Tehnologia de fabricație a aluminiului. Procesul tehnologic al producției de aluminiu

1.1 Obținerea aluminei din minereuri

Alumina este produsă în trei moduri: alcalină, acidă și electrolitică. Metoda alcalină este cea mai utilizată (metoda lui K. I. Bayer, dezvoltată în Rusia la sfârșitul secolului anterior și folosită pentru prelucrarea bauxitei de înaltă calitate cu o cantitate mică (până la 5-6%) de silice). De atunci, implementarea sa tehnică a fost îmbunătățită semnificativ. Schema de producție de alumină conform metodei Bayer este prezentată în Fig. 1.

Esența metodei este că soluțiile de aluminiu se descompun rapid atunci când este introdus hidroxid de aluminiu, iar soluția rămasă după descompunere după evaporare sub agitare viguroasă la 169-170 ° C poate re-dizolva alumina conținută de bauxită. Această metodă constă în următoarele operații de bază:

Prepararea bauxitei, constând în zdrobirea și măcinarea acesteia în mori; bauxite, alcaline caustice și o cantitate mică de var sunt alimentate morilor, ceea ce îmbunătățește eliberarea de Al 2 O 3; pulpa rezultată este hrănită la levigare;

Lăsarea bauxitei (blocurile rotunde de autoclave folosite recent au fost parțial înlocuite cu autoclave tubulare în care lipitarea are loc la temperaturi de 230-250 ° C (500-520 K)), care constă în descompunerea chimică a acestuia din interacțiunea cu o soluție apoasă alcalină; hidrații de oxid de aluminiu în contact cu alcalii trec în soluție sub formă de aluminat de sodiu:

AlOOH + NaOH → NaAlO 2 + H2O

Al (OH) 3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2 O;

Si02 + 2NaOH → Na2 Si03 + H20;

într-o soluție, aluminatul de sodiu și silicatul de sodiu formează aluminosilicat de sodiu insolubil; oxizii de titan și fier trec în reziduul insolubil, făcând ca reziduul să fie roșu; acest reziduu se numește noroi roșu. După finalizarea dizolvării, aluminatul de sodiu rezultat este diluat cu o soluție apoasă alcalină în timp ce scade temperatura cu 100 ° C;

Separarea soluției de aluminat de noroiul roșu se realizează de obicei prin spălarea în agenți de îngroșare speciali; ca urmare, noroiul roșu se instalează și soluția de aluminat este drenată și apoi filtrată (clarificată). În cantități limitate, nămolul este folosit, de exemplu, ca aditiv la ciment. În funcție de gradul de bauxită, 1–1 tone de oxid de aluminiu obținut reprezintă 0,6–1,0 tone de noroi roșu (reziduuri uscate);

Descompunerea soluției de aluminat. Se filtrează și se pompează în recipiente mari cu mixere (descompunătoare). După răcire la 60 ° C (330 K) și agitare constantă, hidroxidul de aluminiu Al (OH) 3 este extras din soluția suprasaturată. Deoarece acest proces se desfășoară lent și inegal, iar formarea și creșterea cristalelor de hidroxid de aluminiu sunt de o importanță deosebită în timpul prelucrării ulterioare, se adaugă la descompunere o cantitate mare de hidroxid solid:

Na2O ּ Al2O3 + 4H2 O → Al (OH) 3 + 2NaOH;

Alocarea hidroxidului de aluminiu și clasificarea acestuia; acest lucru se produce în hidrocicloni și filtre de vid, unde un precipitat care conține 50-60% de particule de Al (OH) este izolat de o soluție de aluminat. O parte semnificativă a hidroxidului este returnată procesului de descompunere sub formă de material semințial, care rămâne în circulație în cantități constante. Reziduul după spălare cu apă se duce la calcinare; filtratul este, de asemenea, readus în circulație (după concentrare în evaporatoare, pentru a scurge noua bauxită);

Deshidratarea hidroxidului de aluminiu (calcinare); aceasta este operația finală de producție de alumină; se desfășoară în cuptoare rotative tubulare și recent, de asemenea, în cuptoare cu mișcare turbulentă a materialului la o temperatură de 1150-1300 ° C; hidroxidul de aluminiu brut, care trece printr-un cuptor rotativ, este uscat și deshidratat; atunci când este încălzit, următoarele transformări structurale au loc secvențial:

În cele din urmă alumină calcinată conține 30-50% α-Al2O3 (corindon), restul este γ-Al2O3.

Această metodă extrage 85-87% din alumina totală obținută. Alumina rezultată este un compus chimic puternic cu un punct de topire de 2050 aproximativ C.

1.2 Obținerea aluminiului din oxidul său

Reducerea electrolitică a aluminei dizolvate într-o topitură pe bază de criolit este efectuată la 950-970 ° C într-un electrolizor. Celula este formată dintr-o baie căptușită cu blocuri de carbon, pe fundul căreia este furnizat un curent electric. Aluminiul lichid degajat pe fundul care servește ca catod este mai greu decât sarea topită a electrolitului, prin urmare, este colectat pe o bază de cărbune, de unde este pompat periodic (Fig. 2). De sus, anodii de carbon sunt cufundați în electrolit, care ard în atmosfera oxigenului eliberat din oxidul de aluminiu, eliberând monoxid de carbon (CO) sau dioxid de carbon (CO 2). În practică, sunt utilizate două tipuri de anodi:

a) anoduri Zederberg care se coc în sine, constând din brichete, așa-numitele „pâini” din masa Zederberg (cărbune cu scrum scăzut cu 25-35% din gudron de cărbune) umplute într-o coajă de aluminiu; sub influența temperaturii ridicate, masa anodului este arsă (sinterizată);

b) anoduri, sau „continue”, anelate din blocuri mari de cărbune (de exemplu, 1900 × 600 × 500 mm cu o greutate de aproximativ 1,1 tone).

Rezistența curentă a electrolizatoarelor este de 150.000 A. Sunt conectate la rețea în serie, adică se obține un sistem (serie) - o serie lungă de electrolizere.

Tensiunea de funcționare pe baie, care este de 4-5 V, este semnificativ mai mare decât tensiunea la care se produce descompunerea oxidului de aluminiu, deoarece pierderile de tensiune în diferite părți ale sistemului sunt inevitabile în timpul funcționării. Bilanțul materiilor prime și al energiei în producția de 1 tonă de aluminiu este prezentat în Fig. 3.

Electroliza clorurii de aluminiu (metoda Alcoa)

În vasul de reacție, alumina este transformată mai întâi în clorură de aluminiu. Apoi, într-o baie dens izolată, are loc electroliza AlCl 3 dizolvat în sarea topită a KCl, NaCl. Clorul eliberat în timpul acestui proces este aspirat și furnizat pentru utilizare secundară; aluminiul este depus la catod.

Avantajele acestei metode față de electroliza existentă a unei topituri lichide de criolită-alumină (Al2O3 dizolvat în criolit N3 AlF 6) sunt: \u200b\u200beconomisirea a până la 30% din energie; posibilitatea folosirii oxidului de aluminiu, care nu este potrivit pentru electroliza tradițională (de exemplu, Al2O3 cu un conținut ridicat de siliciu); înlocuirea criolitului scump cu săruri mai ieftine; dispariția pericolului de degajare de fluor.

Reducerea clorurii de aluminiu cu mangan (Toth - metodă)

Când manganul este redus din clorura de aluminiu, se eliberează aluminiu. Prin condensare controlată, contaminanții legați de clor sunt eliberați din fluxul de clorură de mangan. Când este eliberat clorul, clorura de mangan este oxidată la oxidul de mangan, care este apoi redus la mangan reciclabil. Informațiile din publicațiile existente sunt foarte inexacte, deci în acest caz trebuie să abandonați evaluarea metodei.

O legendă foarte îndoielnică ne spune că, odată, un om cu un bol metalic, de nerefuzat, a venit la împăratul roman Tiberius (42 î.Hr. - 37 d.Hr.). Materialul castronului a fost obținut din alumină (Al2O3) și, prin urmare, a trebuit să fie aluminiu. Temându-se că un astfel de metal argilos ar putea amortiza aurul și argintul, Tiberiu a ordonat bărbatului să fie tăiat doar în caz. Desigur, această poveste este greu de crezut: aluminiul autohton nu apare în natură, iar în timpul Imperiului Roman nu ar putea exista mijloace tehnice care să permită extragerea aluminiului din compușii săi.

În ceea ce privește prevalența în natură, aluminiul se situează pe primul loc printre metale; conținutul său în scoarța terestră este de 7,45%. Cu toate acestea, în ciuda apariției sale răspândite în natură, aluminiul a fost unul dintre metalele rare până la sfârșitul secolului XIX. În forma sa pură, aluminiu nu apare din cauza activității sale chimice ridicate. Se găsește în principal sub formă de compuși cu oxigen și siliciu - aluminosilicați.

