Міністерство освіти і науки Російської Федерації
Федеральне агентство з освіти
Магнітогорський Державний Технічний Університет
ім. Носова
Кафедра металургії чорних металів
Реферат з дисципліни «Історія металургії»
МЕТАЛУРГІЯ АЛЮМІНІЮ
Анотація
Розглянуто тема "Металургія алюмінію", описані основні властивості цього металу. Коротко викладена історія відкриття алюмінію, можливі способи його отримання і застосування в різних галузях промисловості.
Зміст
Введення
1. Властивості алюмінію
2. Застосування алюмінію
3. Сирі матеріали
4. Виробництво глинозему
5. Електролітичне отримання алюмінію
6. Рафінування алюмінію
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Слово «металургія» походить від грец.:
metalleu о - викопую, добуваю з землі;
metallurgeo - добуваю руду, обробляю метали;
metallon - рудник, метал.
Це слово означає галузь науки і техніки, що охоплює процеси обробки добутих з надр руд, отримання металів та сплавів, надання їм певних властивостей.
У давнину, в середні століття і порівняно недавно, аж до часу М. В. Ломоносова, вважалося, що існує 7 металів (золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо, ртуть).
У 1814 р. шведський хімік Й. Берцеліус запропонував використовувати буквені знаки, якими користується весь світ, за рідкісними винятками.
Сьогодні науці відомо більше 80 металів, більшість з них використовують у техніці.
У світовій практиці склався розподіл металів на чорні (залізо і сплави на його основі) і всі інші - нечерние (Non - ferrous metals, англ.; Nichtei - senmetalle, нім.) Або кольорові метали. Металургія часто підрозділяється на чорну і кольорову. В даний час на частку чорних металів припадає близько 95% всієї виробленої у світі металопродукції.
У техніці прийнята також умовна класифікація, за якою кольорові метали розділені на «легкі» (алюміній, магній), «важкі» (мідь, свинець і ін), тугоплавкі (вольфрам, молібден тощо), шляхетні (золото, платина і ін), рідкісні метали.
Частка продукції, виготовленої з використанням чорних і кольорових металів, в даний час складає 72-74% валового національного продукту держави. Можна стверджувати, що метали в XXI ст. залишаться основним конструкційними матеріалами, так як за своїми властивостями, економічності виробництва та споживання не мають собі рівних у більшості сфер застосування.
З ~ 800 млн. т споживаних металів ~ 750 млн. т - сталь, 20-22 млн. т - алюміній, 8-10 млн. т - мідь, 5-6 млн. т - цинк, 4-5 млн. т - свинець (решта - <1 млн. т).
З найбільш цінних і важливих для сучасної техніки металів лише деякі міститься в земній корі у великих кількостях: алюміній (8,8%), залізо (4,65%), магній (2,1%), титан (0,63%) .
До рудних родовищ легких металів звичайно відносять руди, що містять алюміній; основний постачальник алюмінію - боксити, а також алуніти, нефеліни і раз особисті глини. До рудних родовищ кольорових металів відносяться родовища міді, свинцю і цинку, кобальту, нікелю, сурми. Запаси металів в найбільш великих з них сягають від десятків до сотень млн. т, при звичайному змісті металів в руді - одиниці відсотків.
Маса видобуваються матеріалів у багато разів перевищує кількість містяться в руді металів і в переважній більшості випадків з природних руд економічно невигідно безпосередньо вилучати корисні компоненти.
Археологічні розкопки свідчать про те, що знайомство людини з металами відноситься до часів, досить віддаленим від нас. Вважається, що перші вироби з бронзи отримані за 3 тис. років до н.е. відновної плавкою суміші мідної та олов'яної руд з деревним вугіллям. Значно пізніше бронзи стали виготовляти добавкою в мідь олова та інших металів (алюмінієві, берилієві, кремненікелевие та ін.) В даний час найбільш поширені алюмінієві бронзи (5-12% Al) з добавками заліза, марганцю та нікелю.
