесей и усреднить состав. Затем его отливают в слитки. При
этом получают алюминий марки А 85 (содержит не менее 99,85 % алюминия). Для
получения алюминия высокой и особой чистоты его дополнительно рафинируют.
Обычно применяют два метода рафинирования: электролитический и с помощью
субсоединений алюминия.
Сущность электролитического трехслойного метода рафинирования
заключается в процессах анодного окисления и затем катодного восстановления
алюминия. Анодом (нижний слой) электролизера служит рафинируемый алюминий,
содержащий для увеличения плотности до 40 % очищенный алюминий. Между
катодом и анодом находится расплавленный электролит, состоящий из смеси
хлоридов бария и натрия и фторидов алюминия и натрия (рисунок 8) [22].
1 – слой рафинируемого алюминия, содержащего медь; 2 – слой электролита;
3 – слой чистого алюминия
Рисунок 8 – Схема электролитического рафинирования алюминия:
125
В процессе рафинирования алюминия, с учетом, что Ер < Е
Примесей
, алюминий
растворяется на аноде:
А1 – Зē - А1+3,
ионыалюминия, из-за разности плотностей слоев загрязненного алюминия и
электролита, проходят через слой электролита и восстанавливаются на катоде. А
примеси с большим потенциалом остаются в слое рафинируемого металла и
накапливаются в слое электролита. Периодически анодный сплав и электролит
меняют. Энергоемкость этого процесса составляет около 18 МВт*ч на тонну
алюминия. Полученный этим методом очистки металл имеет чистоту 99,99 %.
Рафинирование с помощью субсоединений базируется на возгонке
легколетучих субсоединений одновалентного алюминия, которые образуются при
высокотемпературной обработке рафинируемого алюминия хлоридом алюминия
(III). Примеси не перегоняются и остаются в остатке от рафинирования. После
охлаждении продуктов перегонки до температуры около 700 °С, субсоединения
распадаются на алюминий и хлорид алюминия, который возвращается назад в
процесс. Чистота алюминия, полученного при рафинировании через субсоединения
составляет 99,9995 %.
Алюминий сверхвысокой чистоты (99,9999 %) можно получить методом
зонной плавки [22].
5.5 Черные металлы
5.5.1 Масштабы производства черных металлов
Согласно классификации металлов принятой в промышленности к черным
металлам относят железо и его сплавы с углеродом – железоуглеродистые сплавы, а
126
также марганец и хром. Mn, Cr.
Кратко остановимся на свойствах железа и его сплавов.
Железо является одним из самых распространенных элементов в природе, оно
занимает четвертое место после кислорода, алюминия и кремния. Содержание
железа в земной коре достигает 4,2 %. Железо входит практически во все горные
породы.
Простое вещество железо – это твердый светло-серебристый металл,
пластичный, легко поддается ковке, прокатке, штамповке, а также волочению.
Временное сопротивление на разрыв находится в пределах от 170 до 210 МПа,
плотность ЖЕЛЕЗА РАВНА 7,87 т/м
3
, температура плавления составляет 1539 С, а
температура кипения равна 3200 C. Практически все свойства железа сильно
зависят от его чистоты.
Железо полиморфно и в зависимости от температуры существует в четырех
аллотропных модификациях, которые связаны между собой обратимыми
переходами:
768 С 910 С 1400 С 1539 С
α-железо ↔ β-железо ↔ γ-железо ↔ δ-железо ↔ расплав
Аллотропные модификации железа отличаются типом кристаллической
решетки, а также, как следствие, удельным объемом, теплоемкостью, магнитными и
механическими свойствами и растворимостью в них углерода и другими
свойствами.
В основе классификации черных металлов лежит их химический состав.
Черные металлы представляют собой сложные системы, содержащие кроме железа
и углерода различные примеси, такие как сера, азот, фосфор, кремний и другие,
которые вносятся из исходного сырья в процессах добычи и переработки, а также
металлы, специально добавленные для придания сплаву заданных свойств.
По содержанию углерода (С) черные металлы подразделяют на две группы:
- стали (менее 2,14 % С) и
127
- чугуны (более 2,14 % С).
Это количественное различие обусловлено особенностями полиморфных
модификаций железа, структурой металла, поэтому такая классификация является
естественной классификацией.