Minereurile din aluminiu pot servi numai roci bogate în alumină (Al 2 O 3) și care apar în mase mari de pe suprafața pământului. Astfel de roci includ bauxită, nefinină - (Na, K) 2 O ּ Al 2 O 3 ּ 2 SiO 2, alunite - (Na, K) 2 SO 4 ּ Al 2 (SO 4) 3 ּ 4 Al (OH) 3 și kaoline (argilă), câmp spar (ortoclază) - K2O ּ Al2O3 ּ 6 SiO2.

Minereul principal pentru producerea aluminiului este bauxita. Aluminiul din ele este conținut sub formă de hidroxizi Al (OH), AlOOH, corindon Al2O3 și kaolinite Al 2 O 3 ּ 2 SiO 2 ּ 2 H 2 O. Compoziția chimică a bauxitei este compusă din: 28-70% alumină; 0,5-20% silice; 2-50% oxid de fier; Oxid de titan 0,1-10%. Recent, nefolia și alunitul au fost utilizate ca minereu.

Depozitele mari de bauxită sunt situate în Urali, în regiunea Tikhvin din regiunea Leningrad, în teritoriile Altai și Krasnoyarsk.

Nepheline (K ּ Na 2 O ּ Al 2 O 3 ּ 2 SiO 2) face parte din rocile apatitonefeline (din Peninsula Kola).

Pentru prima dată în formă liberă, aluminiul a fost izolat în 1825 de către fizicianul danez Oersted prin acțiunea amalgamului de potasiu asupra clorurii de aluminiu. În 1827 Chimistul german Weller a îmbunătățit metoda lui Oersted prin înlocuirea amalgamului de potasiu cu potasiu metalic:

AlCl 3 + 3K → 3KCl + Al (Reacția continuă cu eliberarea de căldură).

În 1854, Sf. Clair Deville din Franța a aplicat pentru prima dată metoda Weler pentru producția industrială de aluminiu, folosind sodiu mai ieftin în loc de potasiu și în loc de clorură de aluminiu higroscopică, o clorură de aluminiu dublă și mai stabilă. În 1865, fizicianul-chimist rus NN Beketov a arătat posibilitatea deplasării aluminiului cu magneziu din criolitul topit. Această reacție a fost folosită în 1888 pentru a produce aluminiu la prima fabrică germană din Gmelingen. Producția de aluminiu prin aceste așa-numite metode „chimice” s-a desfășurat în perioada 1854 - 1890. Timp de 35 de ani folosind aceste metode, s-au obținut un total de aproximativ 20 de tone de aluminiu.

La sfârșitul anilor '80 ai secolului precedent, metodele chimice au înlocuit metoda electrolitică, ceea ce a făcut posibilă reducerea bruscă a costului aluminiului și a creat condițiile preliminare pentru dezvoltarea rapidă a industriei aluminiului. Fondatorii metodei electrolitice moderne pentru producția de aluminiu, Eru în Franța și Hall în SUA au depus în 1886, în mod independent, aceleași cereri de brevetare a unei metode de producere a aluminiului prin electroliza aluminei dizolvate în criolit topit. De la apariția brevetelor Eru și Hall, industria de aluminiu modernă a început, care în peste 115 ani de existență a devenit una dintre cele mai mari industrii din metalurgie.

Procesul de producere a aluminiului constă în trei etape principale:

1). Obținerea aluminei (Al2O3) din minereuri de aluminiu;

2). Obținerea aluminiului din alumină;

3). Rafinarea aluminiu.

Obținerea aluminei din minereuri.

Alumina este produsă în trei moduri: alcalină, acidă și electrolitică. Metoda alcalină este cea mai utilizată (metoda lui K. I. Bayer, dezvoltată în Rusia la sfârșitul secolului anterior și folosită pentru prelucrarea bauxitei de înaltă calitate cu o cantitate mică (până la 5-6%) de silice). De atunci, implementarea sa tehnică a fost îmbunătățită semnificativ. Schema de producție de alumină conform metodei Bayer este prezentată în Fig. 1.

Esența metodei este că soluțiile de aluminiu se descompun rapid atunci când este introdus hidroxid de aluminiu, iar soluția rămasă după descompunere după evaporare sub agitare viguroasă la 169-170 ° C poate re-dizolva alumina conținută de bauxită. Această metodă constă în următoarele operații de bază:

1). Prepararea bauxitei, constând în zdrobirea și măcinarea acesteia în mori; bauxite, alcaline caustice și o cantitate mică de var sunt alimentate morilor, ceea ce îmbunătățește eliberarea de Al 2 O 3; pulpa rezultată este hrănită la levigare;

2). Lăsarea bauxitei (blocurile rotunde de autoclave folosite recent au fost parțial înlocuite cu autoclave tubulare în care lipitarea are loc la temperaturi de 230-250 ° C (500-520 K)), care constă în descompunerea chimică a acestuia din interacțiunea cu o soluție apoasă alcalină; hidrații de oxid de aluminiu în contact cu alcalii trec în soluție sub formă de aluminat de sodiu:

AlOOH + NaOH → NaAlO 2 + H2O

Al (OH) 3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2 O;

Si02 + 2NaOH → Na2 Si03 + H20;

într-o soluție, aluminatul de sodiu și silicatul de sodiu formează aluminosilicat de sodiu insolubil; oxizii de titan și fier trec în reziduul insolubil, făcând ca reziduul să fie roșu; acest reziduu se numește noroi roșu. După finalizarea dizolvării, aluminatul de sodiu rezultat este diluat cu o soluție apoasă alcalină în timp ce scade temperatura cu 100 ° C;

3). Separarea soluției de aluminat de noroiul roșu se realizează de obicei prin spălarea în agenți de îngroșare speciali; ca urmare, noroiul roșu se instalează și soluția de aluminat este drenată și apoi filtrată (clarificată). În cantități limitate, nămolul este folosit, de exemplu, ca aditiv la ciment. În funcție de gradul de bauxită, 1–1 tone de oxid de aluminiu obținut reprezintă 0,6–1,0 tone de noroi roșu (reziduuri uscate);

4). Descompunerea soluției de aluminat. Se filtrează și se pompează în recipiente mari cu mixere (descompunătoare). După răcire la 60 ° C (330 K) și agitare constantă, hidroxidul de aluminiu Al (OH) 3 este extras din soluția suprasaturată. Deoarece acest proces se desfășoară lent și inegal, iar formarea și creșterea cristalelor de hidroxid de aluminiu sunt de o importanță deosebită în timpul prelucrării ulterioare, se adaugă la descompunere o cantitate mare de hidroxid solid:

Na2O ּ Al2O3 + 4H2 O → Al (OH) 3 + 2NaOH;

5). Alocarea hidroxidului de aluminiu și clasificarea acestuia; acest lucru se produce în hidrocicloni și filtre de vid, unde un precipitat care conține 50-60% de particule de Al (OH) este izolat de o soluție de aluminat. O parte semnificativă a hidroxidului este returnată procesului de descompunere sub formă de material semințial, care rămâne în circulație în cantități constante. Reziduul după spălare cu apă se duce la calcinare; filtratul este, de asemenea, readus în circulație (după concentrare în evaporatoare, pentru a scurge noua bauxită);

6). Deshidratarea hidroxidului de aluminiu (calcinare); aceasta este operația finală de producție de alumină; se desfășoară în cuptoare rotative tubulare și recent, de asemenea, în cuptoare cu mișcare turbulentă a materialului la o temperatură de 1150-1300 ° C; hidroxidul de aluminiu brut, care trece printr-un cuptor rotativ, este uscat și deshidratat; atunci când este încălzit, următoarele transformări structurale au loc secvențial:

În cele din urmă alumină calcinată conține 30-50% α-Al2O3 (corindon), restul este γ-Al2O3.

Această metodă extrage 85-87% din alumina totală obținută. Alumina rezultată este un compus chimic puternic cu un punct de topire de 2050 aproximativ C.

Obținerea aluminiului din oxidul său

  Electroliza Aluminei

Reducerea electrolitică a aluminei dizolvate într-o topitură pe bază de criolit este efectuată la 950-970 ° C într-un electrolizor. Celula este formată dintr-o baie căptușită cu blocuri de carbon, pe fundul căreia este furnizat un curent electric. Aluminiul lichid precipitat pe partea de jos servind ca catodul este mai greu decât topitul de sare electrolit, prin urmare este colectat pe o bază de cărbune, de unde este pompat periodic (Fig. 2). De sus, anodii de carbon sunt cufundați în electrolit, care ard în atmosfera oxigenului eliberat din oxidul de aluminiu, eliberând monoxid de carbon (CO) sau dioxid de carbon (CO 2). În practică, sunt utilizate două tipuri de anodi:

a) anoduri Zederberg care se coc în sine, constând din brichete, așa-numitele „pâini” din masa Zederberg (cărbune cu scrum scăzut cu 25-35% din gudron de cărbune) umplute într-o coajă de aluminiu; sub influența temperaturii ridicate, masa anodului este arsă (sinterizată);

b) anoduri, sau „continue”, anelate din blocuri mari de cărbune (de exemplu, 1900 × 600 × 500 mm cu o greutate de aproximativ 1,1 tone).

Rezistența curentă a electrolizatoarelor este de 150.000 A. Sunt conectate la rețea în serie, adică se obține un sistem (serie) - o serie lungă de electrolizere.