В даний час металургійне виробництво є одним з пріоритетних галузей народного господарства. [2]
ВЛАСТИВОСТІ АЛЮМІНІЮ
Алюміній був вперше отриманий датським фізиком Х. Ерстед у 1825 р. Назва цього елемента походить від латинського алюмо, так у давнину називалися галун, які використовували для фарбування тканин. [1]
Алюміній володіє багатьма цінними властивостями: невеликий щільністю - близько 2,7 г / см 3, високою теплопровідністю - близько 300 Вт / (м. К) і високу електропровідність 13,8. 10 7 Ом / м, хорошою пластичністю і достатньою механічною міцністю.
Алюміній утворює сплави з багатьма елементами. У розплавленому стані алюміній рідкотекучий і добре заповнює форми, у твердому вигляді він добре деформується і легко піддається різанню, пайки та зварювання.
Спорідненість алюмінію до кисню дуже велике. При його окисненні виделяетсябольшое кількість тепла (~ 1670000 Дж / моль). Тонкоподрібнений алюміній при нагріванні запалюється й згоряє на повітрі. Алюміній з'єднується з киснем повітря і в атмосферних умовах. При цьому алюміній покривається тонкою (товщиною ~ 0,0002 мм) щільною плівкою окису алюмінію, що захищає його від подальшого окислення; тому алюміній стійкий проти корозії. Поверхня алюмінію добре захищає від окислення цієї плівки і в розплавленому стані.
Із сплавів алюмінію найбільше значення мають дюралюміній і силуміни.
До складу дюралюмінію, крім алюмінію, входять 3,4-4% Cu, 0,5% Mn і 0,5% Mg, допускається не більше 0,8% Fe і 0,8% Si. Дюралюміній добре деформується і за своїми механічними властивостями близький до деяких сортів стали, хоча він в 2,7 рази легший за сталь (щільність дюралюмінію 2,85 г / см 3).
Механічні властивості цього сплаву підвищуються після термічної обробки та деформації у холодному стані. Опір на розрив підвищується з 147-216 МПа до 353-412 МПа, а твердість по Бринеллю з 490-588 до 880-980 МПа. При цьому відносне подовження сплаву майже не змінюється і залишається досить високим (18-24%).
Силуміни - ливарні сплави алюмінію з кремнієм. Вони володіють хорошими ливарними якостями і механічними властивостями. [2]
ЗАСТОСУВАННЯ АЛЮМІНІЮ
Алюміній і сплави широко застосовують у багатьох галузях промисловості, у тому числі в авіації, транспорті, металургії, харчової промисловості та ін З алюмінію і його сплавів виготовляють корпуса літаків, мотори, блоки циліндрів, коробки передач, насоси та інші деталі в авіаційній, автомобільній і тракторної промисловості, посудини для зберігання хімічних продуктів. Алюміній широко застосовують у побуті, харчовій промисловості, в ядерній енергетики та космічних кораблів виготовлені з алюмінію і його сплавів.
Внаслідок великої хімічної спорідненості алюмінію до кисню його застосовують у металургії як розкислювач, а також для отримання при використанні так званого алюмінотермічним процесу важко відновлюваних металів (кальцію, літію та ін.)
По спільному виробництву металу в світі алюміній займає друге місце після заліза. [2], [1]
Сирі матеріали
Основним сучасним способом виробництва алюмінію є електролітичний спосіб, що складається з двох стадій. Перша - це отримання глинозему (Al 2 O 3) з рудної сировини і друга - отримання рідкого алюмінію з глинозему шляхом електролізу.
Руди алюмінію. Внаслідок високої хімічної активності алюміній зустрічається в природі тільки у зв'язаному вигляді: корунд Al 2 O 3, Гіббс Al 2 O 3. 3 H 2 O, беміт Al 2 O 3. H 2 O, кіаніт 3 Al 2 O 3, 2 SiO 2 , нефелін (Na, K) 2 O. Al 2 O 3. 2 SiO 2, каолініт Al 2 O 3, 2 SiO 2. 2 H 2 O та інші. Основними використовуваними в даний час алюмінієвими рудами є боксити, а також нефеліни і алуніти.
