Контрольная работа: Технология алюминия

Технология алюминия

Контрольная работа

Технология алюминия

Содержание

1. Руды и минералы

. Производство глинозёма по способу Байера

. Получение глинозёма способом спекания

. Переработка нефелинов

.1 Получение криолита

.2 Физико-химические свойства криолитно- глинозёмных расплавов

.3 Поверхностное натяжение

.4 Напряжение разложения компонентов криолитно-глинозёмного расплава

.5. Катодный и анодный процессы

.6 Анодный эффект

.7 Влияние различных факторов на выход по току

.8 Устройство и работа электролизёра для получения алюминия

.9 Рафинирование алюминия и разливка алюминия

Литература

1. Руды и минералы

Алюминий находится в рудах в виде окисленных минералов, двойных сульфатов и силикатов. Ниже приведены важнейшие рудные минералы алюминия (Таблица 1).

Таблица 1- Основные минералы алюминия

Основной вид рудного сырья представляют собой горные породы, содержащие бемит или диаспор, гидрагиллит или гибсит и небольшие количества корунда и алюмосиликатов. Эти горные породы получили название бокситов. Пустая порода в них представлена гидратированными оксидами железа, различными водными силикатами и карбонатами кальция и магния. Крупные месторождения бокситов находятся в Северном Казахстане (тургайские). Они характеризуются следующим составом (%): Al2O3 - 40-50; SiO2 - 5-15; Fe2O3 - 14-16; TiO2 - 2-3.

Промышленное значение имеют нефелиносодержащие породы. Качество этих руд оценивается соотношением в них Na2O : Al2O3, которое по возможности должно быть близким к единице. В них также должно находиться минимальное количество железа. Иногда нефелин встечается вместе с апатитами [Са10Сl2(F2)(PO4). Апатит отделяют от нефелина флотацией и используют для получения удобрений. Полученный нефелиновый концентрат содержит порядка 30 % Al2O3,20 % ( Na2O+Ka2O) и 44% SiO2

Алуниты содержат изоморфные смеси натриевого и калиевого алунитов и могут служить сырьём для получения глинозёма, поташа и соды и серной кислоты.

В глинах содержится каолинит. Если в глине содержится не менее 30-32 % Al2O3, то она может служить сырьём для получения алюминия.

Высокоглинозёмистые силикаты имеет высокое содержание андалузита, силлиманита и кианита. Эти руды могут быть использованы для получения сплавов алюминия с кремнием - силуминов.

2. Производство глинозёма по способу Байера

Производство глинозёма из алюминиевых руд является первой необходимой стадией получения алюминия. Способы получения глинозёма из разных руд различны. Так из бокситов глинозём получают по способу Байера, который основан на обратимости реакции между гидратированным оксидом алюминия и щёлочью:

Al(OH)3 + NaOH = NaAl(OH)4                                                     (1)

или+ NaOH + H2O = NaAl(OH)4                                        (2)

При нагревании боксита с концентрированной щёлочью гидраргиллит при температуре около 100оС реагирует с последней и образует моноалюминат натрия. Для подобного растворения диаспора и бемита необходима температура 160-200оС. При этом необходимо высокое давление. Поэтому процесс осуществляется в автоклавах, представляющих собой толстостенные стальные сосуды (Рисунок 1)

-стальной толстостенный сосуд; 2- патрубок для подачи пульпы; 3-труба для загрузки автоклава или передачи пульпы в соседний аппарат

Рисунок 1 Автоклав для выщелачивания боксита

В бокситах присутствует кремнезём, как в чистом виде, так и в виде каолинита. Несвязанный кремнезём реагирует с едким натром и переходит в раствор в виде силиката натрия:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O                                                (3)

Силикат натрия взаимодействует с алюминатом натрия с образованием нерастворимого гидроалюмосиликата натрия- пермутита:

2Na2SiO3 + 2NaAl(OH)4 = Na2O·2SiO2·Al2O3∙2H2O +4NaOH (4)

Этот процесс приводит к очистке растворов от SiO2 - их обескремниванию, но влечёт за собой некоторые потери щёлочи и уже растворённого глинозёма с твердым нерастворимым остатком, который называется красным шламом. Для способа Байера характерно совмещение процессов выщелачивания и обескремнивания. Полнота обескремнивания алюминатного раствора характеризуется так называемым кремниевым модулем, представляющим собой отношение

β =                                                                                        (6)

где β - кремниевый модуль;

Al2O3 - содержание глинозёма в алюминатном растворе, %;

SiO2 - содержание кремнезёма в алюминатном растворе, %.

Чем выше кремниевый модуль, тем выше полнота обескремнивания раствора. Процесс обескремнивания в значительной степени протекает не в автоклаве, а вне его при разбавлении концентрированного алюминатного раствора и при отделении красного шлама в сгустителях. К концу выщелачивания в автоклаве кремневое отношение составляет порядка 100-150. Это недостаточно для получения глинозёма нужной чистоты. В процессе разбавления кремниевый модуль увеличивается до 200-250. Высокое содержание SiO2 в растворе нежелательно, так как оно приводит к увеличению потерь глинозёма с красным шламом. Поэтому переработка бокситов с высоким содержанием кремнезёма нецелесообразна.