Tensiunea de funcționare pe baie, care este de 4-5 V, este semnificativ mai mare decât tensiunea la care se produce descompunerea oxidului de aluminiu, deoarece pierderile de tensiune în diferite părți ale sistemului sunt inevitabile în timpul funcționării. Bilanțul materiilor prime și al energiei în producția de 1 tonă de aluminiu este prezentat în Fig. 3.

Electroliza clorurii de aluminiu (metoda Alcoa)

În vasul de reacție, alumina este transformată mai întâi în clorură de aluminiu. Apoi, într-o baie dens izolată, are loc electroliza AlCl 3 dizolvat în sarea topită a KCl, NaCl. Clorul eliberat în timpul acestui proces este aspirat și furnizat pentru utilizare secundară; aluminiul este depus la catod.

Avantajele acestei metode față de electroliza existentă a topiturii criolit-alumină lichidă (Al2O3, dizolvată în criolit N3 AlF 6) sunt: \u200b\u200beconomisirea a până la 30% din energie; posibilitatea folosirii oxidului de aluminiu, care nu este potrivit pentru electroliza tradițională (de exemplu, Al2O3 cu un conținut ridicat de siliciu); înlocuirea criolitului scump cu săruri mai ieftine; dispariția pericolului de degajare de fluor.

Reducerea clorurii de aluminiu cu mangan (Toth - metodă)

Când manganul este redus din clorura de aluminiu, se eliberează aluminiu. Prin condensare controlată, contaminanții legați de clor sunt eliberați din fluxul de clorură de mangan. Când este eliberat clorul, clorura de mangan este oxidată la oxidul de mangan, care este apoi redus la mangan reciclabil. Informațiile din publicațiile existente sunt foarte inexacte, deci în acest caz trebuie să abandonați evaluarea metodei.

Obținerea de aluminiu rafinat

Pentru aluminiu, rafinarea electrolizei cu descompunerea soluțiilor apoase de sare nu este posibilă. Întrucât, în anumite scopuri, gradul de purificare a aluminiului industrial (Al 99,5 - Al 99,8) obținut prin electroliza unei topituri criolită-alumină este insuficient, chiar mai mult aluminiu pur (Al 99, 99 R) este obținut din aluminiu industrial sau reziduuri metalice prin rafinare. Cea mai cunoscută metodă de rafinare este electroliza în trei straturi.

Rafinarea electrolizei în trei straturi

Îmbrăcată cu o foaie de oțel, care funcționează la curent continuu (prezentată în Fig. 4 - vezi mai sus), baia de rafinare constă dintr-o vatră de cărbune cu conducte de curent și o căptușeală de magnezit izolantă termic. Spre deosebire de electroliza topiturii criolit-alumină, metalul rafinat topit (stratul de anod inferior) este de obicei anodul aici. Electrolitul este compus din fluoruri pure sau dintr-un amestec de clorură de bariu și aluminiu și fluoruri de sodiu (strat mediu). Aluminiul care se dizolvă din stratul de anod din electrolit este eliberat deasupra electrolitului (stratul superior al catodului). Metalul pur servește ca un catod. Curentul este furnizat stratului de catod de un electrod de grafit.

Baia funcționează la 750-800 ° C, consumul de energie este de 20 kW ּ h la 1 kg de aluminiu pur, adică puțin mai mare decât în \u200b\u200bcazul electrolizei convenționale din aluminiu.

Metalul anodului conține 25-35% Cu; 7-12% Zn; 6-9% Si; până la 5% Fe și o cantitate mică de mangan, nichel, plumb și staniu, restul (40-55%) este aluminiu. Toate metalele grele și siliconul în timpul rafinării rămân în stratul de anod. Prezența magneziului în electrolit duce la modificări nedorite ale compoziției electrolitului sau la zgură puternică a acestuia. Pentru a elimina magneziu, zgură care conține magneziu este tratată cu fluxuri sau clor gazos.

Ca rezultat al rafinării, se obțin aluminiu pur (99,99%) și produse de segregare (produs zager), care conțin metale grele și siliciu și sunt eliberate sub forma unei soluții alcaline și a unui reziduu cristalin. Soluția alcalină este deșeuri, iar reziduul solid este folosit pentru deoxidare.

Aluminiul rafinat are de obicei următoarea compoziție,%: Fe 0,0005-0,002; Si 0,002-0,005; Cu 0.0005-0.002; Zn 0.0005-0.002; Urme de Mg; În restul.

Aluminiul rafinat este prelucrat în semifabricat în compoziția specificată sau aliat cu magneziu (vezi tabelul 1.2.).

TABEL 1.2.  Compoziția chimică a aluminiului de înaltă puritate și a aluminiului primar conform DIN 1712  , foaia 1.

Rafinarea prin compuși complexe organoaluminice și topirea zonelor

Aluminiul cu o puritate mai mare decât gradul A1 99,99 R poate fi obținut prin rafinarea electrolizei de aluminiu pur sau tehnic pur, folosind compuși organoaluminici de aluminiu complexi ca electrolit. Electroliza are loc la o temperatură de aproximativ 1000 ° C între electrozii solizi de aluminiu și, în principiu, este similară cu electroliza de rafinare a cuprului. Natura electrolitului dictează necesitatea de a lucra fără aer și la o densitate scăzută a curentului.

Acest tip de electroliză de rafinare, folosit inițial doar la scară de laborator, se realizează deja la o scară de producție mică - mai multe tone de metal sunt produse pe an. Gradul nominal de purificare a metalului rezultat este de 99,999-99,9999%. Aplicațiile potențiale pentru un metal de această puritate sunt inginerie electrică criogenică și electronică.

Este posibil să se utilizeze metoda considerată de rafinare în galvanizare.

Puritate chiar mai mare - nominal până la A1 99.99999 - poate fi obținută prin topirea ulterioară a zonei metalului. Atunci când prelucrați aluminiu de înaltă puritate într-un produs semifabricat, tablă sau sârmă, trebuie luate precauții speciale, ținând cont de temperatura scăzută a recristalizării metalului. O proprietate remarcabilă a metalului rafinat este conductivitatea electrică ridicată a acestuia în regiunea temperaturilor criogenice.

Obținerea aluminiului secundar

Prelucrarea materiilor prime secundare și deșeurile de producție sunt viabile din punct de vedere economic. Aliajele secundare rezultate satisfac aproximativ 25% din cererea totală de aluminiu.

Cea mai importantă zonă de aplicare a aliajelor secundare este producția de piese turnate în formă de aluminiu. În DIN 1725, foaia 2, împreună cu clasele de aliaj standard, se dau numeroase grade de aliaj produse de turnătorii. Lista aliajelor produse de aceste instalații conține, pe lângă cele standard, și unele aliaje nestandardizate.

Pregătirea perfectă a resturilor de aluminiu într-o mare varietate de proporții poate fi efectuată numai în topitori special echipate. Ideea unui flux de lucru complex la o astfel de plantă este dată în Fig. 5.

Deșeurile sunt remodelate după pre-sortare. Fierul, nichelul sau cuprul conținut în aceste deșeuri, al căror punct de topire este mai mare decât punctul de topire al aluminiului, rămâne în timpul topirii într-un cuptor cu prag de topire, iar aluminiu este topit. Pentru a elimina incluziunile nemetalice din deșeuri precum oxizi, nitride, carburi sau gaze, metalul topit este tratat cu săruri sau este mai rațional gazul este suflat cu clor sau azot.

Sunt cunoscute diverse metode pentru îndepărtarea impurităților metalice din topitură, de exemplu, adăugarea de magneziu și evacuarea - metoda Becksche; aditivii de zinc sau mercur urmate de evacuare - o metodă subhalogenă. Eliminarea magneziului este limitată la introducerea clorului în metalul topit. Prin introducerea de aditivi determinați precis de compoziția topiturii, se obține un aliaj prestabilit prestabilit.

Producția de aluminiu de calitate industrială

Metoda electrolitică este singura folosită la nivel mondial pentru producerea de aluminiu metalic de puritate tehnică. Toate celelalte metode (zinc-termic, carbidotermal, subclorură, nitrură etc.), cu care aluminiul poate fi extras din minereuri de aluminiu, au fost dezvoltate la scară de laborator și pilot, dar încă nu au găsit o aplicare practică.

Pentru a obține aliaje de aluminiu-siliciu, se folosește cu succes metoda electrotermică, dezvoltată și pusă în aplicare la prima scară industrială în URSS. Se compune din două etape: în prima etapă, un aliaj primar de aluminiu-siliciu cu un conținut de 60-63% Al este obținut prin reducerea directă a minereurilor de aluminiu-siliciu în cuptoarele electrice minere-termice; în a doua etapă, aliajul primar este diluat cu aluminiu tehnic, obținând silumină și alte aliaje de aluminiu-siliciu turnat și forjat. Sunt în curs studii pentru extragerea aluminiului de calitate tehnică din aliajul primar.