Стали выделяют углеродистые, в них другие металлы присутствуют в
незначительных количествах и практически не оказывают влияния на их свойства и
легированные, в состав легированных сталей добавлены следующие металлы: хром,
никель, вольфрам, ванадий, молибден и другие для придания сталям заданных
свойств. По содержанию углерода углеродистые стали подразделяют на
низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали.
Чугуны различают белые или передельные, серые или литейные,
модифицированные. Белые чугуны содержат углерод в виде карбида железа и
получаются при кристаллизации расплавов. В серых чугунах углерод – частично в
виде графитовых образований, которые выделяются из жидкой или твердой фазы в
случае медленного охлаждения. Модифицированные чугуны включают в себя
добавки, которые улучшают распределение графита и структуру чугунов: кремний,
магний, алюминий.
В особую группу черных металлов выделяют ферросплавы – это
малоуглеродистые сплавы железа с высокой концентрацией ТАКИХ элементов как
ферромарганец, ферросилиций, феррохром и др. (рисунок 9) [22].
128
Рисунок 9 – Классификация черных металлов по химическому составу
Черные металлы относятся к числу важнейших в промышленности, являются
основой тяжелого машиностроения и мерилом уровня развития современной
индустрии. Даже регулярно приводятся показатели о производстве на душу
населения черных металлов в развитых странах.
Широкое применение черных металлов связано с их распространенностью и,
как следствие, с богатыми сырьевыми ресурсами, а также сравнительно простого
производства их и высокой механической прочностью. Так, железоуглеродные
сплавы составляют порядка 92 % от всех производимых металлов.
Сфера использования черных металлов в качестве конструкционных
материалов многообразна и практически не ограничена. Серые чугуны применяют
как материалы для производства фасонных отливок, они хорошо режутся, обладают
повышенной сопротивляемостью износу, из-за включений графита и хорошо
работают в условиях трения. Черные металлы применяются в станкостроении,
автомобилестроении, при производстве товаров массового потребления.
Модифицированные высокопрочные чугуны используются для изготовления
деталей прокатных станов, коленчатых валов и деталей двигателей автомобилей.
129
Белые чугуны более хрупкие и плохо поддаются обработке. Они идут на
переделку в сталь и производство методом отжига ковкого чугуна, который лучше
воспринимает переменные, ударные нагрузки и занимает промежуточное место
между серым чугуном и сталью. Его применяют для получения особо прочных
деталей, таких как цепи, тормозные колодки, ступицы маховиков, крюки и др.
Применение сталей на много шире. Стали разделяют на конструкционные, они
предназначены для изготовления различных деталей машин, конструкций,
приборов, инструментальные применяют для приготовления режущих,
штампованных, измерительных инструментов. Есть и стали специального
назначения, они обладают коррозионно-стойкими свойствами, не ржавеют,
износостойкие, жаропрочные и т.п.
Ферросплавы используются при раскислении чугуна и стали – ферромарганец,
ферросилиций, а также их легировании – феррохром, ферровольфрам и др.
Ферросплавам характерна более низкая, чем соответствующие элементы,
температура плавления, а это облегчает их введение в жидкие сталь и чугун.
К черным металлам относятся также и магнитные материалы (для получения
сердечников трансформаторов, электрических машин, измерительной аппаратуры и
т.п.). Особо выделяют группу веществ, близких к ним по свойствам – ферриты.
Ферриты – это соединения оксида железа (III) с оксидами других металлов. Они
нашли широкое применение в приборостроении.
Для обозначения различных чугунов и сталей разработана специальная
система обозначений. Так, серые чугуны обозначаются буквами СЧ с указанием
пределов прочности при растяжении и при изгибе, например, СЧ12-28. Ковкий
чугун маркируется буквами КЧ с указанием предела прочности при растяжении и
относительного удлинения, например КЧ50-4.
Углеродистые стали в зависимости от области применения подразделяют на
группы А, Б и В. Внутри каждой группы они разделяются на категории, указанные в
марке стали, например: СТЗ – сталь группы А третьей категории, БСТ2 – сталь
группы Б второй категории.
Исходным сырьем для производства черных металлов являются железные
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]