Отримання глинозему із руд

Глинозем отримують трьома способами: лужним, кислотним та електролітичним. Найбільше поширення має лужний спосіб (метод К. І. Байєра, розроблений в Україні наприкінці позаминулого століття і застосовується для переробки високосортних бокситів з невеликою кількістю (до 5-6%) кремнезему). З того часу технічне виконання його було суттєво покращено. Схема виробництва глинозему за способом Байєра представлена на рис. 1.

Сутність способу полягає в тому, що алюмінієві розчини швидко розкладаються при введенні в них гідроксиду алюмінію, а розчин, що залишився, після його випарювання в умовах інтенсивного перемішування при 169-170 про С може знову розчиняти глинозем, що міститься в бокситах. Цей спосіб складається з наступних основних операцій:

1). Підготовка бокситу, що полягає в його дробленні та подрібненні в млинах; до млинів подають боксит, їдкий луг і невелику кількість вапна, що покращує виділення Al2O3; отриману пульпу подають на вилуговування;

2). Вилужування бокситу (останнім часом застосовувані досі блоки автоклав круглої форми частково замінені трубчастими автоклавами, в яких при температурах 230-250°С (500-520 К) відбувається вилуговування), що полягає в хімічному його розкладанні від взаємодії водним розчином лугу; гідрати окису алюмінію при взаємодії зі лугом переходять у розчин у вигляді алюмінію натрію:

кремнезем, що міститься в боксіті, взаємодіє з лугом і переходить в розчин у вигляді силікату натрію:

у розчині алюмінат натрію та силікат натрію утворюють нерозчинний натрієвий алюмосилікат; у нерозчинний залишок переходять окисли титану і заліза, що надають залишку червоного кольору; цей залишок називаютьчервоним шламом. Після закінчення розчинення отриманий алюмінат натрію розбавляють водним розчином лугу при одночасному зниженні температури на 100°З;

3). Відділення алюмінатного розчину від червоного шламу зазвичай здійснюється шляхом промивання у спеціальних згущувачах; внаслідок цього червоний шлам осідає, а алюмінійний розчин зливають і потім фільтрують (освітлюють). В обмежених кількостях шлам знаходить застосування, наприклад як добавка до цементу. Залежно від сорту бокситів на 1 т одержаного окису алюмінію припадає 0,6-1,0 т червоного шламу (сухого залишку);

4). Розкладання алюмінатного розчину. Його фільтрують та перекачують у великі ємності з мішалками (декомпозери). З пересиченого розчину при охолодженні на 60°С (330 До) і постійному перемішуванні витягується гідроксид алюмінію Al(OH)3. Так як цей процес протікає повільно і нерівномірно, а формування і зростання кристалів гідроксиду алюмінію мають велике значення при її подальшій обробці, декомпозери додають велику кількість твердого гідроксиду - затравки:

5). Виділення гідроксиду алюмінію та його класифікації; це відбувається у гідроциклонах та вакуум-фільтрах, де від алюмінатного розчину виділяють осад, що містить 50-60% частинок Al(OH). Значну частину гідроокису повертають у процес декомпозиції як затравний матеріал, яка залишається в обороті в незмінних кількостях. Залишок після промивання водою йде кальцинацію; фільтрат також повертається в оборот (після концентрації у випарних апаратах – для вилуговування нових бокситів);

6). Зневоднення гідроксиду алюмінію (кальцинації); це завершальна операція виробництва глинозему; її здійснюють у трубчастих обертових печах, а останнім часом також у печах з турбулентним рухом матеріалупри температурі 1150-1300 про; сирий гідроксид алюмінію, проходячи через піч, що обертається, висушується і зневоднюється; при нагріванні відбуваються послідовно такі структурні перетворення:

Al(OH)3→AlOOH→ γ-Al2O3→ α-Al2O3
200 про С-	950 про С-	1200 про З.