În general, producția de aluminiu prin metoda electrolitică include producerea de alumină (oxid de aluminiu) din minereuri de aluminiu, producerea sărurilor fluorice (criolit, fluorură de aluminiu și fluorură de sodiu), producerea masei anodice de carbon, a anodului de carbon calcinat și a blocurilor catodice și a altor materiale de captuseală, precum și producția electrolitică reală de aluminiu, care este etapa finală a metalurgiei moderne a aluminiului.

Caracteristic pentru producția de alumină, săruri de fluor și produse de carbon este cerința pentru gradul maxim de puritate a acestor materiale, deoarece criolita-alumina se topește supusă electrolizei nu ar trebui să conțină impuritățile elementelor mai electropozitive decât aluminiul, care, dacă sunt emise la catod în primul rând, ar polua metal.

În clasele de alumină G-00, G-0 și G-1, care sunt utilizate în principal în electroliză, conținutul de Si02 este 0,02-0,05%, aFe2O3 - 0,03-0,05%. În medie, criolitul conține 0,36-0,38% Si02 și 0,05-0,06% Fe2O3 și fluorură de aluminiu 0,30-0,35% (Si02 + Fe2O3). Masa anodică conține cel mult 0,25% Si02 și 0,20% Fe2O3.

Cel mai important minereu de aluminiu din care se extrage alumina, bauxită. În bauxită, aluminiu este prezent sub formă de hidroxid de aluminiu. În Uniunea Sovietică, pe lângă bauxită, roca nefalină - aluminosilicat de sodiu și potasiu, precum și roca alunită, în care aluminiul este sub formă de sulfat, este utilizată pentru producerea aluminei. Materiile prime pentru fabricarea masei anodice și a blocurilor anodice calcinate sunt materiale pure din carbon - cocs de petrol sau pas și gudron de cărbune ca liant și fluorură de calciu (fluorpar) pentru producerea de criolite și alte săruri de fluorură.

În timpul producției electrolitice a aluminiului, alumina Al 2 O 3 dizolvată în Na 3 AlF criolit topit este descompusă electrochimic cu descărcarea cationilor de aluminiu la catod (aluminiu lichid) și ioni care conțin oxigen (ioni de oxigen) la anodul de carbon.

Conform conceptelor moderne, criolitul în stare topită se disociază în ioni și: și alumină în ioni complexi și: care sunt în echilibru cu ioni simpli: , .

Procesul principal care are loc la catod este reducerea ionilor de aluminiu trivalenți: Al 3+ + 3 e  → Al (I).

Alături de procesul principal, este posibilă o descărcare completă de ioni de aluminiu trivalenți cu formarea de ioni monovalenți: Al 3+ + 2 e → Al + (II) și, în sfârșit, descărcarea ionilor monovalenți cu eliberarea metalului: Al + + e  → Al (III).

În anumite condiții (concentrație relativ ridicată de ioni Na +, temperatură ridicată etc.), cu eliberarea de metal se poate produce o descărcare de ioni de sodiu: Na + + e  → Na (IV). Reacțiile (II) și (IV) determină o scădere a producției curente de aluminiu.

Ionii de oxigen sunt deversați la anodul de carbon: 2O 2-4 e  → O 2. Cu toate acestea, oxigenul nu este eliberat în forma sa liberă, deoarece oxidează carbonul anodului pentru a forma un amestec de CO 2 și CO.

Reacția totală care are loc în electrolizor poate fi reprezentată de ecuația Al2O3 + x  C ↔ 2Al + (2 x  –3) CO + (3– x) CO 2.

Compoziția electrolitului celulelor electrolitice din aluminiu industrial, pe lângă principalele componente - criolit, fluorură de aluminiu și alumină, include cantități mici (până la 8-9% în total) din alte săruri - CaF 2, MgF 2, NaCl și LiF (aditivi), care îmbunătățesc unele proprietăți fizico-chimice ale electrolitului și astfel crește eficiența celulelor electrolitice. Conținutul maxim de alumină în electrolit este de obicei de 6-8%, scăzând în timpul electrolizei. Pe măsură ce electrolitul este epuizat de alumină, o altă porție de alumină este introdusă în el. Pentru funcționarea normală a electrolizilor din aluminiu, raportul NaF: AlF 3 în electrolit este menținut în intervalul 2,7-2,8, adăugând porțiuni de criolit și fluorură de aluminiu.

În producția de aluminiu, se folosesc electrolizi cu anoduri de carbon cu ardere automată și alimentare cu curent lateral sau superior, precum și electrolizatori cu anodi de carbon pre-foc. Cel mai promițător design al electrolizilor cu anoduri coapte, care permite creșterea puterii unității a unității, reducerea consumului specific de curent electric curent pentru electroliză, obținerea unui metal mai curat, îmbunătățirea condițiilor de muncă sanitare și igienice și reducerea emisiilor de substanțe nocive în atmosferă.

Principalii parametri tehnici și indicatori de performanță ai electrolizilor din aluminiu de diferite tipuri sunt prezentați în tabel. 1.3.

TABEL 1.3

PARAMETRI TEHNICI DE BAZĂ ȘI INDICATORI DE MUNCĂ A ELECTROLIZORILOR DE ALUMINIUM

Aluminiul primar extras din celulele electrolitice (aluminiu brut) conține o serie de impurități care pot fi împărțite în trei grupe: nemetalice (săruri de fluor, α-   și y-alumină, carbură de aluminiu și nitrură, particule de cărbune înrădăcinate mecanic în timpul turnării metalului din electrolizor); metal (fier, siliciu) care trece din materii prime, materiale de cărbune și elemente structurale ale electrolizatorului; gazos - în principal hidrogen, care se formează în metal ca urmare a descompunerii electrolitice a apei care intră în electrolit cu materii prime.

Dintre impuritățile metalice, pe lângă fier și siliciu, se conține cea mai mare cantitate de galiu, zinc, titan, mangan, sodiu, vanadiu, crom și cupru. Conținutul acestora și al altor oligoelemente metalice din aluminiu electrolitic este prezentat mai jos,%:

Principala sursă de impurități metalice din aluminiu este alumina, care, în funcție de tipul materiei prime, poate conține galiu, zinc, potasiu, fosfor, sulf, vanadiu, titan și crom. Materialele carbonice (masa anodică, anodii calcinate, produsele catodice) servesc ca o sursă de astfel de microimpurități precum, de exemplu, vanadiu, titan, mangan, zinc.

Prin electroliza topiturilor criolit-alumină, cu condiția utilizării materiilor prime pure (în principal alumină și materiale carbonice), este posibil să se obțină aluminiu brut de clasele A85 și A8 (99,85 și 99,80%). Cea mai mare pondere a metalelor de aceste grade (60-70% din producția totală) este obținută la electrolizerii cu anoduri coapte, precum și la electrolizerii cu alimentare cu curent lateral (până la 70% din producția totală). La electrolizii cu anoduri de coacere și plumb de curent, producția de aluminiu brut A8 este scăzută (1-3%), iar metalul A85 nu poate fi obținut din cauza impurităților semnificative de fier care intră în aluminiu din surse ne brute (pini de anodă, secțiuni de fontă ale colectoarelor de gaze , instrument tehnologic, ansamblu catodic).

Aluminiul primar topit, extras din electrolizatoare folosind o scândură de vid, intră în compartimentul turnării pentru rafinarea impurităților nemetalice și a gazelor și prelucrarea ulterioară a produselor comerciale (lingouri, lingouri cilindrice și plate, tijă de sârmă etc.). Înainte de turnare, aluminiul brut este păstrat în stare topită în cuptoarele de rezistență electrică (mixere) sau în cuptoare reflectoare la gaz. În aceste cuptoare, se realizează nu numai un proces rațional de loturi de aluminiu lichid din diferite compoziții, dar și parțial curățate de incluziuni nemetalice, folii de oxid și sodiu.

Aluminiul este turnat din mixer în lingouri folosind mașini de turnat tip transportor; lingourile cilindrice și plate sunt realizate prin metoda turnării semi-continue, iar pentru obținerea tijei de sârmă se folosesc unități speciale de turnare și rulare.

În topitoarele de aluminiu domestice, la turnarea lingourilor, aluminiul provenit de la mixer în matrița mașinii de turnat este supus celei mai simple forme de rafinare - filtrarea topiturii printr-o fibră de sticlă cu dimensiuni de ochiuri de la 0,6 × 0,6 la 1,7 × 1,7 mm. Această metodă vă permite să curățați aluminiu doar de incluziuni foarte grosiere de oxid; o metodă mai perfectă de filtrare a topiturii prin fibra de sticlă din amonte. Cu această metodă de filtrare, particulele de incluziuni de oxid, care se ciocnesc cu rețeaua, nu sunt captate de fluxul topit, ci sunt depuse în partea inferioară a jgheabului de turnare.

Pentru purificarea simultană a aluminiului, atât din impurități nemetalice, cât și din hidrogen, se folosește cu succes metoda de filtrare printr-un filtru de flux în combinație cu purjarea azotului. Ca flux, puteți utiliza electrolitul acid al celulelor de electroliză din aluminiu. Ca urmare a unei astfel de curățări, conținutul de hidrogen din aluminiu este redus de la 0,22 la 0,16 cm 3 la 100 g de metal.