Боксити. Алюміній у бокситах знаходиться головним чином у вигляді гідроксидів алюмінію (гіббситу, беміт та ін), корунду і каолінта. Хімічний склад бокситів досить складний. Вони часто містять більше 40 хімічних елементів. Вміст глинозему в них становить 35-60%, кремнезему 2-20%, оксиду Fe 2 O 3 2-40%, окису титану 0,01-10%. Важливою характеристикою бокситів є ставлення змістів в них Al 2 O 3 до SiO 2 по масі - так званий кремінний модуль.
До великих родовищ бокситів у нашій країні належить Тихвінської (Ленінградська область), Североуральском (Свердловська область), Південноуральського (Челябінська область), Тургайське і Червоножовтневій (Кустанайська область).
Нефеліни входять до складу нефелінових сієнітів і уртітов. Велике родовище уртітов знаходиться на Кольському півострові. Основні компоненти уртіта - нефелін і апатит 3 Ca 3 (PO 4) 2. CaF 2. Їх піддають флотаційного збагачення з виділенням нефелінового апатитового концентратів. Апатитовий концентрат йде для приготування лення фосфорних добрив, а нефеліновий - для отримання глинозему. Нефеліновий концентрат містить,%: 20-30 Al 2 O 3, 42-44 SiO 2, 13-14 Na 2 O, 6-7 K 2 O, 3-4 Fe 2 O 3 і 2-3 CaO.
Алуніти представляють собою основний сульфат алюмінію і калію (або натрію) K 2 SO 4. Al 2 (SO 4) 3. 4 Al (OH) 3. Зміст Al 2 O 3 в них невисока (20-22%), але в них перебуває інші цінні складові: сірчаний ангідрид SO 3 (~ 20%) і луг Na 2 O, K 2 O (4-5%). Таким чином, вони, так само як і нефеліни, являють собою комплексне сировину.
Інші сирі матеріали. При виробництві глинозему застосовують луг NaOH, іноді вапняк CaCO 3, при електролізі глинозему кріоліт Na 3 AlF 6 (3 NaF. AlF 3) і трохи фтористого алюмінію AlF 3, а також Ca F 2 і MgF 2. [2]
Виробництво глинозему
За кордоном практично весь глинозем отримують з бокситів в основному способом Баєра (К. І. Байєр - австрійський інженер, працював у Росії), на вітчизняних заводах глинозем отримують з бокситів способом Байєра і з бокситів і нефелінів способом спікання. Обидва ці способу відносяться до лужних методів виділення глинозему з руд. Спосіб Байєра економічно доцільно використовувати для переробки бокситів з невеликим вмістом SiO 2 (з кремнієвим модулем Al 2 O 3 / SiO 2 більш 5-7), оскільки при зростанні кількості SiO 2 все більше Al 2 O 3, і використовуються в процесі лугу губляться через через утворення хімічної сполуки Na 2 O. Al 2 O 3. 2 SiO 2. 2 H 2 O.
Для переробки бокситів з кремнієвим модулем менше 5-7 більш економічним є спосіб спікання. У зв'язку з виснаженням багатих глиноземом родовищ бокситу і залученням у виробництво більш бідних бокситів, частка способу Байєра у виробництві глинозему знижується і зростає частка способу спікання.
Спосіб Байєра
Спосіб Баєра - спосіб виділення глинозему з - заснований на вилуговуванні, мета якого розчинити міститься в бокситі оксид алюмінію, уникнувши перекладу в розчин інших складових бокситу. В основі способу лежить оборотна хімічна реакція:
Al 2 O 3, nH 2 O +2 NaOH = Na 2 O. Al 2 O 3 + (n + 1) H 2 O
При протіканні реакції вправо глинозем у вигляді алюмінату натрію переходить в розчин, а при зворотному перебігу реакції утворюється гидротированного Al 2 O 3, випадає в осад.
