Металлургия аллюминия

14

План

Общие сведения об алюминии

Особенности восстановления активных металлов

Свойства и получение активных металлов

Руды алюминия

Производство глинозема

Способ Байера

Производство электродов

Сырье для получения электродов

Электролит алюминиевой ванны

Конструкции электролизеров

Выливка алюминия

Структура себестоимости алюминия-сырца

Получение алюминия особой чистоты

Сплавы алюминия

Литература

Общие сведения об алюминии

Алюминий (Aluminium) - химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается латинскими буквами Al . Это серебристо-белый металл, легкий (Плотность= 2,7 г/см³) , легкоплавкий (t_пл = 660,4 °С ), пластичный, легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2,3 раза больше чем у меди)

Алюминий находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al₂O₃) составляет основу глинозема. Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы:

боксит - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)₃ и оксидов других металлов - алюминиевая руда;

алунит - (Na,K)₂SO_{4 *} Al₂(SO₄)_{3 *} 4Al(OH)₃ ;

нефелин - (Na,K)₂O _* Al₂O_{3 *} 2SiO₂ ;

корунд - Al₂O₃ - прозрачные кристаллы;

полевой шпат (ортоклаз) - K₂O _* Al₂O_{3 *} 6SiO₂ ;

каолинит - Al₂O_{3 *} 2SiO_{2 *} 2H₂O - важнейшая составляющая часть глины и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.

И хотя содержание его в земной коре 8,8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4,65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.

Особенности восстановления активных металлов

Большинство металлов добывают из их соединений с помощью восстановительных процессов. Так, способы получения железа, олова, свинца, меди и других металлов средней активности основаны на восстановлении руд углеродом при высоких температурах. Для получения металлов высокой активности, такие способы неприменимы из-за большой скорости окисления этих металлов кислородом, содержащимся в реакционной газовой смеси.

Промышленное производство многих активных металлов на электролизе расплавленных сред. Электролизу подвергается либо соль металла, либо его окисел, растворенный в солевом расплаве. Состав расплава подбирают таким, чтобы в нем не было катионов, разряжающихся при меньшем напряжении, чем катион получаемого металла.

Свойства и получение активных металлов

Электролиз расплавленных солей - сравнительно молодой металлургический процесс. Его разработка и промышленное освоение стали возможными лишь при уровне науки и техники, достигнутом только во второй половине ХIХ века. Поэтому история применения металлов, восстанавливаемых электролизом расплавов, насчитывает не более ста лет (если не принимать во внимание малые количества металлов, получаемых ранее в лабораториях ученых).

Завод по производству алюминия

Производство этих металлов росло и продолжает расти очень быстро. Алюминия сейчас производят в мире больше, чем меди или цинка, магния - почти столько же, сколько олова или никеля. По масштабам производства наиболее применяемые в наше время металлы располагаются в такой последовательности: железо, алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово, магний, титан. Но уже в ближайшие годы произойдут изменения в этом ряду, так как по темпам развития производства магний, и особенно титан, значительно опережают стоящие впереди металлы. Только железо, по-видимому, надолго сохранит место главного металла человечества. Несмотря на быстрое развитие алюминиевой промышленности, разница между выпуском алюминия и железа еще очень велика.

Руды алюминия

По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов (7,45%), а вместе с кислородом и кремнием составляет 82,58% массы земной коры. Он входит в состав около 250 минералов, 40% которых относится к алюмосиликатам.

Алюминиевой рудой называют горную породу с высоким содержанием окиси алюминия в доступной для извлечения форме, образующую крупные залежи. Ниже приведены основные рудообразующие минералы алюминия, содержащие , %:

Наибольшее значение для производства глинозема имеют руды: бокситы, нефелины, алуниты, кианиты и каолины.

Бокситы - горная порода, состоящая из гидроокисей алюминия, окислов железа, кремния и титана с примесями других соединений минерального и органического происхождения. В зависимости от того, какие гидроокиси алюминия преобладают, бокситы подразделяются на моногидратные (бемитовые и диаспоровые) и тригидратные (гиббситовые).

Нефелины менее богаты окисью алюминия, чем бокситы, но содержат щелочи и , что позволяет вести комплексную переработку этого сырья. Важнейшие месторождения нефелиновых руд - Кукисвумгорское на Кольском полуострове, Кия-Шалтырское в Кемеровской области и Ужурское в Красноярском крае.

Алуниты благодаря содержащимся в них сернокислым солям представляют собой ценное комплексное сырье, при переработке которого получают глинозем, серную кислоту, сульфаты калия и алюминия, квасцы и некоторые другие продукты.