În aluminiul primar utilizat pentru producerea aliajelor de Al-Mg, conținutul de sodiu nu trebuie să depășească 0,001%. Acest lucru se datorează faptului că prezența sodiului în aceste aliaje afectează proprietățile mecanice și alte operaționale ale produselor utilizate într-o serie de sectoare ale economiei naționale.

Cea mai eficientă metodă pentru rafinarea simultană a aluminiului din impurități sodice, hidrogen și nemetalice este purjarea metalului topit cu un amestec de gaz de azot cu 2-10% clor, introdus în topitură sub formă de bule mici, folosind dispozitive speciale. Această metodă de rafinare permite reducerea conținutului de sodiu în aluminiu la 0,0003-0,001% cu un flux de amestec de gaz de la 0,8 la 1,5 m 3 / t de metal.

Consumul de energie electrică pentru producerea a 1 tonă de aluminiu vândut din metal brut atunci când se utilizează cuptoare electrice este de 150-200 kWh; pierderile iremediabile de metale la turnătorie sunt egale cu 1,5-5% în funcție de tipul de produse comercializabile.

Obținând aluminiu de înaltă puritate

Pentru a obține aluminiu de înaltă puritate (clasele A995-A95), aluminiu primar de puritate tehnică este rafinat electrolitic. Aceasta permite reducerea conținutului de impurități metalice și gazoase din aluminiu și, prin urmare, crește semnificativ conductibilitatea electrică, ductilitatea, reflectivitatea și rezistența la coroziune.

Rafinarea electrolitică a aluminiului se realizează prin electroliza sărurilor topite printr-o metodă în trei straturi. Esența metodei este următoarea. În celula de rafinare există trei straturi topite. Partea inferioară, cea mai grea, se află pe vatra conductoare și servește ca anod; Se numește aliaj anodic și este un aliaj de aluminiu rafinat cu cupru, care este introdus pentru a face stratul mai greu. Stratul din mijloc este electrolit topit; densitatea sa este mai mică decât densitatea aliajului anodic și mai mare decât densitatea aluminiului rafinat (catod) situat deasupra electrolitului (superior, al treilea strat lichid).

În timpul dizolvării anodice, toate impuritățile sunt mai electropozitive decât aluminiul (Fe, Si, Ti, Cu etc.) și rămân în aliajul anodic fără a trece în electrolit. Numai aluminiul se va dizolva anodic, care sub formă de ioni Al 3+ trece în electrolit: Al– 3 e  → Al 3+.

În timpul electrolizei, ionii de aluminiu sunt transferați pe catod, pe care sunt descărcați: Al 3+ + 3 e  → Al. Ca urmare, la catod se acumulează un strat de aluminiu rafinat topit.

Dacă în aliajul anodic sunt prezente impurități mai electronegative decât aluminiul (de exemplu, Ba, Na, Mg, Ca), ele se pot dizolva electrochimic împreună cu aluminiu pe anod și pot trece în electrolit sub formă de ioni. Deoarece conținutul de impurități electronegative din aluminiu brut este mic, acestea nu se acumulează într-o cantitate vizibilă în electrolit. Descărcarea acestor ioni la catod practic nu are loc, deoarece potențialul lor de electrod este electronegativ decât aluminiul.

Ca electrolit în rafinarea electrolitică a aluminiului în Uniunea Sovietică și în majoritatea țărilor, se folosește un electrolit fluor-clorură, a cărui compoziție este de 55-60% BaCl 2, 35-40% AlF 4 + NaF și 0-4% NaCl. Raportul molar NaF: AlF 3 suport 1,5-2,0; punctul de topire al electrolitului 720-730 ° C; temperatura procesului de electroliză este de aproximativ 800 ° C; densitatea electrolitului este de 2,7 g / cm3.

Aliajul anodic este preparat din aluminiu primar și cupru pur (99,90-99,95% Cu), care este introdus în metal într-o cantitate de 30-40%. Densitatea aliajului anodic lichid al acestei compoziții este de 3-3,5 g / cm3; densitatea aluminiului catodic topit pur este de 2,3 g / cm3. Cu acest raport de densități, se creează condițiile necesare pentru o bună separare a celor trei straturi topite.

În sistemul cuaternar Al-Cu-Fe-Si, căruia îi aparține aliajul anodic, se formează un eutectic cu un punct de topire de 520 ° C. Răcirea aliajului cu anoduri care conține impurități de fier și siliciu în cantități mai mari decât concentrațiile eutectice, este posibil să separe fierul și siliconul în faza solidă sub formă de compuși intermetalici FeSiAl 5 și Cu 2 FeAl 7. Deoarece temperatura aliajului anodic din buzunarele electrolizorului este cu 30–40 ° C mai mică decât temperatura aliajului anodic în spațiul de lucru al băii, vor fi eliberate precipitații intermetalice solide în ele (pe măsură ce fierul și siliconul se acumulează în aliajul anodic). Îndepărtând periodic aceste depozite, ele curăță aliajul de anod (fără actualizarea acestuia) de impuritățile fierului și siliciuului. Deoarece galiul este concentrat în aliajul anodic, precipitatele extrase din electrolizor (30-40 kg pe 1 tonă de aluminiu) pot servi ca sursă a acestui metal.

Pentru rafinarea electrolitică, se folosesc electrolizeri, care în proiectare seamănă cu electrolizii cu anoduri coapte pentru producerea electrolitică a aluminiului primar, dar au o legătură cu polul diferit: vatra servește ca anod, iar rândul superior de electrozi ca catod. Electrolizerii moderni pentru rafinarea electrolitică a aluminiului sunt proiectate pentru curenți de până la 75 kA.

Iată mai jos principalii indicatori tehnici și economici ai electrolizilor pentru anul 1979 obținuți de întreprinderile interne (1, 2, 3).

Eficiența curentului electrochimic calculat de metalul turnat din electrolizor este de 97-98%. Eficiența actuală curentă, calculată în funcție de cantitatea de metal vândut, este de 92-96%.

Principalul factor care reduce eficiența curentă, pe lângă pierderile de curent direct la descărcarea mai multor ioni electronegativi, pierderi de metale datorate oxidării și pierderilor mecanice ale aluminiului, este funcționarea electroliștilor cu eliberarea de metal ne-sortat, care revine din nou la aliajul anodului pentru rafinarea ulterioară. Aceste perioade de funcționare a celulelor au loc în timpul pornirii celulelor și a încălcărilor regimului tehnologic.

Rafinarea electrolitică a aluminiului este o producție foarte consumatoare de energie. Consumul de energie electrică în curent alternativ, inclusiv energia cheltuită la prepararea electrolitului și a anodului, funcționarea dispozitivelor și a vehiculelor de ventilație, precum și pierderea curentului alternativ în curent continuu este de 18,5-21,0 mii kWh la 1 tonă de aluminiu. Eficiența energetică a rafinării electrolizilor nu depășește 5-7%, adică 93-95% din energie este consumată sub forma pierderilor de căldură generate în principal în stratul de electroliți (aproximativ 80-85% din aportul total de căldură). Prin urmare, principalele modalități de a reduce în continuare consumul de energie specific pentru rafinarea electrolitică a aluminiului sunt îmbunătățirea izolației termice a electrolizantului (în special partea superioară a structurii) și reducerea stratului de electrolit (reducerea distanței interelectrode).

Puritatea aluminiului, rafinată conform metodei în trei straturi, 99,995%; este determinat de diferența cu cinci impurități principale - fier, siliciu, cupru, zinc și titan. Cantitatea de metal produsă de această marcă poate fi de 45-48% din producția totală (fără extinderea sa cu note inferioare).

Cu toate acestea, trebuie menționat că în aluminiu rafinat electrolitic, impuritățile altor metale sunt conținute în cantități mai mici, ceea ce reduce puritatea absolută a unui astfel de aluminiu. Analiza radioactivă permite detectarea a până la 30 de impurități în aluminiu rafinat electrolitic, al cărui conținut total este de aproximativ 60-10-10%. Prin urmare, puritatea aluminiului rafinat în diferență cu aceste impurități este de 99,994%.

În plus față de impuritățile oferite de GOST (a se vedea tabelul 1.1), cea mai comună notă (A99) conține aluminiu rafinat electrolitic,%: Cr 0.00016; V 0,0001; Ga 0,0006; Pb 0,002; Sn 0.00005; Ca 0,002-0,003; Na 0,001-0,008; Mn 0,001-0,007; Mg 0,001-0,007; ca<0,0001; Sb<0,00002; Bi<0,00001; Cd<0,000001; S 0,0007.

Una dintre sursele de poluare din aluminiu catod sunt conductoarele din grafit care conțin fier și oxid de siliciu și care sunt în contact constant cu aluminiu rafinat. Dacă curentul este alimentat direct din aluminiu catodic cu bare de aluminiu și se folosește un instrument de grafit foarte pur, este posibilă obținerea unui metal cu o puritate de 99,999% prin diferență cu impuritățile determinate (Fe, Si, Cu, Zn și Ti). Un astfel de metal conține, în medie,%: Si 0,0002; Fe 0,00032; Cu 0,0002; Zn 0.0002 și Ti 0.00005. Cu toate acestea, din cauza dificultăților tehnice, această metodă de furnizare a curentului nu a găsit încă o aplicație industrială largă.