1. Підготовка бокситу до видужування. Боксит подрібнюють і розмелюють до фракцій розміром 0,05 - 0,15 мм в середовищі додається лугу і оборотного розчину лугу додають також трохи вапна, активізує вилуговування.
2. Вилуговування. Отриману при помелі пульпу направляють на вилуговування. Для повного протікання наведеної вище реакції вправо (освіти алюмінату натрію) необхідні лужне середовище, високий тиск (~ 3МПа), нагрівання пульпи до 100 - 240 0 C (в залежності від сорту бокситу) та її тривале (близько 2ч) перемішування. Такі умови забезпечуються в автоклавах - судинах, що працюють під тиском. Застосовувані автоклави представляють собою (рис. 2) сталевий циліндричний посудину діаметром 1,6 - 2,5 і висотою 13,5 - 17,5 м. Тиск в автоклаві 2,5 - 3,3 МПа, пульпу подають зверху, знизу через патрубок 2 з барботером 3 - пар, що нагріває і перемішує її. З автоклава пульпа видавлюється через трубу 1.
Пульпу зазвичай пропускають через батарею з 6 - 10 послідовно встановлених автоклавів, де протягом ~ 2 год міститься в пульпі у вигляді Al 2 O 3, H 2 O, Al 2 O 3, 3 H 2 O та Al 2 O 3 глинозем реагує з лугом (реакція наведена вище), переходячи в Na 2 O. Al 2 O 3. У перший автоклав пульпу падають насосом, попередньо підігрів до ~ 150 0 С, з останнього автоклава пульпа потрапляє в два автоклава-випарника, у яких тиск знижується до атмосферного. Продуктом є автоклавна пульпа, яка складається з алюмінатного розчину (що містить Na 2 O. Al 2 O 3) і шламу (осаду, в який випадають інші домішки бокситу).
3. Поділ алюмінатного розчину і шламу після розведення пульпи водою виробляють в згущувачах (відстійниках) - судинах діаметром 15 - 50 м, на дні яких осідає шлам, а через верх зливається відстояний алюмінатного розчин. Його додатково пропускають через фільтри і направляють на наступну операцію - декомпозицію. Одержуваний червоний шлам (забарвлення йому надають частки F 2 O 3) йде у відвал, шлам містить,%:
Al 2 O 3 12-18, SiO 2 6-1, F 2 O 3 44-50, CaO. 8-13
4. Розкладання алюмінатного розчину, зване декомпозицією або викручуванням проводять з метою перевести алюміній з розчину в осад у вигляді Al 2 O 3, 3 H 2 O, для чого забезпечують протягом наведеної вище реакції вилуговування вліво, у бік утворення Al 2 O 3, 3 H 2 O. Щоб зазначена реакція йшла вліво, необхідно знизити тиск, розбавити і охолодити розчин, ввести в нього затравки і пульпу для отримання достатньої великих кристалів Al 2 O 3, 3 H 2 O перемішувати протягом 50-90 ч.
Цей процес здійснюють в серії встановлених послідовно і з'єднаних перепускними сифонами декомпозеров, через які послідовно проходить пульпа. У серії встановлюють 10-11 декомпозеров з механічним перемішуванням або 16-28 декомпозеров з повітряним перемішуванням пульпи.
5. Відділення кристалів гідроксиду алюмінію від розчину і класифікація кристалів по крупності. Після декомпозиції пульпа поступає в згущувачі, де гідроксид відокремлюють від розчину. Отриманий гідроксид в Гідросепаратори поділяють на фракцію з розміром частинок 40-100 мкм і дрібну фракцію, яку використовують в якості приманки при декомпозиції. Крупну фракцію промивають, фільтрують і направляють на кальцинації.
6. Кальцинації або зневоднення гідроксиду алюмінію здійснюють у футерованих шамотом трубчастих обертових печах діаметром 2,5-5 і довжиною 35-110 м, опалювальних природним газом чи мазутом. Гідроксид повільно перемішається вздовж барабана, що обертається назустріч потоку 200-300 0 С в місці завантаження до ~ 1200 0 С поблизу пальника у йде реакція: Al 2 O 3, 3 H 2 O = Al 2 O 3 +, 3 H 2 O, що закінчується при 900 0 С. Продуктом є глинозем Al 2 O 3 (порошок білого кольору).
