Промишлено производство на алуминий. Голяма енциклопедия за нефт и газ. Областта на дейност (технология), към която принадлежи описаното изобретение

ИЗОБРЕТЕНИЕТО
Патент на Руската федерация RU2529264

Областта на дейност (технология), към която принадлежи описаното изобретение

Изобретението се отнася до цветната металургия, по-специално до производството на алуминий от металургичен алуминий.

ПОДРОБНО ОПИСАНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Известен индустриален метод Eru-Hall - електролиза на криолитно-алуминиеви стопилки, при която се получава целия първичен алуминий [Mincis M.Ya. Алуминиева електрометалургия / М.Я. Минцис, П.В. Поляков, G.A. Сиразутдинов. Новосибирск: Наука. 2001. 368 с.]. Въпреки дългия период на приложение на тази технология, тя има редица недостатъци: ниска енергийна ефективност от 40-50%; висока консумация на енергия (13-17 kWh/kg Al); замърсяване на околната среда; високи разходи за материали и труд.

Известен е усъвършенстван метод за производство на алуминий по технологията Eru-Hall (патент US 6126799, публикуван 10.03.2000 г.), при който се използва с метални електроди, покрити с керамичен оксид, притежаващ проводимост на кислородни йони. При електролиза с такъв анод кислородните йони преминават през оксидния слой и се изхвърлят върху металната основа. С изключение на благородните метали, не е намерен отделен метал, подходящ за използване като инертен анод, а желязо-никелова сплав (Fe-Ni) съгласно патент на САЩ 5006209 и алуминиев бронз са избрани като основа за създаване на металния инертен анод материал.

Основният недостатък на металните аноди е бързата им разтворимост в стопилката криолит-алуминий и замърсяването на първичния алуминий. Оксидните филми, образувани върху повърхността на металния електрод, в резултат на корозия, увеличават електрическото съпротивление на повърхността на електрода. Безопасността на слоя може да бъде осигурена само при висока активност на кислородните йони (O 2-) в близо анодния електролитен слой, което е особено трудно постижимо при ниски (700-900°C) температури, когато разтворимостта на алуминиев оксид е ниска и активността на кислородните йони се променя драстично. Намаляването на температурата на електролита поради скъпи модифициращи добавки от своя страна е необходимо за намаляване на разтворимостта на слоя от анодния оксид.

Известен е усъвършенстван метод за производство на алуминий (патент US 3960678, публикуван 08/01/1976) с аноди с полупроводникови оксиди с електронна проводимост и кислород, освободен директно върху повърхността на оксида. Най-разпространени в тази група са аноди на базата на никелови ферити (NiFe 2 O 4), разработени от Alcoa, и предложен за изпитване калаен оксид (SnO 2). Основното предимство на керамиката е ниската й разтворимост в стопилката криолит-алуминий.

Основният недостатък е ниският експлоатационен живот на анодите, а промишленото внедряване на керамика е затруднено от ниската механична якост на масивните образци, особено при високи температури, и сложността на производството на надеждни токопроводящи контакти. Представлява голяма опасност и възможността за редуциране на оксиди до метал с разтворен алуминий в случай на спиране.

От алтернативни начиниизвестни методи за карботермична редукция на алуминия от неговия оксид, изследвания, проведени от компании Alcan, Pechiney, Hydroaluminium. Най-голям напредък в развитието на карботермалния метод (патент RU 2301842 C2, публикуван на 27 юни 2007 г.) е постигнат в резултат на съвместната работа на Alcoa и Elcem. Пещ за карботермична редукция, използвана за производство на алуминий, използва куха преградна плоча за подаване на въглероден материал в потока, протичащ отдолу. Тази преграда разделя нискотемпературната реакционна зона, където алуминиевият оксид реагира с въглерод за образуване на алуминиев карбид, и високотемпературната реакционна зона, където алуминиевият карбид и останалият алуминиев оксид реагират, за да образуват алуминий и въглероден оксид. ЕФЕКТ: Изобретението осигурява възможност за подаване на допълнителен въглерод-съдържащ материал към реактора и неговото равномерно разпределение, възможност за елиминиране на локализирано прегряване на шлаковата баня и намаляване на пренасянето на алуминий.

Основните недостатъци, свързани с карботермичния процес, са ограниченият избор на материали, устойчиви на течна оксикарбидна стопилка и газове при температури до 2100°C, трудността за ефективно контролиране и поддържане на висока работна температура, невъзможността да се гарантира чистотата на метала поради примеси в петролния кокс и непълна декарбонизация на получения алуминий.

Известен хлориден метод за производство на алуминий (патент US 3893899, публикуван 08/07/1975). Той използва AlCl 3 като суровина, разтворен в разтопени хлориди на алкални метали. Процесът може да се проведе при ниски температури на електролиза (~700°C). Предимствата на този метод са високата плътност на тока, т.к в стопилката има само един вид аниони, които могат да бъдат окислени на анода, липсата на хлорно окисление на въглеродните аноди, което ги прави неконсумативни.

Недостатъците на метода включват необходимостта от производство и транспортиране на чист дехидратиран AlCl 3 . Съдържанието на оксиди и хидроксиди трябва да е ниско, за да се избегне окисляването на графитните електроди и натрупването на оксихлоридна утайка, които са слабо разтворими в хлоридния електролит. Високо парциално парно налягане на различни компоненти на електролита, следователно е необходимо да се почисти хлорът, освободен по време на електролизата от парите на електролита и да се върнат уловените хлориди в електролизатора. Най-ефективният опит за прилагане на процеса беше направен от Alcoa. Въпреки високата производителност (около 13 t Al/ден) за една електролитна клетка и ниската специфична консумация на енергия (около 9 kWh/kg Al, без да се отчита консумацията на енергия за процеса на хлориране), методът има няколко сложности. технически проблеми, което все още изключва търговското му приложение.

Известно е алтернативно производство на алуминий от неговия сулфид (патент NL 20080202939, публикуван 28.08.2008 г.). Освен това от алуминиев оксид се получава безводен алуминиев сулфид с висока чистота електролитноразлага се на алуминий и сяра в многополярна баня. При изходен ток от 90% специфичната консумация на енергия ще бъде само 5,24 kWh/kg Al.

Основният недостатък е необходимостта от производство и създаване на отделен технологичен етап за получаване на много чист Al 2 S 3, което прави технологията индустриално нереализируема, както и сложността на самия агрегат.

Известен метод за производство на алуминий чрез електролиза на стопилка (патент RU 2415973 C2, публикуван 10.04.2011). Методът включва електролиза на стопилка KF-NaF-AlF 3 с добавки Al 2 O 3 при температура на електролита 700-900°C и поддържане на съотношение на криолит (KF+NaF)/AlF 3 от 1,1 до 1,9. Електролизата се извършва при плътност на анодния ток не повече от 1,0 A/cm 2 и катодна плътност на тока не повече от 0,9 A/cm 2 . Осигурява повишаване на производителността с едновременно намаляване на специфичната консумация на енергия и по-евтино известен начинелектролитно производство на алуминий и ниска скорост на корозия на електродните материали, по-специално инертните аноди. Температурата на електролиза при използването им не надвишава 150°C, което намалява изискванията към материалите на клетката, регулирайки състава на електролита и намалява натоварването на околната среда върху околната среда.

Недостатъкът на този метод е високата цена на електролита, невъзможността за директно използване на алуминиев триоксид като суровина, ниската плътност на тока намалява икономическата конкурентоспособност на процеса. Калиевите йони, участващи в процеса на електролиза, значително намаляват стойността на ефективността на тока.

Известен възприет като прототип метод за извличане на метали от метал-съдържащи катализатори на базата на алуминиеви или силициеви оксиди в плазмени пещи (патент RU 2075526, публикуван 20.03.1997 г.), включително обработка чрез топене на катализатори, смесени с варовикови флюси, с помощта на алуминиев оксид и - нагряване с дъга при температура 1600-1650°C чрез подаване на въглерод-съдържащ редуктор и желязо, последвано от продухване на получената стопилка с неутрален газ.