Producția de aluminiu de înaltă puritate

Aluminiul de înaltă puritate (gradul A999) poate fi obținut în trei moduri: topirea zonei, distilarea prin subhalide și electroliza compușilor organici aluminiu. Dintre metodele de mai sus pentru producerea aluminiului de înaltă puritate, s-a obținut o metodă practică pentru topirea zonelor în URSS.

Principiul topirii zonei este trecerea multiplă a zonei topite de-a lungul unui lingou de aluminiu. După valoarea coeficienților de distribuție K \u003d C   televizor / S   w (unde C   tv este concentrația impurităților în solide și C   g - în faza lichidă), care determină în mare măsură eficacitatea purificării de impurități, aceste impurități pot fi împărțite în trei grupuri. Primul grup include impuritățile care scad punctul de topire al aluminiului; K<1   , în timpul topirii zonei, acestea sunt concentrate în zona topită și transferate de acesta către partea finală a lingoului. Aceste impurități includ Ga, Sn, Be, Sb, Ca, Th, Fe, Co, Ni, Ce, Te, Ba, Pt, Au, Bi, Pb, Cd, In, Na, Mg, Cu, Si, Ge , Zn. Al doilea grup include impuritățile care cresc punctul de topire al aluminiului; ele sunt caracterizate K\u003e 1 iar în timpul topirii zonei, acestea sunt concentrate în partea solidă (inițială) a lingoului. Aceste impurități includ Nb, Ta, Cr, Ti, Mo, V. Al treilea grup include impuritățile cu un coeficient de distribuție foarte aproape de unitate (Mn, Sc). Aceste impurități nu sunt practic îndepărtate în timpul topirii zonei de aluminiu.

Aluminiul destinat topirii zonelor este supus unei anumite preparate, care constă în filtrare, degazare și gravare. Filtrarea este necesară pentru a îndepărta din aluminiu un film refractar și puternic de oxid dispersat în metal. Oxidul de aluminiu prezent în aluminiu topit poate forma centre de cristalizare atunci când se solidifică, ceea ce duce la formarea unui lingot policristalin și o încălcare a redistribuirii impurităților între metalul solid și zona topită. Aluminiul este filtrat în vid (presiune reziduală 0,1-0,4 Pa) printr-o deschidere în partea inferioară a unui creuzet cu grafit cu un diametru de 1,5-2 mm. Degazarea prealabilă a aluminiului înainte de topirea zonei (de asemenea, încălzirea în vid) se realizează pentru a preveni stropirea metalelor în timpul topirii zonei, în cazul unui proces în vid mare. Ultima etapă în prepararea aluminiului pentru topirea zonei este gravarea suprafeței sale cu un amestec de acizi clorhidric concentrați și acizi azotici.

Deoarece aluminiul are o activitate chimică semnificativă și, în special, grafitul pur este folosit ca material principal pentru containere (bărci), topirea zonei de aluminiu se realizează în vid sau într-o atmosferă de gaz inert (argon, heliu).

Zonarea topită în vid asigură o puritate ridicată a aluminiului datorită volatilizării unor impurități în timpul vidului (magneziu, zinc, cadmiu, metale alcaline și alcaline), precum și contaminarea metalului purificat cu impurități, ca urmare a utilizării gazelor inerte de protecție. Topirea zonei de aluminiu în vid poate fi efectuată în timpul pompării continue a unui tub de cuarț, unde este plasată o barcă de grafit cu un lingou de aluminiu, precum și în fiole de cuarț sigilate, din care aerul este pompat în prealabil la o presiune reziduală de aproximativ 1 ּ 10–3 Pa.

Pentru a crea o zonă topită pe un lingou de aluminiu în timpul topirii zonei sale, încălzirea poate fi aplicată folosind cuptoare cu rezistență mică sau curenți de înaltă frecvență. Pentru alimentarea cuptoarelor cu rezistență electrică, nu este necesară echipamentul complex, cuptoarele sunt ușor de utilizat. Singurul dezavantaj al acestei metode de încălzire este secțiunea mică a lingoului de aluminiu purificat.

Încălzirea prin inducție cu curenți de înaltă frecvență este un mod ideal de a crea o zonă topită pe un lingou în timpul topirii zonei. Metoda de încălzire cu frecvență înaltă (pe lângă faptul că permite topirea zonei a lingourilor secțiunilor mari) permite avantajul important că metalul topit este amestecat continuu în zonă; acest lucru facilitează difuzarea atomilor de impuritate de pe frontul de cristalizare adânc în topitură.

Pentru prima dată, producția industrială de aluminiu de înaltă puritate prin topirea zonei a fost stăpânită la Uzina de aluminiu Volkhov în 1965, folosind instalația UZPI-3 dezvoltată de TU. Această configurație a fost echipată cu patru retorte de cuarț cu încălzire prin inducție, în timp ce inductoarele erau mobile, iar containerele cu metal erau staționare. Productivitatea sa a fost de 20 kg de metal pe ciclu de curățare. Ulterior, a fost creată o instalație UZPI-4 mai performantă din metal și a fost pusă în funcțiune comercială în 1972 la Uzina de aluminiu Volkhov.

Eficiența purificării aluminiului în timpul topirii zonelor poate fi caracterizată prin următoarele date. Dacă conținutul total de impurități din aluminiu rafinat electrolitic este (30–60) ּ 10–4%, atunci după topirea zonei scade la (2,8–3,2) - 10–4%, adică 15–20 de ori. Aceasta corespunde rezistivității electrice reziduale a aluminiului ρ ○ (la o temperatură lichidă de heliu de 4,2 K), respectiv (20 ÷ 40) 10 10 –10 și (1,8 ÷ 2,1) - 10 –10 sau o puritate de 99,997-99,994 și 99,9997%. În tabel. 1.4 (a se vedea mai jos) arată datele analizei radioactive privind conținutul unor impurități din aluminiu purificat în zonă și rafinat electrolitic. Aceste date indică o scădere puternică a conținutului majorității impurităților, deși impuritățile, cum ar fi manganul și scandiul, nu sunt practic îndepărtate în timpul topirii zonei.

În ultimii ani, VAMI a dezvoltat și testat în condiții industriale o tehnologie pentru producerea de aluminiu cu o puritate de 99,9999% prin topirea zonei în cascadă. Esența metodei de topire a zonei în cascadă este aceea că purificarea aluminiului sursă cu o puritate de A999 se realizează prin repetarea secvențială a ciclurilor (cascadelor) ale benzii de zonă. În acest caz, materialul de pornire al fiecărei cascade ulterioare este partea mijlocie, cea mai pură a lingotei obținută ca urmare a ciclului de curățare anterior.

TABEL 1.4

În tabel. 1.5 (vezi mai jos) arată rezultatele analizei și măsurării spectrale de masă R   293 K / R   4,2 K de aluminiu obținut prin topirea zonei în cascadă. Din datele de mai sus, se poate concluziona că puritatea unui astfel de aluminiu, determinată de diferența cu zece impurități de bază (Si, Fe, Mg, Mn, Ti, Cu, Cr, Zn, Na și V), este\u003e 99,9999%. Această concluzie este confirmată indirect de valoare R   293 K / R   4,2 K, care în toate eșantioanele a fost\u003e 30 ± 10 3.

Pentru a obține un metal cu o puritate de 99,9999%, este suficient să se efectueze două cascade de topire a zonei (vezi tabelul 1.5). O creștere suplimentară a numărului de cascade nu crește puritatea aluminiului, deși crește randamentul total al metalelor cu o puritate de 99,9999%.

Un alt proces posibil pentru obținerea aluminiului de înaltă puritate este distilarea sa prin subhalide, în special prin subfluorură de aluminiu.

Presiunea de vapori saturată a metalului din aluminiu nu este suficient de mare pentru a-l distila direct la viteze practic acceptabile. Cu toate acestea, atunci când este încălzit în vid (la 1000-1050 ° С) cu AlF 3, aluminiul formează o subfluorură de AlF volatilă, care este distilată într-o zonă rece (800 ° С), unde se descompune din nou (disproporționat) cu eliberarea de aluminiu pur:

Posibilitatea unei purificări profunde a aluminiului din impurități se datorează în principal faptului că probabilitatea formării subcompușilor din aluminiu este mult mai mare decât probabilitatea formării subcompușilor impurității.

TABEL 1.5

REZULTATELE ANALIZEI ȘI MĂSURĂRILOR SPECTRALE DE MASĂ R   293 K / R   4.2 K MELT DE ZONA DE ALUMINIU CASCADE.

Conținutul de impurități din aluminiu distilat prin subfluorură este invers legat de masa lingourilor obținute. În lingouri cu o greutate de 1,5-1,7 kg, conținutul total de impurități (Si, Fe, Cu, Mg) este de 11 ± 10%, iar conținutul de gaz este de 0,007 cm 3/100 g. Rezistența reziduală specifică (ρ ○) la temperatura lichidului de heliu pentru un astfel de metal este (1,7 ÷ 2,0) ּ 10 –10 Ohm ּ cm. Distilarea aluminiului prin subfluorură prezintă mai multe dezavantaje (productivitate relativ mică, purificare insuficientă profundă din magneziu etc.), prin urmare, metoda nu a primit dezvoltare industrială.