В остаточно прожареному глиноземі міститься 30-50% -Al2O3 (корунд), решта -Al2O3.

Цим способом витягується 85-87% від всього одержуваного глинозему. Отриманий окис алюмінію являє собою міцну хімічну сполуку з температурою плавлення 2050 про С.

Отримання алюмінію з його окису

Електроліз окису алюмінію

Електролітичне відновлення окису алюмінію, розчиненого в розплаві на основі кріоліту, здійснюється при 950-970°З електролізері. Електролізер складається з футерованої вуглецевими блоками ванни, до подіни якої підводиться електричний струм. Рідкий алюміній, що виділився на подині, що служить катодом, важчий за розплав солі електроліту, тому збирається на вугільній підставі, звідки його періодично відкачують (рис. 2). Зверху в електроліт занурені вугільні аноди, які згоряють в атмосфері кисню, що виділяється з окису алюмінію, виділяючи окис вуглецю (CO) або двоокис вуглецю (CO2). На практиці знаходять застосування два типи анодів:

а) самопалюючі аноди Зедерберга, що складаються з брикетів, так званих «хлібів» маси Зедерберга (малозолильне вугілля з 25-35% кам'яновугільного пеку), набитих в алюмінієву оболонку; під дією високої температури анодна маса випалюється (спікається);

б) обпалені, або «безперервні», аноди з великих вугільних блоків (наприклад, 1900 600 500 мм масою близько 1,1 т).

Сила струму на електролізерахстановить 150 000 А. Вони входять у мережу послідовно, т. е. виходить система (серія) — довгий ряд електролізерів.

Робоча напруга на ванні, що становить 4-5, значно вище напруги, при якому відбувається розкладання окису алюмінію, оскільки в процесі роботи неминучі втрати напруги в різних частинах системи. Баланс сировини та енергії при отриманні 1 т алюмінію представлений на рис. 3.

Електроліз хлориду алюмінію (метод фірми Алкоа)

У реакційній посудині окис алюмінію перетворюється спочатку на хлорид алюмінію. Потім щільно ізольованої ванні відбувається електроліз AlCl3, розчиненого в розплаві солей KCl, NaCl. Хлор, що виділяється при цьому, відсмоктується і подається для вторинного використання; алюміній осідає на катоді.

Відновлення хлориду алюмінію марганцем (Toth - метод)

При відновленні марганцем з хлориду алюмінію звільняється алюміній. Через керовану конденсацію з потоку хлориду марганцю виділяються пов'язані з хлором забруднення. При звільненні хлору хлорид марганцю окислюється в окис марганцю, який відновлюється до марганцю, придатного до вторинного застосування. Відомості в наявних публікаціях дуже неточні, тому даному випадку доведеться відмовитися від оцінки

Отримання рафінованого алюмінію

Для алюмінію рафінуючий електроліз з розкладанням сольових водних розчинів неможливий. Оскільки для деяких цілей ступінь очищення промислового алюмінію (Al 99,5 - Al 99,8), отриманого електролізом криолитоглиноземного розплаву, недостатня, то промислового алюмінію або відходів металу шляхом рафінування отримують ще чистіший алюміній (Al 99, 99 R). Найбільш відомий метод рафінування -тришаровий електроліз.

Рафінування методом тришарового електролізу

Одягнена сталевим листом, що працює на постійному струмі (представлена на рис. 4 - див. вище) ванна для рафінування складається з вугільної подини з струмопідведення і теплоізолюючої магнезитової футеровки. На противагу електролізу кріолітоглиноземного розплаву анодом тут служить, як правило, розплавлений рафінований метал (нижній анодний шар). Електроліт складається з чистих фторидів або суміші хлориду барію та фторидів алюмінію та натрію (середній шар). Алюміній, що розчиняється з анодного шару електроліті, виділяється над електролітом (верхній катодний шар). Чистий метал є катодом. Підведення струму до катодного шару здійснюється графітовим електродом.