Витяг глинозему при використанні описаного способу Байєра становить близько 87%. [2], [3]
Спосіб спікання
Спосіб застосовують для одержання глинозему з висококремнистою бокситів з кремнієвим модулем менше 5-7 і з нефелінових руд; спосіб придатний також для переробки будь-якого алюмінієвого сировини.
Сутність способу полягає в отриманні твердих алюмінатів шляхом їх спікання при високих (~ 1300 0 С) температурах і в подальшому вилуговуванні отриманого спека.
Отримання глинозему з бокситів. Основні стадії цього процесу такі.
Підготовка до спікання. Боксит і вапняк після дроблення подрібнюють в млинах в середовищі оборотного содового розчину з добавкою свіжої соди, отримуючи пульпу з вологістю 40%.
Спікання ведуть в опалювальних трубчастих обертових печах діаметром до 5 і довжиною до 185 м. Температура в печі підвищується від 200 -300 0 С в місці подачі пульпи до ~ 1300 0 С у розвантажувальному кінці біля пальника. При нагріванні оксид алюмінію перетворюється на водорозчинний алюмінат натрію:
Al 2 O 3 + Na 2 CO 3 = Na 2 O. Al 2 O 3 + CO,
а кремнезем зв'язується в малорозчинні силікати: SiO 2 + 2 CaO = 2 CaO. SiO 2. З содою реагує також бокситу, утворюючи Na 2 O. Fe 2 O 3. Ці хімічні сполуки спікаються, утворюючи частково оплавлені шматки - спек.
Після обпалювальне печі спек охолоджують у холодильниках, дроблять до крупності 6 -8 мм і направляють на вилуговування.
Вилуговування ведуть гарячою водою проточним методом в апаратах різної конструкції: дифузорах (циліндричних судинах, куди порціями завантажують і вивантажують спек), в конвеєрних вищелачівателях та ін Найбільш досконалими є трубчасті вищелачівателі безперервної дії (рис.3). Завантаження через бункер 1 в посудину заввишки 26 м спек завдяки безперервній вивантаженні секторними Розвантажувач 2 рухається вниз і промивається зустрічним потоком води. У воді розчиняється алюмінат натрію, вода розкладає ферит натрію Na 2 O. Fe 2 O 3 і Fe 2 O 3 випадає в осад. Продуктами вилуговування є алюмінатного розчин і червоний шлам, що містить Fe 2 O 3, Al 2 O 3, SiO 2, CaO. У алюмінатного розчин переходить трохи кремнезему у вигляді гідросилікатів, у зв'язку з чим розчин піддають обескремніюваний.
Знекремнювання алюмінатного розчину здійснюють в батареї автоклавів тривалої (~ 2,5 години) витримкою при температурі 150 - 170 0 С. У цих умовах виростають кристали нерозчинного у воді сполуки Na 2 O. Al 2 O 3. 2 SiO 2, 2 H 2 O (іноді до розчину додають вапно, в цьому випадку утворюються кристали CaO, Al 2 O 3. 2 SiO 2, 2 H 2 O). З автоклавів виходить пульпа, яка складається з алюмінатного розчину і осаду - білого шламу. Далі розчин відокремлюють від білого шламу шляхом згущення і фільтрації. Білий шлам йде в шихту для спікання, а розчин направляють на карбонізацію.
Карбонізацію проводять з метою виділення алюмінію в осад Al 2 O 3. 3 H 2 O (карбонізація замінює декомпозицію в способі Байєра). Карбонізацію здійснюють в судинах циліндричної або циліндроконічних форми об'ємом до 800 м 3 пропусканням через розчин газів, що відходять спікальних печей, що містять 10 -14% CO 2. Гази перемішують розчин, а розкладає алюмінат натрію:
Na 2 O. Al 2 O 3 + CO 2 + 3 H 2 O = Al 2 O 3. 3 H 2 O + Na 2 CO 3
і гідроксид алюмінію випадає в осад.