Содержащиеся в боксите карбонаты кальция и магния также реагируют со щёлочью с образованием соды:

CaCO3 + 2NaOH = Ca(OH)2 + Na2CO3                                      (5)+ 2NaOH = Mg(OH)2 + Na2CO3                                          (6)

Сода накапливается в растворе также за счёт её взаимодействия с углекислым газом воздуха:

NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O                                                    (7)

Поэтому способ Байера мало пригоден для переработки бокситов с высоким содержанием кремнезёма и карбонатов.

На процесс выщелачивания боксита влияет ряд факторов:

продолжительность выщелачивания;

концентрация щелочного раствора;

каустическое отношение алюминатного раствора;

давление (температура) внутри автоклава;

добавка извести;

тонина помола боксита.

Продолжительность выщелачивания боксита определяется опытным путём. Она должна быт таковой, чтобы извлечение глинозёма было достаточно высоким, а обескремнивание алюминатного раствора достаточно полным. Пребывание пульпы в автоклаве обычно составляет 2-2,5 часа.

С повышением концентрации щёлочи в растворе возрастает концентрация глинозёма в алюминатном растворе. Это позволяет сократить объём аппаратуры для выщелачивания и хранения растворов. Однако при повышении концентрации щёлочи ускоряется коррозия аппаратуры и затрудняется отделение красного шлама. На практике обычно используются растворы с концентрацией щёлочи, в пересчёте на Na2O, около 300г/л.

Под каустическим отношением (модулем) понимают молярное отношение концентрации щёлочи, в пересчёте на Na2O, к глинозёму:

αк =                                                                                      (8)

где αк- каустическое отношение (модуль);

Na2O - число молей Na2O в 1 л раствора;

Al2O3 - число молей Al2O3 в1 л пасвора.

Скорость выщелачивания возрастает по мере увеличения каустического модуля оборотного щелочного раствора.

Важную роль играет конечное значение каустического модуля в алюминатных растворах. Снижение его приводит к уменьшению стойкости алюминатного раствора, который склонен к разложению при отстаивании красного шлама в сгустителях. На практике каустическое отношение щелочных растворов, направляемых на выщелачивание боксита, составляет 3,7-3,8, а конечного алюминатного раствора 1,7-1,8.

Незначительная добавка извести (3-5% от массы боксита) повышает извлечение глинозёма.

С увеличением степени измельчения боксита растёт удельная поверхность его контакта с раствором, что будет приводить к повышению скорости процесса выщелачивания.

После выщелачивания пульпа из автоклава поступает на разбавление. Цель разбавления-снижение концентрации алюминатного раствора и увеличение ж : т в пульпе. Разбавление раствора в дальнейшем обеспечивает большую эффективность процесса разложения алюминатного раствора с выделением гидрооксида алюминия, более глубокое обескремнивание раствора и способствует облегчению процесса отстаивания красного шлама.

Разбавленная пульпа направляется на отстаивание, которое осуществляется в сгустителях.

Шламы отделяют от раствора, отстаиванием, фильтрованием и промывкой, а затем отправляют в отвал.

Осветлённый алюминатный раствор подвергают разложению с выделением в осадок кристаллического гидрооксида алюминия. Для этого раствор длительное время перемешивают с заранее введённой затравкой свежеосаждённого гидраргиллита. Этот процесс называют выкручиванием или декомпозицией. Схематически разложение алюминатного раствора с участием затравки можно выразить уравнением:

NaAl(OH)4 + nAl(OH)3 = (n+1)Al(OH)3 + NaOH                        (9)

Процесс осаждения проводится 50-70 часов.

На процесс разложения алюминатного раствора оказывают влияние следующие факторы:

каустическое отношение алюминатного раствора;

концентрация раствора;

температура;

количество и качество затравки;

перемешивание раствора.

При уменьшении каустического модуля процесс разложения алюминатного раствора протекает более интенсивно. На практике каустическое отношение исходных алюминатных растворов поддерживают в пределах 1,6-1,8. За время операции разложения оно увеличивается до 3,8-3,9.

При повышении концентрации глинозема в растворе при одном и тот же каустическим отношением снижается скорость разложения алюминатного раствора. Однако при этом увеличивается абсолютное извлечение глинозёма. Поэтому для каждого каустического отношения существует оптимальная концентрация глинозёма. В практике в процесс выкручивания направляют алюминатные растворы с концентрацией глинозёма 120-125 г/л с каустическим отношением 1,7-1,8.

При понижении температуры до 30-40оС процесс разложения алюминатного раствора значительно увеличивается. Однако при дальнейшем понижении температуры замедляется. Это объясняется повышением вязкости раствора при низких температурах. При температуре выше 40оС процесс замедляется вследствие уменьшения пересыщения раствора. На глинозёмных заводах применяют политермический режим разложения алюминатного раствора. Процесс начинают при температуре выше 40оС и постепенно охлаждают раствор по мере его разложения. Это связано с тем, что при политермическом режиме удаётся поддерживать пресыщенное состояние раствора.

Затравка из Al(OH)3 обеспечивает готовые центры кристаллизации в алюминатном растворе и обеспечивает получение крупных кристаллов Аl(OH)3. Количество затравки характеризуется затравочным числом, которое показывает массовое отношение Al2O3, содержащееся в затравке, к Al2O3 алюминатного раствора. На практике заправочное отношение поддерживается в пределах 1,0-1,5.

Для заправки используется мелкий дисперсный свежеосаждённый из алюминатных растворов Al(OH)3. Такая затравка получила название активной. Частицы такой затравки имеют сильно развитую поверхность и обеспечивают быстрый рост кристаллов осаждаемого из алюминатного раствора Al(OH)3.

Перемешивание раствора в процессе выкручивания поизводят для поддержания затравки во взвешенном состоянии и для выравнивания концентрации алюминатного раствора.

Для разложения алюминатных растворов используют аппараты, называемые декомпозерами. Применяются декомпозеры с механическим и воздушным премешиванием.

Наибольшее распространение получили декомпозеры с воздушным перемешиванием, которые представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 7-8 м и высотой до 30 м с коническим дном (Рисунок 2).

глинозём алюминий электролизёр расплав

-стальной чан с коническим дном; 2-центральная труба; 3,4-трубы для подачи сжатого воздуха; 5-сливной патрубок

Рисунок 2 Декомпозер с воздушным перемешиванием

От 9 до 16 таких аппаратов соединяют последовательно в виде каскада. Раствор перетекает из одного в другой непрерывным потоком. Общая продолжительность пребывания раствора в этой системе составляет до 60 часов. Пульпу Al(OH)3, вытекающую из хвостового декомпозера, направляют в сгустители. Из сгущённого продукта классификацией выделяют наиболее мелкую фракцию кристаллов Al(OH)3, которая служит затравкой, а остальную часть направляют на фильтрацию и промывку. Промытый осадок гидрооксида алюминия направляют на сушку и кальцинацию.

Оборотные растворы, получаемые после процесса выкручивания, направляют на выпарку и каустификацию соды.

Удаление избыточной влаги из осадка гидрооксида алюминия осуществляется в выпарных аппаратах. (Рисунок 3)

Рисунок 3 Выпарной аппарат

Выпарные аппараты соединяют в последовательную трёх- четырёхкорпусную систему работающую под разряжением. В системе осуществляется противоточное движение: пар движется навстречу раствору. Первый аппарат обогревается свежим паром, а остальные вторичным (соковым) паром. При охлаждении выпаренного раствора из него выпадают кристаллы соды Na2CO3·H2O, которая накопилась в результате взаимодействия щёлочи с углекислым газом воздуха и карбонатами, находящимися в боксите. Кристаллы соды отфильтровывают и превращают их в NaOH нагреванием в мешалках с известковым молоком.

Na2CO3 +Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3                                       (10)

Осадок карбоната кальция отфильтровывают и направляют в отвал. Раствор щёлочи упаривают, фильтруют и направляют в голову процесса на приготовление сырой пульпы.

Завершающей операцией процесса Байера является операция кальцинации гидрооксида алюминия. Кальцинация необходима для удаления гидратной влаги из Al(OH)3 и получения безводного глинозёма Al2O3. Процесс кальцинации осуществляют при температурах 1150-1200оС. При кальцинации гидратная влага удаляется в два приёма.

При температуре 225оС из молекулы Al(OH)3 удаляется две молекулы воды:

2Al(OH)3 = 2AlOOH + 2H2O                                                                 (11)

илиO3·3H2O = Al2O3·H2O + 2H2O                                                      (12)

При температуре 500 оС удаляется последняя влага:

2AlOOH = γ·Al2O3 + H2O                                                            (13)

илиO3·H2O = γ·Al2O3 + 2H2O                                                    (12)

γ·Al2O3 обладает большой гигроскопичностью, поэтому его нагревают до 1200 оС, при которой протекает превращение:

γ·Al2O3 = α·Al2O3                                                                        (13)

Эта температура является обычной для процесса кальцинации, так как обеспечивает не только полное удаление гидратной влаги, но и достаточную негигроскопичность продукта при его длительном хранении. Не весь глинозём превращают в α-модификацию. В прокалённом глинозёме содержится порядка 15 - 25% α·Al2O3, а остальное - γ·Al2O3. Это связано с тем, что глинозём α·Al2O3 снижает скорость растворения в расплавленном электролите алюминиевой ванны.