Недостатъкът на метода на екстракция е разрушаването на електродите при високи температури на топене с електрическа дъга. Взаимодействието на въглищен прах и фрагменти с течен метал води до възникване на обратни термични реакции с образуване на карбиди. Процесът е енергоемък и икономически нерентабилен, изисква използването на скъпи огнеупорни материали за облицовка. За извличане на метала е необходимо пълно източване на пещта и временно спиране на процеса.

Техническият резултат от предложения метод е опростяване на съществуващия метод за производство на алуминий и намаляване на материалните и енергийните разходи за неговото производство с високи технико-икономически показатели на процеса и екологичност на процеса.

Техническият резултат се постига чрез факта, че алуминият се получава чрез топене на непрекъснато постъпващ алуминиев оксид в стопилка от течен електрокорунд по време на плазмено-дъгово нагряване в реактор в температурен диапазон 1300-1500°C с вакуумна степен 1,1-1,3 10 -4 Pa, последвано от отлагане на първичен алуминий върху повърхността на електрокорунд в камера за електроутаяване чрез преминаване на постоянен ток от 150-200 A през стопилката и нейното рафиниране. Когато този течен алуминий се отлага и събира върху повърхността на електрокорунд при температура 850-900°C.

Същността на предложения метод е илюстрирана на фиг.1.

В реакционното пространство на високотемпературна пещ с въглеродна отоплителна и топлоизолационна система, която има двойно водоохлаждано тяло 1, се създава вакуум до налягане на остатъчни защитни газове от 100-150 Pa чрез едновременно работа на дифузионна вакуумна помпа 3 и предвакуумна помпа 4. Алуминиевият оксид се зарежда върху повърхността на стопилката с помощта на дозатор 2. След това алуминиевият оксид се нагрява равномерно, докато се получи бяла електрокорундова стопилка. За нагряване и топене на части от алуминиев оксид, плазмената дъга на плазмената горелка 5 се използва при постоянен ток с „права полярност“. Необходимо условиеСтабилността на електрическата дъга е наличието на източник на енергия със специални характеристики. Получената стопилка запълва камерата за електроотлагане 6, преминавайки през диафрагмената преграда 7. Първичният алуминий се отлага върху повърхността на електрокорунд чрез пропускане на постоянен ток от 150-200 A през стопилката с помощта на въглероден графитен анод 8 и катод 9. Течният алуминий 10 е разположен върху повърхността на стопилката, изпълнявайки ролята на катод, при достигане на изчисленото ниво през затворната система посредством горния дренаж 11 се изпраща в камерата за рафиниране 12 за почистване.

Най-рационалният метод за извличане от гледна точка на обработвания обект метален алуминийот алуминиев оксид е плазмено-дъгово нагряване. В този случай, при заявените условия, алуминиевият оксид е стопилка на бял електрокорунд. Точката на топене на алуминия при степен на дегазиране - 1,1-1,3·10 -4 PA се намалява до 1300-1500°C. Получената електрокорундова стопилка преминава по принципа на комуникационен съд в електроутаителната камера през разделителна диафрагмена преграда. Когато електрически ток преминава през стопилката на интерфейса в камерата, настъпва електрохимична редукция на йони с образуването на алуминий.

В междуелектродната междина алуминиевият оксид е стопилка, състояща се от алуминиев оксид в аморфно състояние, с развито вътрешна повърхносткоито адсорбират O 2- аниони и Al 3+ катиони върху електродите. Отгоре, върху повърхността на катода, протича реакцията на редукция на алуминий Al 3+ -3e=Al и върху анода се образува молекулен кислород O 2- -2e=O 2, който се транспортира нагоре по повърхността на катода.

Течният метал е на повърхността на стопилката с температура 850-900°C, тъй като има плътност 2,30-2,35 g/cm 3 и плътността на бялата електрокорундова стопилка е 3,70-3,95 g/cm 3 . Алуминият преминава през отвора за преливане в камерата за рафиниране с повишаване на нивото.

Пример за изпълнение на техническо решение

100 kg алуминиев оксид от клас G00 бяха заредени в реакционното пространство на вакуумна електрическа пещ. В резултат на преработката са получени 52,7 kg течен алуминий марка А5, което съответства на специфичен разходен коефициент на алуминиев триоксид от 1895 kg/t Al според реакцията на разлагане. Както следва от анализа на получените резултати, най-добра производителност се постига при поддържане на температурата на стопилката на ниво 1430-1450°C, при скорост на подаване на алуминиев триоксид към повърхността на стопилката в зоната на топене 5 kg/sec.

Предложеният метод успешно решава проблема за сложната икономична обработка на металургичния алуминий с цел извличане на алуминий, намаляване на разхода на материали и електроенергия и осигуряване на екологичните изисквания за процеса.

Претенция

1. Метод за производство на алуминий, включващ преработка на алуминиев оксид чрез топене с плазмено-дъгово нагряване, характеризиращ се с това, че непрекъснато входящият алуминий се стопява в стопилка от течен електрокорунд по време на плазмено-дъгово нагряване в реактор в температурен диапазон 1300 -1500 °C със степен на вакуум 1,1-1,3·10 -4 Pa и след това отложен първичен алуминий върху повърхността на електрокорунда в камерата за електроутаяване чрез преминаване през стопилката на постоянен ток от 150-200 A и рафиниране в камерата за рафиниране.

2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че течният алуминий се отлага и събира върху повърхността на електрокорунд при температура 850-900°С.

Име на изобретателя: Бажин Владимир Юриевич (RU), Фещенко Роман Юриевич (RU), Патрин Роман Константинович (RU), Власов Александър Анатолиевич (RU)
Име на патентопритежателя: федерален държавен бюджет образователна институцияпо-висок професионално образование„Национален университет по минерали и суровини „Горни“ (RU)

Затворен

Guest_alum_* 23 септември 2007 г

В гаража или помощно помещениеможете да произвеждате свой собствен алуминий във всякакви количества.

Предлагам да се занимавате сами с производството на алуминий.
Както се оказа, извличането на алуминий от глина по тази технология е проста процедура, която може да се извърши у дома. Но е по-целесъобразно да се използва гараж или нежилищни помещения.

Необходими условия за работа:

наличие на електричество 220 волта, 1,5 kW.

транспорт за доставка на глина и извозване на отпадъчен материал.

Металът, получен по този метод, е под формата на синтеровани буци, не се различава физични свойстваот алуминий, добит по традиционен начин.

От 90-те години на миналия век цветните метали се изкупуват активно. Освен това доставката на метал е толкова активна, че в момента практически няма какво да се продава.

Алуминият, за разлика от други метали, се съдържа в глината в количество от 40 до 60%.

Най-богатите на алуминий глини са бокситите. Съдържанието на алуминий в тях е до 70%, но всяка глина съдържа достатъчно алуминий за извличане на метал от нея. От 10 кг. глина, обработена по специален начин, се извличат (минимум) 4 кг. алуминий.

По този начин в обикновен градски гараж успявам да произведа за 1 работен ден

180-200 кг. метални.

Транспортни разходи: Извозвам глина в чували с кола Нива от минна кариера до гараж по 500 кг.

4 литра бензин х 17 рубли = 68 рубли.

Друг задължителен компонент се добавя към глината, чиято цена е 30 рубли. на килограм.

Разход 1 кг. компонент на 10 кг. глина.

10 кг. компонент х 30 рубли. = 300 рубли.

Десет килограма от компонента са достатъчни за обработка на сто килограма глина.

10 кг. компонент + 100 кг. глина = 40 кг. алуминий

1 кг. алуминият струва 30 рубли. (до 55 рубли при продажба на метал на предприятия).

40 кг. метал х 30 рубли. = 1200 рубли.

1200 рубли. - 300 рубли. (разходи) \u003d 900 рубли. ( чиста печалбаот 100 кг. глина).

На ден с компактно оборудване, което може да се постави в стандартен гараж, е възможно да се преработят 500 кг. глина

Общо 200 кг метал = 6000 рубли. на ден - компонент от 50 кг (1500 рубли) + бензин 68 рубли.

6000 рубли - 1568 рубли = 4432 рубли За цял ден.

Guest_Winky_* 2 октомври 2007 г

Мисля, че е солна киселина. Но е интересно какво оборудване се използва. Процесът е сложен и енергоемък. Ако е възможно повече информация.

31 октомври 2007 г

И е възможно по-подробно каква екстра. компонент, какво оборудване се използва и къде може да бъде закупено.

да, всичко това са глупости. Получаването на алуминий у дома е абсурдно. Опитайте първо да го разтопите. И не може да има компонент. Поставете електролизатор у дома - добре, поне 10 kV подстанция, с последващо намаляване до 3-5 V. Силата на тока ще се увеличи нереално. Какво окабеляване ще издържи? Да, в древни времена е имало опити да се получи, обаче, преброяването на грама. За което главата беше отвинтена. Въпросът е как?
- Но библиотеката в Александрия беше изгорена напразно ... Жалко ...

Guest_napTu3aH_* 7 ноември 2007 г

интересно предложение, но какъв е този компонент?

но проблемът е, че се съдържа в глини на молекулярно ниво, т.е. няма да го измъкнеш от там по никакъв химически, физически начин, ако някой успее и ще му дадат НОБЕЛ...

Ако това беше вярно, другарят нямаше да пише, че разрязва NIVA и носи по 500 кг, а вече щеше да спечели нещо за повече ...

07 ноември 2007 г

Работя за минна компания.
Да, наистина, съдържанието на алуминий в глините, както бе споменато по-горе, имаме дори повече, до 87%,
но проблемът е, че се съдържа в глини на молекулярно ниво, т.е. без химически, физически
няма да го измъкнеш от там по някакъв начин, ако някой успее и ще му дадат НОБЕЛ...

Ако това беше вярно другарят нямаше да пише, че реже НИВА и носи по 500 кг, но вече щеше да спечели
за нещо повече...

И така, между другото, наказателната отговорност може и болезнено да дойде за незаконно използване на недра ....
(така че мисля, че е измама...)

само електролиза. Но как да организираме ИТ у дома? Подозирам, че хората са искали да чукат пари за компонент, който не съществува. Или може би просто, като нобелов лауреат-прафесар.
:-)

29 октомври 2008 г

Технология на производство на алуминий

Как се получава алуминият?

Алуминият е навсякъде - двеста и петдесет минерала го съдържат. Но не от който и да е минерал, не от всяка глина е изгодно да се извлича. Ако една десета от глината е алуминий, тогава не бива да се забърквате. Твърде скъпо е да го пусна. Но ако от два килограма глина можете да получите килограм алуминий, комбиниран с кислород - това е друг въпрос. Има такива глини (понякога камъни), богати на алуминий. А у нас ги имаме много. Наричат ​​се БОКСИТИ.

На първо място, алуминиевият триоксид трябва да бъде извлечен от боксити. Алуминиевият оксид има друго име - алуминиев оксид.

Знаете някои видове алуминиев оксид. Например шмиргел, който почиства ножовете. Това са зърна от изключително твърд камък - корунд. Използва се за заточване на стоманени инструменти, ножове. Корундът е алуминиев оксид, алуминиев оксид.

Извличането на алуминиев триоксид от боксит е сложна и продължителна работа. Извършва се в химическите цехове на алуминиеви заводи. Но извличането на алуминиев оксид е само половината от битката. За да се получи алуминий, кислородът също трябва да бъде изгонен от алуминий. За да направите това, стопилката на алуминиев триоксид се излива в графитни вани и през нея се прекарва силна сила. електричество. Много е нужно. Следователно фабриките за производство на алуминий винаги се строят в близост до мощни електроцентрали.

Една много съмнителна легенда разказва, че веднъж човек дошъл при римския император Тиберий (42 г. пр. н. е. - 37 г. сл. н. е.) с метална, нечуплива купа. Твърди се, че материалът на купата е получен от алуминий (Al2O3) и следователно трябва да е бил алуминий. Страхувайки се, че такъв метал, изработен от глина, може да обезцени златото и среброто, Тиберий за всеки случай наредил да отсекат главата на човека. Разбира се, в тази история е трудно да се повярва: естественият алуминий не се среща в природата, а в дните на Римската империя не е могло да има технически средства, които да позволяват извличането на алуминий от неговите съединения.

По отношение на разпространението в природата алуминият е на първо място сред металите; съдържанието му в земната корае 7,45%. Въпреки това, въпреки широкото си разпространение в природата, алуминият края на XIXвек принадлежи към броя на редките метали. В чист вид алуминият не се среща поради високата му химическа активност. Среща се предимно под формата на съединения с кислород и силиций - алумосиликати.

Като алуминиеви руди могат да служат само скали, богати на алуминий (Al2O3) и отложени в големи маси на земната повърхност. Тези скали включват боксити, нефелини - (Na, K)2O? Al2O3? 2SiO2, алунити - (Na, K) 2SO4 ? Al2(SO4)3? 4Al(OH)3 и каолини (глини), фелдшпат (ортоклаз) - K2O ? Al2O3? 6SiO2.

Основната руда за производство на алуминий е бокситът. Те съдържат алуминий под формата на хидроксиди Al(OH), AlOOH, корунд Al2O3 и каолинит Al2O3? 2SiO2? 2H2O. Химичен съставбокситът е сложен: 28-70% алуминиев триоксид; 0,5-20% силициев диоксид; 2-50% железен оксид; 0,1-10% титанов оксид. IN Напоследъккато руда започват да се използват нефелин и алунит.

Големи залежи на боксит се намират в Урал, в Тихвинския район на Ленинградска област, в районите на Алтай и Красноярск.

Нефелинът (K ≈ Na2O ≈ Al2O3 ≈ 2SiO2) е част от апатит-нефелиновите скали (на Колския полуостров).
За първи път в свободна форма алуминият е изолиран през 1825 г. от датския физик Ерстед чрез действието на калиевата амалгама върху алуминиевия хлорид. През 1827г немският химик Вьолер подобрява метода на Ерстед, като заменя калиевата амалгама с метален калий: AlCl3 + 3K > 3KCl + Al (Реакцията протича с отделяне на топлина).
Схема за производство на алуминиев оксид по метода на Байер

През 1854 г. Sainte-Clair Deville във Франция е първият, който използва метода на Wehler за промишлено производствоалуминий, като се използва по-евтин натрий вместо калий и вместо хигроскопичен алуминиев хлорид - по-устойчив двоен хлорид на алуминий и натрий. През 1865 г. руският физикохимик Н. Н. Бекетов показа възможността за изместване на алуминия с магнезий от разтопен криолит. Тази реакция е използвана през 1888 г. за производството на алуминий в първия немски завод в Гмелинген. Производството на алуминий по тези т. нар. „химични” методи се извършва от 1854 до 1890 г. В рамките на 35 години с тези методи са получени общо около 20 тона алуминий.

В края на 80-те години на миналия век химичните методи заменят електролитния, което даде възможност за драстично намаляване на цената на алуминия и създаде предпоставки за бързото развитие на алуминиевата индустрия. През 1886 г. основателите на съвременния електролитен метод за производство на алуминий, Héroult във Франция и Hall в САЩ, независимо подават почти подобни патентни заявки за метод за производство на алуминий чрез електролиза на алуминиев триоксид, разтворен в разтопен криолит. От появата на патентите на Héroult и Hall започва съвременната алуминиева индустрия, която за повече от 115 години на своето съществуване се превърна в един от най-големите отрасли на металургията.

Технологичният процес за получаване на алуминий се състои от три основни етапа:

едно). Получаване на алуминий (Al2O3) от алуминиеви руди;

2). Получаване на алуминий от алуминий;

3). рафиниране на алуминий.

Получаване на алуминиев оксид от руди.

Алуминият се получава по три начина: алкален, кисел и електролитен. Най-разпространеният е алкалния метод (методът на К. И. Байер, разработен в Русия в края на миналия век и използван за обработка на висококачествен боксит с малко количество (до 5-6%) силициев диоксид). От техническо изпълнениетой е значително подобрен. Схемата за производство на алуминиев триоксид по метода на Байер е показана на фиг. един.

Същността на метода се крие във факта, че алуминиевите разтвори бързо се разлагат, когато в тях се въведе алуминиев хидроксид, а разтворът, останал от разлагането след неговото изпаряване при условия на интензивно смесване при 169-170 ° C, може отново да разтвори съдържащия се в боксити алуминиев оксид. Този метод се състои от следните основни операции:

едно). Приготвяне на боксит, което се състои в раздробяването и смилането му в мелници; мелниците се доставят с боксит, каустична основа и не голям бройвар, който подобрява отделянето на Al2O3; полученият пулп се подава за излугване;

2). Излугване на боксит (напоследък използваните досега автоклавни блокове с кръгла форма бяха частично заменени от тръбни автоклави, в които излугването става при температури 230-250 ° C (500-520 K), което се състои в химическото му разлагане от взаимодействие с воден разтворалкали; хидратите на алуминиевия оксид, когато взаимодействат с алкали, преминават в разтвор под формата на натриев алуминат:

AlOOH+NaOH → NaAlO2+H2O

Al(OH)3+NaOH → NaAlO2+2H2O;

SiO2+2NaOH → Na2SiO3+H2O;

в разтвор натриевият алуминат и натриевият силикат образуват неразтворим натриев алумосиликат; титанови и железни оксиди преминават в неразтворимия остатък, придавайки на остатъка червен цвят; този остатък се нарича червена кал. След завършване на разтварянето, полученият натриев алуминат се разрежда с воден разтвор на алкали, като се понижава температурата със 100°С;

3). Отделяне на алуминатния разтвор от червена кал, обикновено се извършва чрез измиване в специални сгъстители; в резултат на това червената кал се утаява и алуминатният разтвор се отцежда и след това се филтрира (избистря). В ограничени количества утайката се използва например като добавка към цимента. В зависимост от класа на боксита, 0,6-1,0 тона червена кал (сух остатък) на 1 тон получен алуминиев триоксид;

4). Разлагане на алуминатен разтвор. Филтрира се и се изпомпва в големи съдове с бъркалки (разложители). Алуминиевият хидроксид Al(OH)3 се екстрахира от свръхнаситен разтвор при охлаждане до 60°C (330 K) и постоянно разбъркване. Тъй като този процес протича бавно и неравномерно и образуването и растежа на кристали от алуминиев хидроксид има голямо значениепри по-нататъшната му обработка се добавя голямо количество твърд хидроксид към разложителите - семена:

Na2O ּ Al2O3+4H2O → Al(OH)3+2NaOH;

пет). Разпределение на алуминиев хидроксид и неговата класификация; това се случва в хидроциклони и вакуумни филтри, където от алуминатния разтвор се отделя утайка, съдържаща 50-60% Al(OH) частици. Значителна част от хидроксида се връща в процеса на разлагане като семенен материал, който остава в циркулация в непроменени количества. Остатъкът след измиване с вода отива за калциниране; филтратът също се връща в циркулация (след концентриране в изпарители - за излугване на нови боксити);

6). Дехидратация на алуминиев хидроксид (калциниране); това е крайната операция на производството на алуминиев триоксид; извършва се в тръбни ротационни пещи, а напоследък и в пещи с турбулентно движение на материала при температура 1150-1300°C; суров алуминиев хидроксид, преминаващ през въртяща се пещ, изсушен и дехидратиран; при нагряване се случват последователно следните структурни трансформации:

Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 → α-Al2O3
Освободеният на дъното течен алуминий, който служи като катод, е по-тежък от стопилката на електролитната сол, поради което се събира върху въглищна основа, откъдето периодично се изпомпва

Крайният калциниран алуминиев триоксид съдържа 30-50% α-Al2O3 (корунд), останалото е γ-Al2O3.

Този метод извлича 85-87% от целия произведен алуминиев оксид. Полученият алуминиев оксид е силен химично съединениес точка на топене 2050 °C.

Получаване на алуминий от неговия оксид

Електролиза с алуминиев оксид

Електролитното извличане на алуминиев оксид, разтворен в стопилката на базата на криолит, се извършва при 950-970°C в електролитна клетка. Клетката се състои от вана, облицована с въглеродни блокове, към дъното на която се подава електрически ток. Течният алуминий, отделящ се на дъното, служещ като катод, е по-тежък от стопилката на електролитната сол, поради което се събира върху въглищна основа, откъдето периодично се изпомпва (фиг. 2). Отгоре въглеродните аноди са потопени в електролита, които изгарят в атмосферата на кислород, освободен от алуминиев оксид, освобождавайки въглероден оксид (CO) или въглероден диоксид (CO2). На практика се използват два вида аноди:

а) самоизпичащи се аноди на Zederberg, състоящи се от брикети, така наречените "хлябове" от масата Zederberg (нископепелни въглища с 25-35% смола от каменовъглен катран), пълнени в алуминиева обвивка; под действието на висока температура анодната маса се изпича (синтерува);

б) изпечени или "непрекъснати" аноди от големи въглеродни блокове (например 1900 × 600 × 500 mm, с тегло около 1,1 тона).

Силата на тока на електролизерите е 150 000 А. Те са свързани към мрежата последователно, тоест се получава система (серия) - дълъг ред електролизери.

Работното напрежение на ваната, което е 4-5 V, е много по-високо от напрежението, при което алуминиевият оксид се разлага, тъй като загубите на напрежение в процеса са неизбежни. различни частисистеми. Балансът на суровини и енергия при производството на 1 тон алуминий е показан на фиг. 3.

Балансът на суровини и енергия при производството на 1 тон алуминий

Електролиза на алуминиев хлорид (метод Alcoa)

В реакционния съд алуминиевият оксид първо се превръща в алуминиев хлорид. След това, в плътно изолирана баня, се извършва електролизата на AlCl3, разтворен в разтопените соли на KCl, NaCl. Освободеният при този процес хлор се изсмуква и се подава за рециклиране; алуминият се отлага върху катода.

Предимствата на този метод пред съществуващата електролиза на течна криолит-алуминиева стопилка (Al2O3, разтворен в Na3AlF6 криолит) са: спестяване на до 30% енергия; възможността за използване на алуминиев оксид, който не е подходящ за традиционна електролиза (например Al2O3 с високо съдържание на силиций); замяна на скъпия криолит с по-евтини соли; елиминиране на риска от емисии на флуорид.

Възстановяване на алуминиев хлорид с манган (Toth - метод)

Когато се редуцира с манган, алуминият се освобождава от алуминиев хлорид. Свързаните с хлора замърсители се освобождават от потока от манганов хлорид чрез контролирана кондензация. Когато се отдели хлор, мангановият хлорид се окислява до манганов оксид, който след това се редуцира до манган, подходящ за вторична употреба. Информацията в наличните публикации е много неточна, така че в този случай ще е необходимо да се откаже от оценката на метода.

Получаване на рафиниран алуминий

За алуминия не е възможна електролиза за рафиниране с разлагане на водни солеви разтвори. Тъй като за някои цели степента на пречистване на промишления алуминий (Al 99.5 - Al 99, получен чрез електролиза на криолитна алуминиева стопилка, е недостатъчна, още по-чист алуминий (Al 99, 99 R) се получава от промишлен алуминий или метални отпадъци чрез рафиниране Най-известният метод за рафиниране - трислойна електролиза.

Рафиниране чрез трислойна електролиза

Облечена в стоманена ламарина, работеща на постоянен ток (показана на фиг. 4), рафиниращата баня се състои от въглищно огнище с токови проводници и топлоизолираща магнезитова облицовка. За разлика от електролизата на стопилка криолит-алуминиев триоксид, анодът тук по правило е разтопен рафиниран метал (долен аноден слой). Електролитът е съставен от чисти флуориди или смес от бариев хлорид и алуминиеви и натриеви флуориди (среден слой). Алуминият, разтварящ се от анодния слой в електролита, се освобождава над електролита (горен катоден слой). Чистият метал служи като катод. Токът се подава към катодния слой от графитен електрод.

рафинираща вана

Ваната работи при 750-800°C, консумацията на енергия е 20 kW ּ h на 1 kg чист алуминий, т.е. малко по-високо, отколкото при конвенционалната електролиза на алуминий.

