ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

2.         ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энергетики и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов.

Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.).

По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место после железа. [2], [1]

3.           СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая – это получение глинозема (Al₂O₃) из рудного сырья и вторая – получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Руды алюминия. Вследствие высокой химической активности алюминий встречается в природе только в связанном виде: корунд Al₂O₃, гиббсит Al₂O₃^. 3H₂O, бемит Al₂O₃^. H₂O , кианит 3Al₂O₃ ^, 2SiO₂, нефелин (Na, K)₂O ^. Al₂O₃ ^. 2SiO₂, каолинит Al₂O₃^, 2SiO₂ ^. 2H₂O и другие. Основными используемыми в настоящее время алюминиевыми рудами являются бокситы, а также нефелины и алуниты.

Бокситы. Алюминий в бокситах находится главным образом в виде гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита и др.), корунда и каолинта. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35-60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe₂O₃ 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al₂O₃ к SiO₂ по массе – так называемый кремневый модуль.

К числу крупных месторождений бокситов в нашей стране относится Тихвинское (Ленинградская область), Североуральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябинская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область).

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита – нефелин и апатит 3Ca₃(PO₄)₂ ^. CaF₂. Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приго товления фосфорных удобрений, а нефелиновый – для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит , %: 20-30 Al₂O₃, 42-44 SiO₂, 13-14 Na₂O, 6-7 K₂O, 3-4 Fe₂O₃ и 2-3 CaO.

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K₂SO₄^. Al₂( SO₄)₃^. 4 Al(OH)₃. Содержание Al₂O₃ в них невысокое (20-22%), но в них находится другие ценные составляющие: серный ангидрид SO₃ (~ 20%) и щелочь Na₂O ^, K₂O (4-5%). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы. При производстве глинозема применяют щелочь NaOH, иногда известняк CaCO₃, при электролизе глинозема криолит Na₃AlF₆ (3NaF ^. AlF₃) и немного фтористого алюминия AlF₃, а также Ca F₂ и MgF₂. [2]

4.              ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА

За рубежом практически весь глинозем получают из бокситов в основном способом Байера (К.И.Байер – австрийский инженер, работавший в России), на отечественных заводах глинозем получают из бокситов способом Байера и из бокситов и нефелинов способом спекания. Оба эти способа относятся к щелочным методам выделения глинозема из руд. Способ Байера экономически целесообразно использовать для переработки бокситов с небольшим содержанием SiO₂ (с кремниевым модулем Al₂O₃/SiO₂ более 5-7), поскольку при росте количества SiO₂ все больше Al₂O₃ и используемой в процессе щелочи теряются из-за образования химического соединения Na₂O ^. Al₂O₃^. 2SiO₂^. 2H₂O.

Для переработки бокситов с кремниевым модулем менее 5-7 более экономичным является способ спекания. В связи с истощением богатых глиноземом месторождений боксита и вовлечением в производство более бедных бокситов, доля способа Байера в производстве глинозема снижается и возрастает доля способа спекания.

Способ Байера

Способ Байера – способ выделения глинозема из боксита – основан на выщелачивании, цель которого растворить содержащийся в боксите оксид алюминия, избежав перевода в раствор остальных составляющих боксита. В основе способа лежит обратимая химическая реакция:

Al₂O₃ ^, nH₂O +2 NaOH = Na₂O ^. Al₂O₃ + (n + 1)H₂O

При протекании реакции вправо глинозем в виде алюмината натрия переходит в раствор, а при обратном течении реакции образующийся гидротированный Al₂O₃, выпадает в осадок.

1. Подготовка боксита к выщелачиванию. Боксит дробят и размалывают до фракций размером 0,05 – 0,15 мм в среде добавляемой щелочи и оборотного раствора щелочи добавляют также немного извести, активизирующей выщелачивание.

2. Выщелачивание. Полученную при помоле пульпу направляют на выщелачивание. Для полного протекания приведенной выше реакции вправо (образования алюмината натрия) необходимы щелочная среда, высокое давление (~ 3МПа), нагрев пульпы до 100 – 240⁰C (в зависимости от сорта боксита) и ее длительное (около 2ч) перемешивание. Такие условия обеспечиваются в автоклавах – сосудах, работающих под давлением. Применяемые автоклавы представляют собой (рис. 2) стальной цилиндрический сосуд диаметром 1,6 – 2,5 и высотой 13,5 – 17,5 м. Давление в автоклаве 2,5 – 3,3 МПа, пульпу подают сверху, снизу через патрубок 2 с барботером 3 – пар, который нагревает и перемешивает ее. Из автоклава пульпа выдавливается через трубу 1.

Пульпу обычно пропускают через батарею из 6 – 10 последовательно установленных автоклавов, где в течение ~ 2 ч содержащийся в пульпе в виде Al₂O₃ ^, H₂O, Al₂O₃ ^, 3H₂O и Al₂O₃ глинозем реагирует со щелочью (реакция приведена выше), переходя в Na₂O ^. Al₂O₃. В первый автоклав пульпу падают насосом, предварительно подогрев до ~ 150⁰ С, из последнего автоклава пульпа попадает в два автоклава-испарителя, в которых давление снижается до атмосферного. Продуктом является автоклавная пульпа, состоящая из алюминатного раствора (содержащего Na₂O ^. Al₂O₃) и шлама (осадка, в который выпадают остальные примеси боксита).

3. Разделение алюминатного раствора и шлама после разбавления пульпы водой производят в сгустителях (отстойниках) – сосудах диаметром 15 – 50 м, на дне которых оседает шлам, а через верх сливается отстоявшийся алюминатный раствор. Его дополнительно пропускают через фильтры и направляют на следующую операцию - декомпозицию. Получаемый красный шлам (окраску ему придают частицы F₂O₃) идет в отвал, шлам содержит, %:

Al₂O₃ 12-18, SiO₂ 6-1, F₂O₃ 44-50, CaO. 8-13

4. Разложение алюминатного раствора, называемое декомпозицией или выкручиванием проводят с целью перевести алюминий из раствора в осадок в виде Al₂O₃ ^, 3H₂O, для чего обеспечивают течение приведенной выше реакции выщелачивания влево, в сторону образования Al₂O₃ ^, 3H₂O. Чтобы указанная реакция шла влево, необходимо понизить давление, разбавить и охладить раствор, ввести в него затравки и пульпу для получения достаточного крупных кристаллов Al₂O₃ ^, 3H₂O перемешивать в течении 50-90 ч.

Этот процесс осуществляют в серии установленных последовательно и соединенных перепускными сифонами декомпозеров, через которые последовательно проходит пульпа. В серии устанавливают 10-11 декомпозеров с механическим перемешиванием или 16-28 декомпозеров с воздушным перемешиванием пульпы.

5. Отделение кристаллов гидроксида алюминия от раствора и классификация кристаллов по крупности. После декомпозиции пульпа поступает в сгустители, где гидроксид отделяют от раствора. Полученный гидроксид в гидросепараторах разделяют на фракцию с размером частиц 40-100 мкм и мелкую фракцию, которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

6. Кальцинацию или обезвоживание гидроксида алюминия осуществляют в футерованных шамотом трубчатых вращающихся печах диаметром 2,5-5 и длиной 35-110 м, отапливаемых природным газом или мазутом. Гидроксид медленно перемешается вдоль вращающегося барабана навстречу потоку 200-300 ⁰С в месте загрузки до ~ 1200 ⁰С вблизи горелки у идет реакция: Al₂O₃ ^, 3H₂O = Al₂O₃ + ^,3H₂O, заканчивающаяся при 900 ⁰С. Продуктом является глинозем Al₂O₃ (порошок белого цвета).

Извлечение глинозема при использовании описанного способа Байера составляет около 87%. [2], [3]

Способ спекания

Способ применяют для получения глинозема из высококремнистых бокситов с кремниевым модулем менее 5-7 и из нефелиновых руд; способ пригоден также для переработки любого алюминиевого сырья.

Сущность способа заключается в получении твердых алюминатов путем их спекания при высоких (~ 1300 ⁰С) температурах и в последующем выщелачивании полученного спека.

Получение глинозема из бокситов. Основные стадии этого процесса следующие.

Подготовка к спеканию. Боксит и известняк после дробления измельчают в мельницах в среде оборотного содового раствора с добавкой свежей соды, получая пульпу с влажностью 40%.

Спекание ведут в отапливаемых трубчатых вращающихся печах диаметром до 5 и длиной до 185 м. Температура в печи повышается от 200 -300⁰С в месте подачи пульпы до ~ 1300⁰С в разгрузочном конце у горелки. При нагреве оксид алюминия превращается в водорастворимый алюминат натрия:

Al₂O₃ + Na₂CO₃ = Na₂O ^. Al₂O₃ + CO,

а кремнезем связывается в малорастворимые силикаты: SiO₂ + 2CaO = 2CaO ^. SiO₂. С содой реагирует также боксита, образуя Na₂O ^. Fe₂O₃. Эти химические соединения спекаются, образуя частично оплавленные куски – спек.

После обжиговой печи спек охлаждают в холодильниках, дробят до крупности 6 -8 мм и направляют на выщелачивание.

Выщелачивание ведут горячей водой проточным методом в аппаратах различной конструкции: диффузорах (цилиндрических сосудах, куда порциями загружают и выгружают спек), в конвейерных выщелачивателях и др. Наиболее совершенными являются трубчатые выщелачиватели непрерывного действия (рис.3). Загружаемый через бункер 1 в сосуд высотой 26 м спек благодаря непрерывной выгрузке секторными разгружателями 2 движется вниз и промывается встречным потоком воды. В воде растворяется алюминат натрия, вода разлагает феррит натрия Na₂O ^. Fe₂O₃ и Fe₂O₃ выпадает в осадок. Продуктами выщелачивания являются алюминатный раствор и красный шлам, содержащий Fe₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, CaO . В алюминатный раствор переходит немного кремнезема в виде гидросиликатов, в связи с чем раствор подвергают обескремниванию.

Обескремнивание алюминатного раствора осуществляют в батарее автоклавов длительной (~ 2,5 ч) выдержкой при температуре 150 - 170⁰ С. В этих условиях вырастают кристаллы нерастворимого в воде соединения Na₂O ^. Al₂O₃^. 2SiO₂ ^, 2H₂O (иногда к раствору добавляют известь, в этом случае образуются кристаллы CaO ^, Al₂O₃^. 2SiO₂ ^, 2H₂O). Из автоклавов выходит пульпа, состоящая из алюминатного раствора и осадка – белого шлама. Далее раствор отделяют от белого шлама путем сгущения и фильтрации. Белый шлам идет в шихту для спекания, а раствор направляют на карбонизацию.

Карбонизацию проводят с целью выделения алюминия в осадок Al₂O₃^. 3H₂O (карбонизация заменяет декомпозицию в способе Байера). Карбонизацию осуществляют в сосудах цилиндрической или цилиндроконической формы объемом до 800 м³ пропусканием через раствор отходящих газов спекательных печей, содержащих 10 -14% CO₂. Газы перемешивают раствор, а разлагает алюминат натрия:

Na₂O ^. Al₂O₃ + CO₂ + 3H₂O = Al₂O₃^. 3H₂O + Na₂CO₃

и гидроксид алюминия выпадает в осадок.

Далее проводят те же технологические операции, что и в способе Байера: отделение Al₂O₃^. 3H₂O от раствора и кальцинацию – обезвоживание гидроксида алюминия прокаливанием в трубчатых печах с получением глинозема Al₂O₃.

Примерный расход материалов на получение 1 т глинозема, т: боксита 3,2 – 3,6; известняка 1,35; извести 0,025; кальцинированной соды 0,19; условного топлива 1,1 – 1,2; электроэнергии ~800 кВт т.

Получение глинозема из нефелинов. Нефелиновый концентрат или руду и известняк после дробления размалывают в водной среде, получая пульпу для спекания. В связи с наличием в составе нефелина щелочей не требуется добавок в шихту соды.

Спекание производят в отапливаемых трубчатых вращающихся печах диаметром 3 – 5 и длиной до 190 м; пульпу заливают в печь со стороны газов, где температура равна 200 – 300⁰ С, а в разгрузочном конце она достигает 1300⁰ С. В процессе нагрева нефелин взаимодействует с известняком:

(Na, K)₂O.Al₂O₃^. 2SiO₂ + 4 CaCO₃ = (Na, K)₂O ^. Al₂O₃ + 2(2CaO ^. SiO₂) + 4CO₂

В результате этой реакции входящие в состав нефелина Na₂O и K₂O обеспечивают перевод глинозема в водорастворимые алюминаты, а CaO связывает кремнезем в малорастворимый двухкальциевый силикат. Получаемый спек охлаждают в холодильниках и дробят.

Выщелачивание нефелинового спека совмещают с его размолом и проводят в шаровых или стержневых мельницах в среде горячей воды со щелочным раствором, получаемым после карбонизации. В процессе выщелачивания алюминаты растворяются в воде и остается известково-кремнистый шлам, который идет на производство цемента.

Обескремнивание алюминатного раствора проходит в две стадии. Первую проводят в автоклавах в течении 1,5-2 ч при температуре 150-170 ⁰С; при этом в осадок выпадают содержащие кремнезем алюмосиликаты, этот осадок идет а шихту для спекания.

Вторую часть алюминатного раствора дополнительно обескремнивают в мешалках с добавкой извести при ~ 95 ⁰С в течении 1,5-2 ч. При этом в осадок выпадает известковосиликатный шлам и обеспечивается глубокое обескремнивание алюминатного раствора. Затем этот раствор подвергают кальцинации, получая в осадке гидроксид алюминия и глубоко обескремненный содовый раствор, из которого далее в содовом цехе получают поташ (K₂ CO₃) и кальцинированную соду (Na₂CO₃); глубокое обескремнивание необходимо для получения этих товарных продуктов.

Кальцинация. Гидроксид алюминия после обеих ветвей переработки алюминатного раствора подвергают промывке и фильтрации и затем направляют на кальцинацию (обезвоживание), которую проводят так же, как в способе Байера, получая глинозем.

Примерный расход материалов на получении 1т глинозема из нефелинов, т: нефелина 4; известняка 7; извести 0,1; условного топлива 1,5; электроэнергии ~ 1000 кВт ^, ч. При этом получают около 1 т содопродуктов и до 10 т цемента. [2]