Далі проводять ті ж технологічні операції, що і в способі Байєра: відділення Al 2 O 3. 3 H 2 O від розчину і кальцинації - зневоднення гідроксиду алюмінію прокаливанием в трубчастих печах з отриманням глинозему Al 2 O 3.
Зразкова витрата матеріалів на одержання 1 т глинозему, т: бокситу 3,2 - 3,6; вапняку 1,35; вапна 0,025; кальцинованої соди 0,19; умовного палива 1,1 - 1,2; електроенергії ~ 800 кВт т.
Отримання глинозему з нефелінів. Нефеліновий концентрат або руду і вапняк після дроблення розмелюють у водному середовищі, отримуючи пульпу для спікання. У зв'язку з наявністю у складі нефеліну лугів не потрібно добавок у шихту соди.
Спікання виробляють в опалювальних трубчастих обертових печах діаметром 3 - 5 і завдовжки до 190 м; пульпу заливають у піч з боку газів, де температура дорівнює 200 - 300 0 С, а в розвантажувальному кінці вона досягає 1300 0 С. У процесі нагрівання нефелін взаємодіє з вапняком:
(Na, K) 2 O. Al 2 O 3. 2SiO 2 + 4 CaCO 3 = (Na, K) 2 O. Al 2 O 3 + 2 (2 CaO. SiO 2) + 4 CO 2
У результаті цієї реакції входять до складу нефеліну Na 2 O і K 2 O забезпечують переклад глинозему на водорозчинні алюмінати, а CaO пов'язує кремнезем в малорозчинний двухкальціевий силікат. Одержуваний спек охолоджують в холодильниках і дроблять.
Вилуговування нефелінового спека суміщають з його помелом і проводять в кульових або стрижневих млинах в середовищі гарячої води з лужним розчином, одержуваних після карбонізації. У процесі вилуговування алюмінати розчиняються у воді і залишається вапняно-кременистий шлам, який йде на виробництво цементу.
Знекремнювання алюмінатного розчину проходить у дві стадії. Першу проводять в автоклавах протягом 1,5-2 год при температурі 150-170 0 С, при цьому в осад випадають містять кремнезем алюмосилікати, цей осад йде а шихту для спікання.
Другу частину алюмінатного розчину додатково обескремнівают у мішалках з добавкою вапна при ~ 95 0 С протягом 1,5-2 ч. При цьому в осад випадає ізвестковосілікатний шлам і забезпечується глибоке знекремнювання алюмінатного розчину. Потім цей розчин піддають кальцинації, отримуючи в осаді гідроксид алюмінію і глибоко обескремненний содовий розчин, з якого далі в содовому цеху отримують поташ (K 2 CO 3) і кальциновану соду (Na 2 CO 3); глибоке знекремнювання необхідно для отримання цих товарних продуктів.
Кальцинація. Гідроксид алюмінію після обох гілок переробки алюмінатного розчину піддають промивці та фільтрації і потім направляють на кальцинації (зневоднення), яку проводять так само, як у способі Байєра, отримуючи глинозем.
Зразкова витрата матеріалів на отриманні 1т глинозему з нефелінів, т: нефеліну 4; вапняку 7; вапна 0,1; умовного палива 1,5; електроенергії ~ 1000 кВт, ч. При цьому отримують близько 1 т содопродуктів і до 10 т цементу. [2]
ЕЛЕКТРОЛІТИЧНЕ ОТРИМАННЯ АЛЮМІНІЮ
Алюміній отримують шляхом електролізу глинозему, розчиненого в розплавленому електролізі, основним компонентом якого є кріоліт. У чистому кріоліті Na 3 AlF 6 (3 NaF. AlF 3) ставлення NaF: AlF 3 дорівнює 3, для економії електроенергії необхідно при електролізі мати це відношення в межах 2,6-2,8, тому до кріоліту додають фтористий алюміній AlF 3. Крім того, для зниження температури плавлення в електроліт додають трохи CaF 2, MgF 2 і іноді NaCl. Зміст основних компонентів у промисловому електроліті знаходиться в наступних межах,%: Na 3 AlF 6 75-90; AlF 3 5-12; MgF 2 2-5; CaF 2 2-4; Al 2 O 3 2-10.