Анодният метал съдържа 25-35% Cu; 7-12% Zn; 6-9% Si; до 5% Fe и малко количество манган, никел, олово и калай, останалото (40-55%) е алуминий. Всички тежки метали и силиций остават в анодния слой по време на рафинирането. Наличието на магнезий в електролита води до нежелани промени в състава на електролита или до силното му шлаковане. За отстраняване на магнезий шлаките, съдържащи магнезий, се обработват с флюс или газообразен хлор.

В резултат на рафинирането се получава чист алуминий (99,99%) и продукти на сегрегация (продукт Ziger), които съдържат тежки метали и силиций и се изолират под формата на алкален разтвор и кристален остатък. Алкалният разтвор е отпадък, а твърдият остатък се използва за обезкиселяване.

Рафинираният алуминий обикновено има следния състав, %: Fe 0,0005-0,002; Si 0,002-0,005; Cu 0,0005-0,002; Zn 0,0005-0,002; Mg следи; Ал почивка.

Рафиниране чрез органоалуминий комплексни съединенияи зоново топене

Алуминий с по-висока степен на чистота A1 99,99 R може да бъде получен чрез рафиниране на електролиза на чист или търговски чист алуминий, като се използват сложни алуминиеви органични съединения като електролит. Електролизата протича при температура от около 1000°C между твърди алуминиеви електроди и е подобна по принцип на рафиниращата електролиза на медта. Естеството на електролита диктува необходимостта от работа без въздух и при ниска плътност на тока.

Този тип рафинираща електролиза, използвана отначало само в лабораторен мащаб, вече се извършва в малък индустриален мащаб - произвеждат се няколко тона метал годишно. Номиналната степен на пречистване на получения метал е 99,999-99,9999%. Потенциални области на приложение на метал с тази чистота са криогенната електротехника и електроника.

Възможно е да се използва разглежданият метод на рафиниране при галваничното покритие.

Още по-висока чистота - номинално до A1 99,99999 - може да се получи чрез последващо зоново топене на метала. При преработката на алуминий с висока чистота в полуфабрикат, лист или тел е необходимо, предвид ниската температура на прекристализация на метала, да се вземат специални предпазни мерки. Забележително свойство на рафинирания метал е неговата висока електропроводимост в областта на криогенните температури.

Получаване на вторичен алуминий

Рециклирането на вторични суровини и производствени отпадъци е икономически изгодно. Получените вторични сплави покриват около 25% от общото търсене на алуминий.

Най-важната област на приложение на вторичните сплави е производството на алуминиеви профилни отливки. В DIN 1725, лист 2, наред със стандартните марки сплави, са изброени множество марки сплави, произведени от леярни. Списъкът на сплавите, произвеждани от тези фабрики, съдържа освен стандартните и някои нестандартни сплави.

Безупречно приготвяне на алуминиев скрап в голямо разнообразие от пропорции може да се извърши само в специално оборудвани топилни предприятия. Идеята за сложния работен процес в такова предприятие е дадена на фиг. пет.

Получаване на вторичен алуминий

Отпадъците се претопяват след грубо предварително сортиране. Желязото, никелът или медта, съдържащи се в тези отпадъци, чиято точка на топене е по-висока от точката на топене на алуминия, остава в пещта на прага на топене по време на топене и алуминият се топи. За отстраняване на неметални включвания като оксиди, нитриди, карбиди или газове от отпадъците се използва обработка на разтопен метал със соли или (което е по-рационално) продухване с газ - хлор или азот.

За отстраняване на метални примеси от стопилката са известни различни методи, например магнезиева добавка и вакуум - метод на Бекше; добавяне на цинк или живак, последвано от евакуация - субхалогенен метод. Отстраняването на магнезий се ограничава от въвеждането на хлор в разтопения метал. Чрез внасяне на добавки, точно определени от състава на стопилката, се получава дадена леярска сплав.

Производство на алуминий от промишлен клас

Електролитният метод е единственият, използван в света за производството на метал от технически клас алуминий. Всички други методи (цинково-термични, карбидно-термични, субхлоридни, нитридни и др.), чрез които алуминият може да бъде извлечен от алуминиеви руди, са разработени в лабораторен и пилотен мащаб, но все още не са намерили практическо приложение.

За получаване на алуминиево-силициеви сплави успешно се използва електротермичният метод, който за първи път е разработен и приложен в индустриален мащаб в СССР. Състои се от два етапа: на първия етап се получава първична алуминиево-силициева сплав със съдържание 60-63% Al чрез директно редуциране на алуминиево-силициеви руди в рудно-термични електрически пещи; на втория етап първичната сплав се разрежда с технически алуминий, като се получава силумин и други отлети и деформирани алуминиево-силициеви сплави. Провеждат се изследвания за извличане на алуминий с техническа чистота от първичната сплав.

Като цяло производството на алуминий по електролитен метод включва производството на алуминий (алуминиев оксид) от алуминиеви руди, производството на флуоридни соли (криолит, алуминиев флуорид и натриев флуорид), производството на въглеродна анодна маса, изпечен въглероден анод и катод блокове и други облицовъчни материали, както и реалното електролитно производство на алуминий, което е последният етап на съвременната алуминиева металургия.

Характерно за производството на алуминий, флуоридни соли и въглеродни продукти е изискването за максимална степен на чистота на тези материали, тъй като криолито-алуминиевите стопилки, подложени на електролиза, не трябва да съдържат примеси на елементи, които са по-електроположителни от алуминия, който, освободен при катодът на първо място ще замърси метала.

В алуминиевите марки G-00, G-0 и G-1, които се използват основно при електролиза, съдържанието на SiO2 е 0,02-0,05%, а Fe2O3 - 0,03-0,05%. Криолитът съдържа средно 0,36-0,38% SiO2 и 0,05-0,06% Fe2O3, алуминиев флуорид 0,30-0,35% (SiO2 + Fe2O3). Анодната маса съдържа не повече от 0,25% SiO2 и 0,20% Fe2O3.

Най-важната алуминиева руда, от която се извлича алуминиев триоксид, е бокситът. В боксита алуминият присъства под формата на алуминиев хидроксид. В Съветския съюз освен боксит, нефелиновата скала се използва за производство на алуминиев триоксид - натриев и калиев алумосиликат, както и алунитна скала, в която се намира алуминият под формата на неговия сулфат. Суровините за производството на анодната маса и изпечените анодни блокове са въглеродни чисти материали- нефтен или катран кокс и каменовъглен катран като свързващо вещество, а за производството на криолит и други флуоридни соли - калциев флуорид (флуорошпат).

При електролитното производство на алуминиев алуминий, Al2O3, разтворен в разтопен криолит Na3AlF6, се разлага електрохимично с изхвърляне на алуминиеви катиони на катода (течен алуминий) и кислород-съдържащи йони (кислородни йони) на въглеродния анод.

Според съвременните схващания криолитът в разтопено състояние се дисоциира на йони и:, а алуминиевият триоксид - на сложни йони и:, които са в равновесие с прости йони:,.

Основният процес, протичащ на катода, е редукция на тривалентни алуминиеви йони: Al3+ + 3e → Al (I).

Наред с основния процес е възможно непълно изхвърляне на тривалентни алуминиеви йони с образуване на едновалентни йони: Al3+ + 2e → Al+ (II) и накрая изхвърляне на едновалентни йони с освобождаване на метал: Al+ + e → Al (III ).

При определени условия (относително висока концентрация на Na+ йони, висока температура и т.н.) натриевите йони могат да се изхвърлят с освобождаване на метал: Na+ + e → Na (IV). Реакциите (II) и (IV) причиняват намаляване на текущата ефективност на алуминия.

При въглеродния анод се изхвърлят кислородни йони: 2O2– – 4e → O2. Кислородът обаче не се отделя в свободна форма, тъй като окислява въглерода на анода, за да образува смес от CO2 и CO.

Цялостната реакция, протичаща в електролизатора, може да бъде представена с уравнението Al2O3 + xC ↔ 2Al + (2x–3)CO + (3–x)CO2.