De asemenea, au fost dezvoltate metode pentru producerea de aluminiu de înaltă puritate prin electroliza compușilor organoaluminici complexi, care diferă în compoziția electrolitului. De exemplu, în Germania, se folosește o metodă de electroliză a unei soluții de 50% de NaF2A (Al2C5) 3 în toluen. Rafinarea se efectuează la 100 ° C, tensiunea pe celulă 1,0-1,5 V și densitatea curentului 0,3-0,5 A / DM 2 folosind electrozi din aluminiu. Puterea curentă a catodului 99%. Rafinarea electrochimică în electroliții organoaluminici reduce semnificativ conținutul de mangan și scandiu, care practic nu sunt îndepărtate în timpul curățării zonelor. Dezavantajele acestei metode sunt productivitatea scăzută și pericolul ridicat de incendiu.

Pentru o purificare mai profundă a aluminiului și obținerea unui metal cu o puritate de 99,99999% sau mai mult, se poate utiliza o combinație a metodelor de mai sus: electroliza compușilor organoaluminici sau sublimarea prin subfluorură urmată de topirea zonei din aluminiu obținut. De exemplu, prin purificarea zonei multiple a aluminiului obținută prin electroliza compușilor organoaluminici, este posibilă obținerea unui metal cu puritate ridicată, cu un conținut de impuritate de 10–9%: Fe 50; si<500; Cu 10; Mg 30; Mn5; Ti <500; Cr 20; Zn <50; Co <1; Ag <5; Sb <1 и Se 3.

cerere

Combinația proprietăților fizice, mecanice și chimice ale aluminiului determină utilizarea sa pe scară largă în aproape toate domeniile tehnologiei, în special sub forma aliajelor sale cu alte metale. În domeniul ingineriei electrice, aluminiul înlocuiește cu succes cupru, în special la fabricarea conductoarelor solide, de exemplu, în liniile aeriene, cabluri de înaltă tensiune, autobuze de comutare, transformatoare (conductivitatea electrică a aluminiului atinge 65,5% din conductivitatea electrică a cuprului și este de peste trei ori mai ușoară decât cuprul; cu o secțiune transversală care asigură aceeași conductibilitate, masa firelor de aluminiu este jumătate din cea a cuprului). Aluminiul Ultrapure este utilizat la fabricarea condensatoarelor electrice și a redresoarelor, al căror efect se bazează pe capacitatea unui film de oxid de aluminiu de a transmite curent electric într-o singură direcție. Aluminiul ultra-pur, purificat prin topirea zonelor, este utilizat pentru sinteza compușilor semiconductori de tip A III B V utilizați la fabricarea dispozitivelor semiconductoare. Aluminiul pur este utilizat la fabricarea diferitelor tipuri de oglinzi reflectorizante. Aluminiul de înaltă puritate este utilizat pentru a proteja suprafețele metalice de coroziunea atmosferică (placare, vopsea din aluminiu). Cu o secțiune transversală relativ mică de absorbție a neutronilor, aluminiul este utilizat ca material structural în reactoarele nucleare.

În rezervoarele de aluminiu cu capacitate mare, gazele lichide (metan, oxigen, hidrogen, etc.), acizii azotici și acetici, apa pură, peroxidul de hidrogen și uleiurile comestibile sunt depozitate și transportate. Aluminiul este utilizat pe scară largă în echipamente și aparate din industria alimentară, pentru ambalarea produselor alimentare (sub formă de folie), pentru producerea de diverse tipuri de produse de uz casnic. Consumul de aluminiu a crescut brusc pentru decorarea clădirilor, arhitecturii, instalațiilor de transport și sport.

În metalurgie, aluminiul (pe lângă aliajele bazate pe acesta) este unul dintre cei mai comuni aditivi de aliere în aliaje pe bază de Cu, Mg, Ti, Ni, Zn și Fe. Aluminiul este de asemenea utilizat pentru deoxidarea oțelului înainte de turnarea acestuia în matriță, precum și în procesele de producere a anumitor metale prin metoda aluminotermiei. Pe baza de aluminiu, SAP (pulbere de aluminiu sinterizat) a fost creată prin metalurgia pulberilor, care are o rezistență mare la căldură la temperaturi peste 300 ° C.

Aluminiul este utilizat la fabricarea explozivilor (ammonal, aluminotol). Diverse compuși de aluminiu sunt utilizate pe scară largă.

Producția și consumul de aluminiu sunt în continuă creștere, depășind semnificativ producția de oțel, cupru, plumb, zinc.

DIN (DeutschIndustrienorm) - standardul industrial al Germaniei.

Procesul tehnologic al producției de aluminiu include trei etape principale:

1. Crearea aluminei din minereuri de aluminiu;
  2. Crearea aluminiului din alumină;
  3. Procesul de rafinare a aluminiului.

În același timp, utilizarea unui astfel de echipament este necesară:

echipamente pentru un sistem central de distribuție a aluminei;
  electrolizor;
  bara de catoduri;
  stații de tratare a gazelor uscate;
  montare, macarale tehnologice și turnătorie;
  unitati de aspiratie;
  echipamente de turnătorie;
  echipamente ale magazinului de montaj anod;
  structuri metalice ale clădirilor de producție.

Crearea aluminei din minereuri - stadiul producției de aluminiu

Alumina poate fi obținută prin trei metode: acidă, alcalină și electrolitică. Cea mai populară este metoda alcalină. Esența metodei este că soluțiile de aluminiu încep să se descompună foarte repede odată cu introducerea hidroxidului de aluminiu, iar soluția care rămâne din descompunere după evaporare cu agitare viguroasă la o temperatură de 170 ° C poate dizolva din nou alumina conținută de bauxită. Această metodă are următoarele etape principale:

1. Pregătirea bauxitei, care presupune zdrobirea și măcinarea în mori speciale. Alcalinele caustice, bauxita și niște tei sunt trimise la mori. Pulpa, care s-a dovedit, este trimisă pentru levigare.

2. Lăsarea bauxitei presupune descompunerea sa chimică dintr-un compus cu o soluție apoasă de alcali. În acest caz, oxidul de aluminiu hidratat, atunci când este combinat cu alcali, trece în soluție sub formă de aluminat de sodiu, iar silica conținută de bauxită, combinată cu alcali, trece în soluție sub formă de silicat de sodiu. Într-o soluție, acești compuși: aluminat de sodiu și silicat de sodiu formează aluminosilicat de sodiu insolubil. Oxizii de fier și titan trec în acest reziduu, ceea ce conferă reziduului o nuanță roșie. Un astfel de reziduu este noroiul roșu. Când dizolvarea aluminatului de sodiu obținut este finalizată, acesta este diluat cu o soluție apoasă de alcali în timp ce scade temperatura la 100 ° C.

3. Separarea noroiului roșu și a soluției de aluminat una de cealaltă se datorează spălării în agenți de îngroșare. Apoi noroiul roșu se instalează și soluția de aluminat rămasă se filtrează.

4. Descompunerea soluției de aluminat. Se filtrează și se trimite în containere mari cu mixere. Din această soluție, răcirea la 60 ° C și agitarea eliberează constant hidroxid de aluminiu. Datorită faptului că procedeul este inegal și foarte lent, iar creșterea cristalelor de hidroxid de aluminiu este foarte importantă în procesarea ulterioară, decompozitorii adaugă încă o mulțime de hidroxid solid la aceste recipiente cu ajutorul amestecătorilor.

5. Producția de hidroxid de aluminiu se realizează în filtre sub vid și hidrociclone. Majoritatea hidroxidului sub formă de material semințial este returnat la procedura de descompunere. După spălarea apei, reziduul este trimis pentru calcinare; iar filtratul revine și el la proces.

6. Deshidratarea hidroxidului de aluminiu - etapa finală a producției de alumină. Are loc în cuptoare tubulare, care se rotește constant. Hidroxidul de aluminiu brut, când este trecut prin cuptor, este complet uscat și deshidratat.

Crearea aluminiului din alumină în producție are loc, de asemenea, în mai multe etape.

1. Electroliza oxidului de aluminiu are loc la o temperatură în celulă - 970 ° C. Celula are o baie căptușită cu blocuri de carbon, la care este conectat un curent electric. Aluminiul lichid degajat este colectat pe o bază de cărbune și de acolo este pompat în mod regulat. Anodii de carbon sunt cufundați în electrolit de sus, arzând într-o atmosferă de oxigen care este eliberată de alumină, iar monoxidul de carbon sau dioxidul este eliberat.

2. Electroliza clorurii de aluminiu se realizează prin transformarea oxidului de aluminiu din vasul de reacție în clorură de aluminiu. Apoi, într-o baie izolată este electroliza clorurii de aluminiu. Clorul, care este eliberat în acest caz, este aspirat și trimis pentru reciclare. Și aluminul precipită la catod.

3. Reducerea clorurii de aluminiu din mangan, în timp ce aluminiul este eliberat. Datorită condensului controlat, contaminanții asociați cu clorul sunt eliberați din fluxul de clorură de mangan. Când este eliberat clorul, clorura de mangan este transformată în oxid de mangan, care este apoi redus la o stare de mangan care este reciclabilă.

Procesul de rafinare a aluminiului în producția de aluminiu

Rafinarea electrolizei cu descompunerea soluțiilor apoase de sare pentru aluminiu nu este posibilă. Deoarece gradul de purificare a aluminiului industrial, care se obține prin electroliza unei topituri criolit-alumină, va fi insuficient în anumite scopuri, aluminiul este chiar mai pur din deșeurile metalice și industriale din cauza rafinării. Cea mai frecventă metodă de rafinare este electroliza în trei straturi.

Aluminiul este utilizat la fabricarea explozivilor (alumotol, ammonal). Se utilizează o mare varietate de compuși din aluminiu. Producția și consumul de aluminiu sunt în continuă creștere, mult mai repede decât producția de cupru, oțel, zinc și plumb.

Pentru obținerea cuprului, se folosesc minereuri de cupru, precum și deșeuri de cupru și aliajele sale. Minereurile conțin 1 - 6% cupru. Minereul care conține mai puțin de 0,5% cupru nu este prelucrat, deoarece la nivelul tehnologiei actuale, extragerea cuprului din acesta nu este profitabilă.

În minereuri, cuprul se prezintă sub formă de compuși cu sulf (CuFeS 2 - calcopirit, Cu 2 S - calcosină, CuS - covelin), oxizi (CuO, CuO) și bicarbonati

Minereul de gangue este format din pirită (FeS 2), cuarț (Si02), diverși compuși care conțin Al2O3, MgO, CaO și oxizi de fier.

Minereurile conțin uneori cantități semnificative de alte metale (zinc, aur, argint și altele).

Există două metode pentru producerea cuprului din minereuri:

• hidro;
• pirometalurgică.

Hidrometalurgica nu și-a găsit aplicarea largă din cauza incapacității de a extrage metale prețioase împreună cu cuprul.

Metoda pirometalurgică este potrivită pentru prelucrarea tuturor minereurilor și include următoarele operații:

• prepararea minereurilor pentru topire;
• topire mată;
• conversie mată;
• rafinarea cuprului.

Pregătirea minereurilor pentru topire

Pregătirea minereurilor constă în îmbogățirea și prăjirea. Îmbogățirea minereurilor de cupru se realizează prin flotare. Rezultatul este un concentrat de cupru care conține până la 35% cupru și până la 50% sulf. De obicei, concentratele se ard în cuptoarele cu pat fluidizat, pentru a reduce conținutul de sulf la valori optime. În timpul arderii, sulful este oxidat la o temperatură de 750 - 800 ° C, o parte din sulf este îndepărtată cu gaze. Rezultatul este un produs numit cinder.

Topirea matei

Matul este topit în cuptoare reflectorizante sau electrice la o temperatură de 1250 - 1300 ° С. Concentratele topite de minereuri de cupru intră în procesul de topire, în timpul încălzirii a cărui reacție de reducere a oxidului de cupru și a oxizilor de fier superiori

6CuO + FeS \u003d 3Cu2O + FeO + SO2

FeS + 3Fe 3 O 4 + 5SiO 2 \u003d 5 (2FeO · SiO 2) + SO 2

Ca rezultat al interacțiunii Cu 2 O cu FeS, Cu 2 S este format prin reacția:

Cu2O + FeS \u003d Cu2 S + FeO

Sulfurile de cupru și fier, topite împreună, formează mate și silicate topite de fier, dizolvând alți oxizi, formează zgură. Matul conține 15 - 55% Cu; 15 până la 50% Fe; 20 - 30% S. Zgura este formată în principal din Si02, FeO, CaO, Al2O3.

Mat și zgură sunt eliberate pe măsură ce se acumulează prin deschideri speciale.

Conversie mată

Matul este transformat în topitori de cupru (figura 44) prin suflarea acestuia cu aer pentru oxidarea fierului sulfuros, transferul fierului în zgură și separarea cuprului blister.

Convertizoarele au o lungime de 6 - 10 m și un diametru exterior de 3 - 4 m. Matul topit este turnat, produsele de topire sunt drenate și gazele sunt eliminate printr-un gât situat în mijlocul carcasei convertorului. Pentru a purja matul, aerul comprimat este furnizat prin lance situate de-a lungul generatricei convertizorului. O gaură este situată într-unul dintre pereții de capăt al convertizorului prin care se realizează încărcarea pneumatică a fluxului de cuarț, care este necesar pentru a îndepărta fierul în zgură.
  Procesul de purjare se desfășoară în două perioade. În prima perioadă, matul este turnat în convertor și este furnizat fluxul de cuarț. În această perioadă, apar reacții de oxidare a sulfurii.

Oxidul de fier rezultat interacționează cu fluxul de cuarț și este îndepărtat în zgură.

Pe măsură ce zgura se acumulează, aceasta este drenată parțial și o nouă porțiune din mată inițială este turnată în convertor, menținând un anumit nivel de mată în convertor. În a doua perioadă, oxidul de cupru interacționează cu sulfura de cupru pentru a forma cupru metalic

Astfel, ca urmare a purjării, se obține cupru blister care conține 98,4 - 99,4% Cu. Cupru blister rezultat este turnat în matrițe plate pe o mașină de turnat cu bandă.

Tehnologia producției de magneziu

Principala metodă de producție de magneziu este electrolitică. Producția electrolitică de magneziu din soluții apoase este imposibilă, deoarece potențialul electrochimic al magneziului este mult mai negativ decât potențialul descărcării ionilor de hidrogen la catod. Prin urmare, electroliza magneziului se realizează din sărurile sale topite.

Componenta principală a electrolitului este clorura de magneziu MgCl2, iar NaCl, CaCl2, KCl și cantități mici de NaF și CaF2 sunt introduse în acesta pentru a scădea temperatura de topire a electrolitului și a crește conductivitatea electrică a acestuia.

Principalele materii prime pentru producția de magneziu sunt carnalita (MgCl2 KCl 6H2O), magnezit (MgCO3), dolomit (CaCO3 MgCO3), bischofit (MgCl2 6H2O). Cea mai mare cantitate de magneziu este obținută din carnalit.

Principalele etape ale producției de magneziu:

1. Carnalit;

2. Îmbogățirea carnalitei;

3. Deshidratarea carnalitei;

4. Producția electrolitică de magneziu;

5. Rafinarea magneziului;

6. magneziu.

Îmbogățirea carnalitei este prima etapă a prelucrării sale. Esența procesului de îmbogățire este separarea KCl și a impurităților insolubile prin transferul de MgCl2 și KCl într-o soluție apoasă. Când soluția rezultată este răcită în cristalizatoare cu vid, precipită cristale de carnalită artificială MgCl2 KCl 6H2O, care sunt separate prin filtrare.

Carnalitul este deshidratat în două etape. Prima etapă se desfășoară în cuptoare tubulare sau cuptoare cu pat fluidizat la 550-600 ° C. Sub influența căldurii gazelor încălzite, carnalitul este deshidratat și după acest tratament conține umiditate de 3-4%.

A doua etapă de deshidratare se realizează fie prin topirea carnalitei obținute după prima etapă în cuptoarele electrice, urmată de sedimentarea oxidului de magneziu, fie prin clorarea carnalitei în stare topită.

Producția electrolitică de magneziu. În acest scop, se folosește un electrolizor, care este căptușit intern cu cărămizi acoperite cu foc. Anodii sunt plăci de grafit, iar catodii sunt plăci de oțel situate pe ambele părți ale anodului.

Pentru descompunerea electrolitică a clorurii de magneziu, un curent de 2,7-2,8 V este trecut prin electrolit.

Ca urmare a descompunerii electrolitice a clorurii de magneziu, se formează ioni de clor, care se deplasează spre anod și, după descărcare, creează bule de clor care apar din electrolit. Ionii de magneziu se deplasează spre catod și, după descărcare, sunt eliberați la suprafață, formând picături de magneziu lichid. Magneziul are o densitate mai mică decât electrolitul, astfel că plutește la suprafața sa în spațiul catodului, de unde este îndepărtat periodic folosind o găleată de vid.

În timpul electrolizei, concentrația altor cloruri din electrolit crește datorită consumului de MgCl2. Prin urmare, periodic, o parte din electrolitul cheltuit este îndepărtat din baie și, în loc de acesta, se toarnă MgCl2 sau topit de carnalită. Ca urmare a descompunerii parțiale a impurităților, în partea de jos a băii se formează nămol, care este îndepărtat în mod regulat din baie.

Rafinarea magneziului. În băile de electroliză se obține magneziu dur, care conține 5% din impurități: impurități metalice (Fe, Na, K, Al, Ca) și impurități nemetalice (MgCl2, KCl, NaCl, CaCl2, MgO). Magneziul este rafinat (rafinat) prin remeltare cu fluxuri.