Електролізна ванна або електролізер, де проводять електроліз, має в плані прямокутну форму. Кожух із сталевих листів охоплює стіни ванни, а у великих ванн виконаний з днищем. Всередині є шар шамоту і далі стіни викладені вугільними плитами, а під утворений подовими вугільними блоками. Ванна глибиною 0,5-0,6 м заповнений електролітом і знаходиться під ним шаром рідкого алюмінію.
Вугільний анод підвішений на сталевих стрижнях так, що його нижній кінець занурений в електроліт, через стрижні до анода подається струм від шин.
Потужність електролізера, обумовлена силою підводиться до неї струму, змінюється від 30 кА у ванн малої потужності до 250 кА у ванн великої потужності.
Електролізні ванни з попередньо оббоженнимі анодами мають анодний вузол, складений з кількох вугільних або графітованих блоків, розташованих у два ряди. У кожному блоці закріплені чотири сталевих ніпеля, з'єднаних зі штангою; цей пристрій служить для підведення струму і для підвіски блоку. Згорілі блоки замінюють новими. Над ванною встановлений газоулавліваающій короб.
Використання обпалених анодів дозволило збільшити одиничну потужність ванн і сильно скоротити виділення шкідливих канцерогенних речовин, які утворюються при коксуванні пеку самообжігающіхся електронів.
Електронні ванни розміщують у цеху в ряд - по кілька десятків ванн в ряду.
Електроліз ведуть при напрузі 4-4,3 В та, як зазначалося, при питомій щільності струму, походящей через анод, що дорівнює 0,65-1,0 А / см 2. Товщина шару електроліту у ванні становить 150-250 мм. Температуру ванни підтримують у межах 950-970 0 С за рахунок тепла, що виділяється при проходжень постійного струму через електроліт. Такі температури мають місце під анодом, а на межі з повітрям утворюється кірка затверділого електроліту, а біля стін ванни - затверділий шар електроліту (гарнісажем).
Необхідна температура ванни, тобто виділення в шарі електроліту необхідної кількості тепла, забезпечується при певному електроопору шару електроліту. Такого електроопору досягають, підтримуючи в заданих межах складу електроліту і товщину його струмопровідного шару, тобто відстані між анодом і шаром рідкого алюмінію в межах 40-60 мм.
При додатку напруги до катода і анода складові рідкого електроліту піддаються електролітичної дисоціації, і розплав складається з численних катіонів та аніонів. Склад електроліту підібраний так, що у відповідності зі значеннями потенціалів розряду на електродах можуть розряджатися тільки катіони Al 3 + і аніони O 2 -, які утворюються при дисоціації Al 2 O 3 в електроліті.
Розряджаються на катоді алюміній накопичується на подині ванни під шаром електроліту. Виділяється на аноді з утворенням газів CO і CO 2, тобто при цьому окислюється вниз анода, у зв'язку з чим анод періодично опускають. Гази CO і CO 2 виходять з-під анодів уздовж їх бічних поверхонь, вони містять виділяються з електроліту токсичні фтористі з'єднання і глиноземних пил; ці гази вловлюють і очищають від пилу і фтористих сполук.
По ходу процесу у ванни періодично завантажують глинозем; контролюють склад електроліту, вводячи коригувальні добавки; за допомогою регуляторів підтримують оптимальну відстань між анодами і рідким алюмінієм. Глинозем завантажують у ванни зверху, пробираючи для цього кірку спеченого електроліту за допомогою пересуваються уздовж ванн машин.