Съставът на електролита на индустриалните алуминиеви електролизатори, освен основните компоненти - криолит, алуминиев флуорид и алуминиев оксид, включва малки количества (до 8-9% общо) някои други соли - CaF2, MgF2, NaCl и LiF ( добавки), които подобряват някои физични и химични свойства на електролита и по този начин повишават ефективността на електролизерите. Максималното съдържание на алуминиев триоксид в електролита обикновено е 6-8%, което намалява по време на електролизата. Тъй като електролитът се изчерпва от алуминиев оксид, в него се въвежда друга част от алуминиев оксид. За нормална работа на алуминиевите електролизатори съотношението NaF:AlF3 в електролита се поддържа в рамките на 2,7-2,8 чрез добавяне на порции криолит и алуминиев флуорид.
При производството на алуминий се използват електролизери със самоизпичащи се въглеродни аноди и странично или горно захранване на ток, както и електролизери с предварително изпечени въглеродни аноди. Най-обещаващият дизайн на електролизери с изпечени аноди, който позволява да се увеличи единичният капацитет на блока, да се намали специфичната консумация на DC електричество за електролиза, да се получи по-чист метал, да се подобрят санитарните и хигиенните условия на работа и да се намалят емисиите на вредни вещества в атмосфера.

Първичният алуминий, извлечен от електролизери (необработен алуминий), съдържа редица примеси, които могат да бъдат разделени на три групи: неметални (флуорни соли, α- и γ-алуминиев оксид, алуминиев карбид и нитрид, частици от въглища, механично увлечени при изливане на метал от електролизатор); метал (желязо, силиций), идващ от суровини, въглищни материали и структурни елементи на електролитната клетка; газообразен - главно водород, който се образува в метала в резултат на електролитното разлагане на водата, която влиза в електролита със суровината.

От металните примеси, освен желязо и силиций, най-голямо количество съдържа галий, цинк, титан, манган, натрий, ванадий, хром, мед.

Основният източник на метални следи от примеси в алуминия е алуминий, който в зависимост от вида на суровината може да съдържа галий, цинк, калий, фосфор, сяра, ванадий, титан и хром. Въглеродните материали (анодна маса, изпечени аноди, катодни продукти) служат като източник на микропримеси като например ванадий, титан, манган, цинк.

Чрез електролиза на криолит-алуминиевите стопилки, при условие че се използват чисти изходни материали (предимно алуминиев триоксид и въглеродни материали), е възможно да се получи суров алуминий от класове А85 и А8 (99,85 и 99,80%). Най-голям дял метал от тези марки (60-70% от общата продукция) се получава при електролизери с изпечени аноди, както и на електролизери със страничен ток (до 70% от общо производство). При електролизери със самозапичащи се аноди и горен токов проводник, изходът на суров алуминий A8 е нисък (1-3%), а метал клас A85 не може да се получи поради значителни примеси на желязо, влизащи в алуминия от несуровини (анодни щифтове , чугунени секции на газови колектори). , технологичен инструмент, катоден блок).

Разтопеният първичен алуминий, извлечен от електролитни клетки с помощта на вакуумен черпак, постъпва в леярната за рафиниране от неметални и газообразни примеси и по-нататъшна преработка в продаваеми продукти (свине, цилиндрични и плоски блокове, тел и др.). Преди изливането суровият алуминий се държи в разтопено състояние в електрически съпротивителни пещи (смесители) или в газови реверберационни пещи. В тези пещи се извършва не само рационално смесване на порции течен алуминий с различни състави, но и частично пречистване от неметални включвания, оксидни филми и натрий.

Изливането на алуминий от миксер в блокове се извършва с помощта на машини за леене от конвейер; Цилиндрични и плоски блокове се произвеждат чрез полунепрекъснато леене, а специални комбинирани леярски и валцоващи единици се използват за производство на тел прът.

В домашни алуминиеви заводи, при леене на блокове, алуминият, идващ от смесителя в матрицата на леярската машина, се подлага на най-простия вид рафиниране - филтриране на стопилка през стъклена мрежа с клетки с размери от 0,6 × 0,6 до 1,7 × 1,7 mm . Този метод ви позволява да почиствате алуминия само от много груби оксидни включвания; по-перфектен метод за филтриране на стопилката през стъклена мрежа в възходящ поток. При този метод на филтриране частиците от оксидни включвания, сблъскващи се с решетката, не се улавят от потока на стопилка, а се отлагат на дъното на коритото за леене.

За едновременното пречистване на алуминия, както от неметални примеси, така и от водород, успешно се използва методът на филтриране през потоков филтър в комбинация с продухване с азот. Киселинният електролит на алуминиевите електролизатори може да се използва като флюс. В резултат на такова пречистване съдържанието на водород в алуминия се намалява от 0,22 до 0,16 cm3 на 100 g метал.

В първичния алуминий, използван за производството на сплави от системата Al-Mg, съдържанието на натрий не трябва да надвишава 0,001%. Това се дължи на факта, че наличието на натрий в тези сплави влошава механичните и други експлоатационни свойства на продуктите, използвани в редица сектори на националната икономика.

Повечето ефективен методедновременното рафиниране на алуминий от натрий, водород и неметални примеси е продухването на разтопения метал с газова смес от азот с 2-10% хлор, въведена в стопилката под формата на малки мехурчета с помощта на специални устройства. Този метод на рафиниране позволява да се намали съдържанието на натрий в алуминия до 0,0003-0,001% при разход на газова смес от 0,8 до 1,5 m3/t метал.

Консумацията на електроенергия за производството на 1 тон продаваем алуминий от суров метал с помощта на електрически пещи е 150-200 kW ּ h; безвъзвратните загуби на метал в леярната са равни на 1,5-5%, в зависимост от вида на продаваемия продукт.

Получаване на алуминий висока чистота

За да се получи алуминий с висока чистота (класове A995-A95), първичният алуминий с техническа чистота се рафинира електролитно. Това дава възможност да се намали съдържанието на метални и газообразни примеси в алуминия и по този начин значително да се повиши неговата електрическа проводимост, пластичност, отразяваща способност и устойчивост на корозия.

Електролитното рафиниране на алуминия се извършва чрез електролиза на стопени соли по трислоен метод. Същността на метода е следната. В рафиниращата клетка има три разтопени слоя. Долният, най-тежкият, лежи на проводимо дъно и служи като анод; нарича се анодна сплав и е сплав от рафиниран алуминий с мед, която се въвежда, за да утежни слоя. Средният слой е разтопен електролит; неговата плътност е по-малка от плътността на анодната сплав и по-висока от плътността на чистия рафиниран (катод) алуминий, разположен над електролита (горен, трети течен слой).

По време на анодното разтваряне всички примеси, по-електроположителни от алуминия (Fe, Si, Ti, Cu и др.) остават в анодната сплав, без да преминават в електролита. Анодно ще се разтваря само алуминият, който преминава в електролита под формата на йони Al3+: Al – 3e → Al3+.

По време на електролизата алуминиевите йони се прехвърлят към катода, където се разреждат: Al3+ + 3e → Al. В резултат на това върху катода се натрупва слой от разтопен рафиниран алуминий.

Ако в анодната сплав присъстват примеси, по-електроотрицателни от алуминия (например Ba, Na, Mg, Ca), тогава те могат да бъдат електрохимично разтворени върху анода заедно с алуминия и да преминат в електролита под формата на йони. Тъй като съдържанието на електроотрицателни примеси в суровия алуминий е ниско, те не се натрупват в значително количество в електролита. Изхвърлянето на тези йони на катода практически не се случва, тъй като тяхното електроден потенциалпо-електроотрицателен от алуминия.

Като електролит при електролитното рафиниране на алуминий в Съветския съюз и в повечето страни се използва флуоридно-хлориден електролит, чийто състав е 55-60% BaCl2, 35-40% AlF4 + NaF и 0-4% NaCl . Моларното съотношение на NaF:AlF3 поддържа 1,5-2,0; точка на топене на електролита 720-730°C; температурата на процеса на електролиза е около 800°C; плътност на електролита 2,7 g/cm3.