Производство глинозема.

Свойства глинозема.

Алюминий образуетз с кислородом три окиси: . В субокиси он одновалентен, в - трехваленте, а в AlO проявляет смешанную валентность. Субсоединения и могут быть получены при высоких температурах восстановлением или термическим разложением но практического значения эти процессы пока не имеют.

Сырьем для производства алюминия служит глинозем - порошкообразная окись алюминия, состоящая из двух разновидностей (модификаций) окисла: (альфа-глинозем) и (гамма-глинозем). Альфа-окись алюминия - наиболее устойчивая форма, встречается в природе в виде минерала корунда. Он имеет прочную структуру, большую твердость и химическую стойкость: температура плавления корунда (20546)С. Гамма-глинозем получается при обезвоживании гидроокиси алюминия, хорошо взаимодействует с растворами щелочей и кислот, обладает высокой гигроскопичностью. Даже нагретый до 1000С гамма глинозем удерживает около 1% воды, и лишь продолжительная выдержка при 1200С полностью его обезвоживает. Гамма-глинозем при этом превращается в корунд

Способ Байера

Электроды служат для подвода электрического тока к электролиту, находящемуся в рабочем пространстве электролизера, поэтому они должны иметь хорошую электропроводимость, быть термостойкими, химически стойкими в расплавах и механически прочными. Их чистота должна обеспечивать высокое качество алюминия. Такими свойствами обладают углеродистые материалы, получаемые из углей и нефти.

Сырье для получения электродов

По внутреннему строению электроды, применяемые в электролизе, напоминают изделия из бетона, но здесь роль наполнителя (щебня) выполняют твердые углеродистые материалы (угли и коксы), а связующим служат смолистые вещества (пеки). При обжиге электродов пек коксуется, связывая между собой частицы твердого наполнителя.

В качестве твердых углеродистых наполнителей используют следующие материалы:

антрацит - ископаемый уголь, содержащий до 97% углерода, имеющий хорошую электропроводность, малую зольность и высокую механическую прочность;

термоантрацит - продукт термической (1150-1400С) обработки антрацита, в результате которой возрастает механическая прочность материала и снижается содержание в нем вредных примесей;

литейный каменноугольный кокс, имеющий зольность не более 11%, малое содержание летучих (до 1,2%) и серы (до 1,2%);

пековый кокс - продукт коксования каменноугольного пека, содержащий 96,5 - 97,5% углерода, не более 0,8% летучих и до 0,5% серы;

нефтяной кокс, получаемый при коксовании нефтяных остатков и содержащий 90 - 95% углерода, не более 7% летучих, до 0,8% золы и менее 1,5% серы.

Связующим в производстве электродов служит каменноугольный пек. Он представляет собой остаток после удаления летучих фракций из каменноугольной смолы при 300 - 350С.

Электролит алюминиевой ванны

Состав электролита

Основой электролита электролизеров для получения алюминия служит раствор глинозема в расплавленном криолите. Эффективное извлечение алюминия из такого раствора с помощью электролиза оказалось возможным благодаря удачному сочетанию свойств расплавленного криолита как растворителя.

Растворимость глинозема в криолите при 950С (обычная температура процесса) довольно высока (15%). Растворение глинозема сопровождается его ионизацией, протекающей с отщеплением иона алюминия . Криолитоглиноземный расплав не содержит соединений металлов, имеющих меньшее напряжение разложения, чем , не взаимодействует химически с углеродистыми материалами, не разлагается при температурах электролиза, обладает хорошей электропроводностью и умеренной летучестью.

Конструкции электролизеров

Алюминиевые электролизеры классифицируют по мощности и по конструкции. Мощность электролизеров (имеется в виду токовая нагрузка, на которую они рассчитаны) может быть небольшой (30-40 кА), средней (50-90 кА) и большой) 100-250 кА). По конструкции электролизеры различаются главным образом устройством анода и анодного токоподвода. Выделяются три разновидности конструкции:

электролизеры с самообжигающимся анодом и боковым подводом тока к нему;

электролизеры с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока к нему;

электролизеры с обожженными анодами.

Выливка алюминия

Суточная производительность современных электролизеров средней мощности составляет 350-600 кг, а электролизеров средней мощности 700 - 17--кг. На большинстве отечественных заводов, применяющих ванны средней мощности, принят двухдневный график выливки. При более частой выливке возрастают трудовые затраты на эту операцию, а удлинение периода между выливками ведет к резким колебаниям теплового режима электролизеров и снижению их показателей. Ванны большой мощности выливают ежедневно.

Структура себестоимости алюминия-сырца