Как се произвежда алуминият в металургията? Индустриално производство на алуминий

Министерство на образованието и науката Руска федерация

Магнитогорски държавен технически университет

тях. Носова

Катедра Черна металургия

Реферат по дисциплината "История на металургията"

МЕТАЛУРГИЯ АЛУМИНИЙ

анотация

Разглежда се темата "Алуминиева металургия", описват се основните свойства на този метал. Накратко е описана историята на откриването на алуминия, възможните начини за неговото производство и приложение в различни индустрии.

Въведение

1. Свойства на алуминия

2. Приложение на алуминий

3. Суровини

4. Производство на алуминий

5. Електролитно производство на алуминий

6. Рафиниране на алуминий

Заключение

Списък на използваната литература

Въведение

Думата "металургия" идва от гръцки:

metalleuо - копая, добивам от земята;

metallurgeo - добивам руда, обработвам метали;

metallon - мина, метал.

Тази дума означава областта на науката и технологиите, обхващаща обработката на руди, добити от недрата, получаване на метали и сплави, придаване на определени свойства.

В древни времена, през Средновековието и сравнително наскоро, до времето на М. В. Ломоносов, се смяташе, че има 7 метала (злато, сребро, мед, калай, олово, желязо, живак).

През 1814 г. шведският химик Й. Берцелиус предлага използването на азбучни знаци, които се използват от целия свят, с редки изключения.

Днес повече от 80 метала са известни на науката, повечето от тях се използват в технологиите.

В световната практика има разделение на металите на черни (желязо и сплави на негова основа) и всички останали - цветни (Non-ferrous metals, английски; Nichtei-senmetalle, немски) или цветни метали. Металургията често се разделя на черна и цветна металургия. В момента черните метали представляват около 95% от всички метални продукти, произведени в света.

В технологията се приема и условна класификация, според която цветните метали се разделят на „леки“ (алуминий, магнезий), „тежки“ (мед, олово и др.), Огнеупорни (волфрам, молибден и др.) , благородни (злато, платина и др.) и др.), редки метали.

Делът на продуктите, произведени от черни и цветни метали, в момента е 72-74% от брутния национален продукт на държавата. Може да се твърди, че металите в XXI век. ще останат основните структурни материали, тъй като техните свойства, производствена ефективност и потребление са несравними в повечето области на приложение.

От ~ 800 милиона тона консумирани метали, ~ 750 милиона тона са стомана, 20-22 милиона тона са алуминий, 8-10 милиона тона са мед, 5-6 милиона тона са цинк, 4-5 милиона тона са олово (останалите -< 1 млн. т).

От най-ценните и важни за съвременните технологии метали само няколко се намират в земната кора в големи количества: алуминий (8,8%), желязо (4,65%), магнезий (2,1%), титан (0,63%).

Рудни находища на леки метали обикновено включват руди, съдържащи алуминий; основният доставчик на алуминий са боксити, както и алунити, нефелини и различни глини. Рудните находища на цветни метали включват находища на мед, олово и цинк, кобалт, никел, антимон. Запасите от метали в най-големите от тях достигат от десетки до стотици милиони тона, като обичайното съдържание на метали в рудата е няколко процента.

Масата на извлечените материали е многократно по-голяма от количеството метали, съдържащи се в рудата, и в по-голямата част от случаите не е икономически изгодно директно извличане на полезни компоненти от естествени руди.

Археологическите разкопки показват, че запознаването на човека с металите датира от времена, много далечни от нас. Смята се, че първите бронзови продукти са получени 3 хиляди години пр. н. е. чрез редукционно топене на смес от медни и калаени руди с дървени въглища. Много по-късно бронзът започва да се произвежда чрез добавяне на калай и други метали (алуминий, берилий, силициев никел и др.) към медта. В момента най-разпространени са алуминиевите бронзи (5-12% Al) с добавки на желязо, манган и никел.

В момента металургичното производство е едно от приоритетни секториНационална икономика.

1. СВОЙСТВА НА АЛУМИНИЯ

Алуминият е получен за първи път от датския физик Х. Оерстед през 1825 г. Името на този елемент идва от латинското alumen, както в древността са наричали стипцата, която е била използвана за боядисване на тъкани.