Анодната сплав се приготвя от първичен алуминий и чиста мед (99,90-99,95% Cu), която се въвежда в метала в количество 30-40%. Плътността на течната анодна сплав от този състав е 3-3,5 g/cm3; плътността на чистия разтопен катоден алуминий е 2,3 g/cm3. С това съотношение на плътностите се създават необходимите условия за добро разделяне на трите разтопени слоя.

В кватернерната система Al-Cu-Fe-Si, към която принадлежи анодната сплав, се образува евтектика с точка на топене 520°C. Чрез охлаждане на анодна сплав, съдържаща примеси от желязо и силиций в количества над евтектичните концентрации, е възможно да се отделят желязо и силиций в твърда фаза под формата на интерметални съединения FeSiAl5 и Cu2FeAl7. Тъй като температурата на анодната сплав в джобовете на клетката е с 30-40°C по-ниска от температурата на анодната сплав в работното пространство на банята, в тях ще се отделят твърди интерметални отлагания (като желязо и силиций се натрупват в анода сплав). Чрез периодично отстраняване на тези утайки анодната сплав се почиства (без подновяване) от примеси на желязо и силиций. Тъй като галият е концентриран в анодната сплав, утайките, извлечени от електролизатора (30-40 kg на 1 тон алуминий), могат да служат като източник за получаване на този метал.

За електролитно рафиниране се използват електролизери, които по конструкция наподобяват електролизери с изпечени аноди за електролитно производство на първичен алуминий, но имат различно свързване на полюсите: огнището служи като анод и горния ределектроди - катод. Съвременните електролизери за електролитно рафиниране на алуминий са проектирани за токове до 75 kA.

Ефективността на електрохимичния ток, изчислена от метала, излят от електролизатора, е 97-98%. Действителният токов изход, изчислен по количеството търговски метал, е 92-96%.

Основният фактор, който намалява ефективността на тока, в допълнение към загубите на постоянен ток поради изхвърлянето на повече електроотрицателни йони, загубите на метал поради неговото окисляване и механичните загуби на алуминий, е работата на електролизерите с освобождаване на некачествен метал, която отново се връща в анодната сплав за последващо рафиниране. Тези периоди на работа на електролитните клетки протичат при пускане на електролизерите и нарушения на технологичния режим.

Електролитното рафиниране на алуминия е много енергоемък процес. Консумацията на електроенергия в променлив ток, включително енергията, изразходвана за приготвянето на електролита и анодната сплав, работата на вентилационни устройства и превозни средства, както и загубите за преобразуване на променлив ток в постоянен ток, е 18,5-21,0 хиляди kW ּ h за 1 тон алуминий. Енергийната ефективност на рафиниращите електролизери не надвишава 5-7%, т.е. 93-95% от енергията се изразходва под формата на топлинни загуби, освободени главно в електролитния слой (приблизително 80-85% от общата вложена топлина) . Следователно, основните начини за по-нататъшно намаляване на специфичната консумация на енергия за електролитно рафиниране на алуминий са подобряване на топлоизолацията на електролизатора (особено горната част на конструкцията) и намаляване на електролитния слой (намаляване на междуелектродното разстояние).

Чистота на алуминия, рафиниран по трислоен метод, 99,995%; определя се от разликата с петте основни примеса – желязо, силиций, мед, цинк и титан. Полученото количество метал от този клас може да бъде 45-48% от общата продукция (без смесването му с по-ниски марки).

Все пак трябва да се отбележи, че електролитно рафинираният алуминий съдържа по-малко примеси от други метали, което намалява абсолютната чистота на такъв алуминий. Радиоактивационният анализ дава възможност да се открият до 30 примеса в електролитно рафиниран алуминий, чието общо съдържание е приблизително 60 ּ 10–4%. Следователно чистотата на рафинирания алуминий в разлика с тези примеси е 99,994%.

В допълнение към примесите, предвидени от GOST (виж Таблица 1.1), най-често срещаната марка (A99) на електролитно рафиниран алуминий съдържа,%: Cr 0,00016; V 0,0001; Ga 0,0006; Pb 0,002; Sn 0,00005; около 0,002-0,003; Na 0,001-0,008; Mn 0,001-0,007; Mg 0,001-0,007; Като<0,0001; Sb<0,00002; Bi<0,00001; Cd<0,000001; S 0,0007.

Един от източниците на замърсяване на катодния алуминий са графитните проводници, съдържащи желязо и силициев оксид и постоянно в контакт с рафиниран алуминий. Ако ток се прилага към катоден алуминий директно от алуминиеви шини и се използва инструмент, изработен от много чист графит, е възможно да се получи метал с чистота 99,999% чрез разлика с откриваемите примеси (Fe, Si, Cu, Zn и Ti ). Този метал съдържа средно, %: Si 0,0002; Fe 0,00032; Cu 0,0002; Zn 0,0002 и Ti 0,00005. Въпреки това, поради технически трудности, този метод за доставка на ток все още не е намерил широко промишлено приложение.

Получаване на алуминий с висока чистота

Алуминият с висока чистота (клас А999) може да се получи по три начина: зоново топене, дестилация чрез субхалиди и електролиза на органоалуминиеви съединения. От горните методи за производство на алуминий с висока чистота, методът на зоново топене е получил практическо приложение в СССР.

Принципът на зоново топене се състои в многократно преминаване на стопената зона по протежение на алуминиевия слитък. Според коефициентите на разпределение K=Stv/Szh (където Stv е концентрацията на примеси в твърдата фаза и Cf - в течната фаза), които до голяма степен определят ефективността на пречистването от примеси, тези примеси могат да бъдат разделени на три групи. Първата група включва примеси, които понижават точката на топене на алуминия; те имат к<1, при зонной плавке концентрируются в расплавленной зоне и переносятся ею к конечной части слитка. К числу этих примесей принадлежат Ga, Sn, Be, Sb, Ca, Th, Fe, Co, Ni, Ce, Te, Ba, Pt, Au, Bi, Pb, Cd, In, Na, Mg, Cu, Si, Ge, Zn. Ко второй группе принадлежат примеси, повышающие темпера­туру плавления алюминия; они характеризуют­ся К>1 и при зоново топене се концентрират в твърдата (начална) част на слитъка. Тези примеси включват Nb, Ta, Cr, Ti, Mo, V. Третата група включва примеси с коефициент на разпределение, много близък до единицата (Mn, Sc). Тези примеси практически не се отстраняват по време на зоновото топене на алуминия.

Алуминият, предназначен за зоново топене, се подлага на известна подготовка, която се състои от филтриране, дегазиране и мариноване. Филтрирането е необходимо, за да се отстрани от алуминия огнеупорен и издръжлив оксиден филм, диспергиран в метала. Алуминият, присъстващ в разтопения алуминий, може да създаде центрове на кристализация по време на неговото втвърдяване, което води до производството на поликристален слитък и нарушаване на ефекта от преразпределение на примесите между твърдия метал и стопената зона. Алуминият се филтрира във вакуум (остатъчно налягане 0,1-0,4 Pa) през отвор в дъното на графитния тигел с диаметър 1,5-2 mm. Предварително дегазиране на алуминия преди зоново топене (също нагряване във вакуум) се извършва, за да се предотврати разпръскване на метала по време на зоново топене в случай на процес, който се извършва във висок вакуум. Последният етап от подготовката на алуминия за зоново топене е ецването на повърхността му със смес от концентрирана солна и азотна киселини.

Тъй като алуминият има значителна химическа активност и особено чистият графит се използва като основен материал за контейнери (лодки), зоналното топене на алуминия се извършва във вакуум или в атмосфера на инертен газ (аргон, хелий).

Зонното топене във вакуум осигурява висока чистота на алуминия поради изпаряването на някои примеси по време на вакуумиране (магнезий, цинк, кадмий, алкални и алкалоземни метали), а също така изключва замърсяването на пречистения метал с примеси в резултат на използването на защитни инертни газове. Зонното топене на алуминий във вакуум може да се извърши с непрекъснато евакуиране на кварцова тръба, където е поставена графитна лодка със слитък алуминий, както и в запечатани кварцови ампули, от които предварително се евакуира въздух до остатъчно налягане от приблизително 1 ּ 10–3 Pa.