Ванна працює при 750-800°С, витрата електроенергії становить 20 кВт на 1 кг чистого алюмінію, тобто дещо вище, ніж при звичайному електролізі алюмінію.

Метал анода містить 25-35% Cu; 7-12% Zn; 6-9% Si; до 5% Fe та незначна кількість марганцю, нікелю, свинцю та олова, решта (40-55%) – алюміній. Усі важкі метали та кремній при рафінуванні залишаються в анодному шарі. Наявність магнію в електроліті призводить до небажаних змін складу електроліту або сильного його ошлакування. Для очищення магнію шлаки, що містять магній, обробляють флюсами або газоподібним хлором.

В результаті рафінування отримують чистий алюміній (99,99%) та продукти сегрегації (зайгер-продукт), які містять важкі метали та кремній та виділяються у вигляді лужного розчину та кристалічного залишку. Лужний розчин є відходом, а твердий залишок застосовується для розкислення.

Рафінований алюміній зазвичай має наступний склад, %: Fe 0,0005-0,002; Si0,002-0,005; Cu 0,0005-0,002; Zn 0,0005-0,002; Mg сліди; Al інше.

Рафінований алюміній переробляють на напівфабрикат у зазначеному складі або легують магнієм (див. табл. 1.2).

ТАБЛИЦЯ 1.2.Хімічний склад алюмінію підвищеної чистоти та первинного алюмінію поDIN 17122, лист 1.

Марка	Номер	Допустимі домішки* , %
всього	в тому числі
Si	Fe	Ti	Cu	Zn	інші
A199,99R	3.0400	0,01	0,006	0,005	0,002	0,003	0,005	0,001
A199,9H	3.0300	0,1	0,050	0,035	0,006	0,005	0,04	0,003
A199,8H	3.0280	0,2	0,15	0,15	0,03	0,01	0,06	0,01
A199,7H	3.0270	0,3	0,20	0,25	0,03	0,01	0,06	0,01
A199,5H**	3.0250	0,5	0,30	0,40	0,03	0,02	0,07	0,03
A199H	3.0200	1,0	0,5	0,6	0,03	0,02	0,08	0,03
* Наскільки можливо визначити звичайними методами дослідження. ** Чистий алюміній для електротехніки (алюмінієві провідники) постачають у вигляді первинного алюмінію 99,5, що містить не більше 0,03% (Ti+Cr+V+Mn); позначається у разі E-A1, номер матеріалу 3.0256. В іншому відповідає нормам VDE-0202.

Рафінування шляхом алюмоорганічних комплексних сполук тазонною плавкою

Алюміній ступеня чистоти вище марки A1 99,99 R може бути отриманий рафінуючим електролізом чистого або технічно чистого алюмінію із застосуванням як електроліт комплексних алюмоорганічних сполук алюмінію. Електроліз проходить при температурі близько 1000°С між твердими алюмінієвими електродами і в принципі схожий на рафінуючий електроліз міді. Природа електроліту диктує необхідність працювати без доступу повітря та за низької щільності струму.

Цей вид рафінуючого електролізу, який застосовується спочатку лише в лабораторному масштабі, вже здійснюється в невеликому виробничому масштабі — виготовляється кілька тонн металу на рік. Номінальний ступінь очищення одержуваного металу 99,999-99,9999%. Потенційними областями застосування металу такої чистоти є кріогенна електротехніка та електроніка.

Можливе застосування розглянутого методу рафінування та в гальванотехніці.

Ще більш високу чистоту – номінально до A1 99,99999 – можна отримати наступною зонною плавкою металу. При переробці алюмінію підвищеної чистоти на напівфабрикат, лист або дріт необхідно, враховуючи низьку температуру рекристалізації металу, вживати особливих запобіжних заходів. Примітною властивістю рафінованого металу є його висока електропровідність у сфері кріогенних температур.

Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: