5.2. Производство алюминия
5.2.1. Рудная база
Алюминий - самый распространенный металл в земной коре, его содержание составляет 8,8%. Однако основная масса А1 рассеяна среди большого количества разнообразных минералов (около 250). Из-за малой концентрации алюминия большинство этих минералов непригодно для рентабельной переработки. Промышленное значение имеют лишь корунд - А12О3, бемит - АlOОН, нефелин (Na,K)2O•Аl2O3•2SiO2, гибсит - А1(ОН)3, каолинит - AI2O3•2SiO2•2H2O.
Основным рудным сырьем для производства алюминия являются бокситы. В качестве примера на рис. 5.45 приведена технологическая схема производства алюминия из бокситов (указаны операции, которые входят в каждую стадию технологической схемы).
Рис. 5.45. Технологическая схема получения алюминия
Из высококремиземистых бокситов
По сравнению с месторождением железных руд месторождений бокситов, пригодных для промышленной разработки, меньше и размеры их меньше. В России алюминий получают также из нефелинов. В таблице 5.10 приведены составы некоторых типов бокситов и нефелина, %.
Таблица 5.10
Руда |
А12О3 |
SiO2 |
Fe2O3 |
Na2O+K2O |
CaO |
Боксит богатый |
60,0 |
1,6 |
11,0 |
- |
4,0 |
Боксит бедный |
44,5 |
13,0 |
16,7 |
- |
4,0 |
Нефелин |
27,3 |
40,3 |
5,2 |
11,9 |
7,6 |
В связи с тем что оксид алюминия является трудно восстановимым, порядок извлечения алюминия из руд принят обратным по сравнению с порядком при металлургии железа - вначале А12О3 отделяют от пустой породы, затем глинозем восстанавливают электролизом.
Бокситы плохо обогащаются, поэтому часто процесс их переработки начинается сразу со II стадии - химического обогащения.
5.2.2. II стадия - получение а12о3
Важнейшей характеристикой качества бокситов является отношение Al2О3/SiО2, которое называют кремневым модулем; для богатых руд он равен 10-15, для бедных 3-4. Практикой установлено, что различные по качеству бокситы целесообразно перерабатывать разными методами.
Из богатых бокситов глинозем извлекают по способу Байера - схема переработки приведена на рис. 5.46.
Идея способа заключается в том, что гидроксиды алюминия при воздействии на них концентрированной NaOH образуют растворимый алюминат натрия:
А12О3•nН20 + 2NaOH = 2NaAIО2 + (n + 1 )Н2О,
в то время как Fe2О3 и значительная часть SiО2 пустой породы остаются в твердом остатке (шламе).
Рис. 5.46. Технологическая схема получения А12О3 по способу Байера
При выщелачивании боксита одновременно с А12О3 в раствор может переходить некоторое количество SiО2: SiO2 +2NaOH = Na2SiО3(р-p) + H2О. При взаимодействии силиката натрия Na2SiO3 с алюминатом натрия NaAlO2 образуется нерастворимая соль, выпадающая в осадок. Этот побочный процесс уменьшает извлечение из боксита алюминия, увеличивает потери щелочи, ухудшает обезвоживание пульпы. Измельчение боксита совместно с опре-деленным количеством СаО значительно снижает этот отрицательный эффект благодаря образованию нерастворимого силиката кальция.
Растворимость глинозема значительно повышается с ростом концентрации NaOH и температуры (до 200-300°С). Как известно, проведение процессов с участием водных растворов при температурах выше 100°С возможно только при повышенных давлениях. В данном случае выщелачивание бокситов ведут при температурах 250°С и давлении до 3 МПа в особых герметических стальных сосудах - автоклавах емкостью 24-30 м3 (рис. 5.47).
Автоклав работает в непрерывном режиме. Подводимый снизу пар подогревает пульпу и перемешивает ее.
Для обеспечения необходимого времени выщелачивания (2,0-2,5 ч) и соответственно полноты выщелачивания процесс ведут в нескольких последовательно расположенных автоклавах (рис.5.48).
Рис. 5.47. Схема автоклава для
выщелачивания бокситов:
1 - вывод пульпы; 2 – теплоизоляция
Рис.5.48. Схема установки для непрерывного