За да се създаде стопена зона върху алуминиев блок по време на топенето му в зоната, може да се приложи нагряване с помощта на малки съпротивителни пещи или високочестотни токове. Захранването на електрически съпротивителни пещи не изисква сложно оборудване, пещите са лесни за работа. Единственият недостатък на този метод на нагряване е малкото напречно сечение на алуминиевия слитък, който се почиства.

Индукционното нагряване с високочестотни токове е идеален начин за създаване на стопена зона върху слитък в зона на топене. Методът на високочестотно нагряване (освен факта, че позволява зоново топене на слитъци с големи разрези) има важното предимство, че разтопеният метал непрекъснато се смесва в зоната; това улеснява дифузията на примесните атоми от фронта на кристализация в дълбочината на стопилката.

За първи път промишленото производство на алуминий с висока чистота чрез зоново топене е овладяно във Волховския алуминиев завод през 1965 г. с помощта на установката UZPI-3, разработена от VAMI. Тази инсталация беше оборудвана с четири индукционно нагрявани кварцови реторти, с подвижни индуктори и неподвижни метални контейнери. Производителността му е 20 кг метал на цикъл на почистване. Впоследствие е създадена по-високопроизводителна изцяло метална инсталация UZPI-4 и пусната в търговска експлоатация през 1972 г. в Волховския алуминиев завод.

Ефективността на пречистването на алуминия по време на зоново топене може да се характеризира със следните данни. Ако общото съдържание на примеси в електролитно рафинирания алуминий е (30÷60) ּ 10–4%, то след зоново топене то намалява до (2,8÷3,2) ּ 10–4%, т.е. за 15–20 веднъж. Това съответства на остатъчното електрическо съпротивление на алуминия ρ ○ (при температура на течен хелий 4,2 K) съответно (20÷40) ּ 10–10 и (1,8÷2,1) ּ 10–10 или чистота 99,997-99,994 и 9999. %. В табл. 1.4 (виж по-долу) показва данните от радиоактивационния анализ за съдържанието на някои примеси в зоново пречистен и електролитно рафиниран алуминий. Тези данни показват силно намаляване на съдържанието на повечето примеси, въпреки че примеси като манган и скандий практически не се отстраняват по време на зоновото топене.

През последните години VAMI разработи и изпробва в индустриални условия технология за производство на алуминий с чистота 99,9999% по метода на каскадно зоново топене. Същността на метода на каскадно зоново топене е, че пречистването на оригиналния алуминий с чистота A999 се извършва чрез последователно повтаряне на циклите (каскадите) на зоновата лента. В този случай изходният материал на всяка следваща каскада е средната, най-чиста част от слитъка, получена в резултат на предишния цикъл на почистване.

За да се получи метал с чистота 99,9999%, е достатъчно да се извършат две каскади на зоново топене. По-нататъшно увеличаване на броя на етапите не повишава чистотата на алуминия, въпреки че увеличава общия добив на метал с чистота от 99,9999%.

Друг възможен процес за получаване на алуминий с висока чистота е неговата дестилация чрез субхалиди, по-специално чрез алуминиев субфлуорид.

Налягането на наситените пари на металния алуминий не е достатъчно високо, за да се извърши неговата директна дестилация при практически приемливи скорости. Въпреки това, когато се нагрява във вакуум (при 1000–1050°C) с AlF3, алуминият образува силно летлив субфлуорид AlF, който се дестилира в студената зона (800°C), където отново се разлага (диспропорционира) с отделянето на чист алуминий.

Възможността за дълбоко пречистване на алуминия от примеси се дължи главно на факта, че вероятността от образуване на алуминиеви подсъединения е много по-голяма от вероятността за образуване на примесни подсъединения.

Съдържанието на примеси в алуминия, дестилиран през субфлуорид, е обратно пропорционално на масата на получените блокове. В блокове с тегло 1,5-1,7 kg общото съдържание на примеси (Si, Fe, Cu, Mg) е 11 ּ 10–4%, а съдържанието на газове е 0,007 cm3 / 100 g. Специфично остатъчно съпротивление (ρ ○) при температурата на течен хелий за такъв метал е (1,7 ÷ 2,0) ּ 10–10 Ω ּ см. Дестилацията на алуминий чрез субфлуорид има редица недостатъци (относително ниска производителност, недостатъчно дълбоко пречистване от магнезий и др.), така че методът не е получил индустриално развитие.

Разработени са и методи за получаване на алуминий с висока чистота чрез електролиза на сложни органоалуминиеви съединения, които се различават по състава на електролита. Например в Германия се използва метод за електролиза на 50% разтвор на NaF ּ 2Al (C2H5)3 в толуен. Рафинирането се извършва при 100°C, напрежение на клетката 1,0-1,5 V и плътност на тока 0,3-0,5 A/dm2 с помощта на алуминиеви електроди. Токова ефективност на катода 99%. Електрохимичното рафиниране в органоалуминиеви електролити значително намалява съдържанието на манган и скандий, които практически не се отстраняват при почистване на зоната. Недостатъците на този метод са неговата ниска производителност и висока опасност от пожар.

За по-дълбоко пречистване на алуминия и получаване на метал с чистота 99,99999% или повече може да се използва комбинация от горните методи: електролиза на алуминиеви органични съединения или сублимация през субфлуорид, последвано от зоново топене на получения алуминий. Например, чрез многократно зоново пречистване на алуминий, получен чрез електролиза на органоалуминиеви съединения, е възможно да се получи метал с висока чистота със съдържание на примеси ×10–9%: Fe 50; Si<500; Cu 10; Mg 30; Mn 5; Ti <500; Cr 20; Zn <50; Co <1; Ag <5; Sb <1 и Se 3.

Приложение

Комбинацията от физични, механични и химични свойства на алуминия определя широкото му приложение в почти всички области на техниката, особено под формата на неговите сплави с други метали. В електротехниката алуминият успешно замества медта, особено при производството на масивни проводници, например във въздушни линии, високоволтови кабели, шини на разпределителни устройства, трансформатори (електрическата проводимост на алуминия достига 65,5% от електрическата проводимост на медта и той е повече от три пъти по-лек от медта; с напречно сечение, което осигурява същата проводимост, масата на алуминиевите проводници е половината от тази на медните проводници). Свръхчистият алуминий се използва при производството на електрически кондензатори и токоизправители, чиято работа се основава на способността на филма от алуминиев оксид да предава електрически ток само в една посока. Свръхчистият алуминий, пречистен чрез зоново топене, се използва за синтеза на полупроводникови съединения тип AIII BV, използвани за производството на полупроводникови устройства. Чистият алуминий се използва при производството на различни видове рефлекторни огледала. Високочистият алуминий се използва за защита на метални повърхности от атмосферна корозия (обшивка, алуминиева боя). С относително ниско напречно сечение на абсорбция на неутрони, алуминият се използва като структурен материал в ядрените реактори.

Алуминиеви резервоари с голям капацитет съхраняват и транспортират течни газове (метан, кислород, водород и др.), азотна и оцетна киселини, чиста вода, водороден прекис и хранителни масла. Алуминият се използва широко в оборудването и апаратите за хранително-вкусовата промишленост, за опаковане на храни (под формата на фолио), за производството на различни домакински продукти. Рязко се е увеличило потреблението на алуминий за декорация на сгради, архитектурни, транспортни и спортни съоръжения.

В металургията алуминият (в допълнение към сплавите на негова основа) е една от най-разпространените легиращи добавки в сплави на базата на Cu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Алуминият се използва и за деоксидиране на стоманата преди изливането й във форма, както и в процесите на получаване на определени метали по алуминотермичния метод. На базата на алуминий, SAP (синтерован алуминиев прах) е създаден чрез прахова металургия, който има висока устойчивост на топлина при температури над 300 ° C.

Алуминият се използва при производството на взривни вещества (амонал, алумотол). Широко се използват различни алуминиеви съединения.
Производството и потреблението на алуминий непрекъснато нараства, като значително изпреварва производството на стомана, мед, олово и цинк по отношение на темповете на растеж.
Да, авторът е прав, всичко е много просто ...

Отгледа друг...
P.S. - късмет..