Рідкий алюміній видаляють з ванн один раз на добу або через 2-3 доби за допомогою вакуум-ковшів. Вакуум-ківш представляє собою вміщає 1,5-5 т алюмінію футерованную шамотом ємність, у якій створюється розрядження ~ 70 кПа. З'єднану з патрубком ковша забірну трубку занурюють зверху в шар рідкого алюмінію засмоктується в ківш.
Виділяються анодні гази спочатку направляють в пальники, де спалюють CO і возгони смоли, а потім у газоочистку, де вловлюють пил і фтористі з'єднання.
Продуктивність сучасних електролізних ванн становить 500-1200 кг алюмінію на добу. Для отримання 1 т алюмінію витрачається ~ 1,95 т глинозему, ~ 25 кг кріоліту, 25 кг фтористого алюмінію, 0,5-0,6 т анодної маси, 14-16 МВт, год електроенергії. [2], [1]
Рафінування АЛЮМІНІЮ
Алюміній, який зі електролізних ванн, називають алюмінієм-сирцем. Він містить металеві і неметалеві домішки, а також гази (водень, кисень, азот, оксиди вуглецю, сірчаний газ). Неметалічні домішки - це механічно захоплені частки глинозему, електроліт, частки футерівки і ін
Для отчистки від механічно захоплених домішок, розчинених газів, а також від Na, Ca і Mg алюміній піддають хлоруванню. Для цього у вакуум-ківш вводять трубку, через яку протягом 10-15 хв подають газоподібний хлор, причому для збільшення поверхні дотику газу з металом на кінці трубки кріплять пористі керамічні пробки, що забезпечують дроблення струменя газу на дрібні бульбашки. Хлор енергійно реагує з алюмінієм, утворюючи хлористий алюміній AlCl 3. Пари хлористого алюмінію піднімаються через шар металу і разом з ними спливають зважені неметалеві домішки, частина газів і які утворюються хлориди Na, Ca, Mg і H 2.
Далі алюміній заливають в електричні печі-міксери або в відбивні печі, де протягом 30-45 хв відбувається його остаіваніе. Мета цієї операції - додаткове очищення від неметалевих і газових включень і усереднення складу шляхом змішування алюмінію з різних ванн. Потім алюміній розливають або в чушки на конвеєрних розливних машинах, або на установках безперервно лиття в злитки для прокатки або волочіння. Таким чином отримують алюміній чистотою не менше 99,8% Al.
Алюміній більш високого ступеня чистоти в промисловому масштабі отримують шляхом подальшого електролітичного рафінування рідкого алюмінію по так званому тришаровому методу. Електролізна ванна має стінки з магнезиту, вугільну подину і підвішені зверху графитированні катоди. На подину через бічний отвір порціями заливають вихідний алюміній, підтримуючи тут анодний шар певної товщини; вище нього розташовується шар електроліту з фтористих та хлористих солей, а над електролітом - шар очищеного алюмінію, який легше електроліту; у цей шар занурені кінці катодів.
Для того щоб рафініруемий алюміній перебував внизу, його обтяжують, формуючи в анодному шарі сплав алюмінію з міддю. У процесі електролізу іони Al 3 + переміщуються з анодного шару через шар електроліту в катодний шар і тут розряджаються. Накопичується на поверхні ванни чистий катодний метал вичерпують і розливають у злитки. Цим способом одержують алюміній чистотою 99,95%. Витрата електроенергії дорівнює ~ 18000 кВт, год на 1 т алюмінію. Більш чистий алюміній отримують методом зонної плавки або дистиляцією через субгалогеніди. [2]
ВИСНОВОК
З розглянутого матеріалу випливає, що алюміній є одним з необхідних металів у промисловості. Металургія алюмінію відіграє велику роль у розвитку сучасних технологій.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Габрієлян О.С. Хімія .- М.: Дрофа, 2004 р.
2. Воскобойніков В.Г., Кудрін В.А., Якушев А.М. Загальна металургія .- М.: ИКЦ «Академкнига», 2004 р.
3. Кульман А.Г. Загальна хімія .- М.: "Колос", 1968.