Алуминият има много ценни свойства: ниска плътност - около 2,7 g / cm 3, висока топлопроводимост - около 300 W / (m. K) и висока електрическа проводимост от 13,8. 10 7 Ohm/m, добра пластичност и достатъчна механична якост.

Алуминият образува сплави с много елементи. В разтопено състояние алуминият е течен и запълва добре формите; в твърдо състояние той е добре деформиран и може лесно да се реже, запоява и заварява.

Афинитетът на алуминия към кислорода е много висок. По време на окисляването му се отделя голямо количество топлина (~ 1670000 J / mol). Фино смлян алуминий се запалва при нагряване и гори във въздуха. Алуминият се свързва с кислорода във въздуха и при атмосферни условия. В този случай алуминият е покрит с тънък (~ 0,0002 mm дебелина) плътен филм от алуминиев оксид, който го предпазва от по-нататъшно окисляване; следователно алуминият е устойчив на корозия. Повърхността на алуминия предпазва добре от окисляване на този филм дори в разтопено състояние.

От алуминиевите сплави най-голямо значение имат дуралуминият и силумините.

Съставът на дуралуминий, в допълнение към алуминия, включва 3,4-4% Cu, 0,5% Mn и 0,5% Mg, разрешени са не повече от 0,8% Fe и 0,8% Si. Дуралуминият е добре деформиран и по свой начин механични свойстваблизо до някои марки стомана, въпреки че е 2,7 пъти по-лек от стоманата (плътността на дуралуминия е 2,85 g / cm 3).

Механичните свойства на тази сплав се повишават след термична обработка и студена деформация. Якостта на опън нараства от 147-216 MPa до 353-412 MPa, а твърдостта по Бринел от 490-588 до 880-980 MPa. В този случай относителното удължение на сплавта почти не се променя и остава доста високо (18-24%).

Силумините са лети сплави на алуминий със силиций. Имат добри леярски качества и механични свойства.

Съдържанието на статията

АЛУМИНИЕВА ИНДУСТРИЯ.През 1854 г. А. Девил изобретява първия практически метод промишлено производствоалуминий. Растежът на производството е особено бърз по време и след Втората световна война. Производството на първичен алуминий (с изключение на производството на Съветския съюз) възлиза само на 620 хиляди тона през 1939 г., но се увеличава до 1,9 милиона тона през 1943 г. До 1956 г. в целия свят са произведени 3,4 милиона тона първичен алуминий; през 1965 г. световното производство на алуминий възлиза на 5,4 милиона тона, през 1980 г. - 16,1 милиона тона, през 1990 г. - 18 милиона тона.

Производството на алуминий включва три основни етапа: добив и преработка на руда; получаване на чист алуминиев оксид (алуминиев оксид) от руда; възстановяване на алуминий от оксид чрез електролиза.

Добив и обогатяване на руда.

Основната алуминиева руда - боксит - се добива главно в кариери; Най-големите производители на боксит са Австралия, Гвинея, Ямайка и Бразилия. Обикновено рудният слой се взривява, за да се образува работна платформа на дълбочина до 20 m, след което се избира. Парчетата руда се раздробяват и сортират с помощта на сита и класификатори. Натрошената руда се обогатява допълнително и отпадъците (хвост) се изхвърлят. На този етап от процеса е икономично да се използват методи за промиване и пресяване, които използват разликата в плътността между рудата и отпадъчната скала, за да ги отделят една от друга. По-малко плътната отпадъчна скала се отнася от промивната вода и концентратът се утаява на дъното на обогатителната инсталация.

Процес на Байер.

Процесът за производство на чист алуминиев оксид включва нагряване на боксит със сода каустик, филтриране, утаяване на алуминиевия хидроксид и калцинирането му, за да се изолира чист алуминиев оксид. На практика рудата се смесва с точното количество гореща сода каустик в автоклав от мека стомана и сместа се изпомпва през серия от стоманени съдове с парна риза. Налягането на парата от 1,4–3,5 MPa се поддържа в съдовете за период от 40 минути до няколко часа, докато завърши преходът на алуминиев оксид от боксит към разтвор на натриев алуминат в прегрята течност. След охлаждане твърдата утайка се отделя от течността. Течността се прецежда; резултатът е свръхнаситен разтвор на чист алуминат. Този разтвор е метастабилен: алуминатният йон се разлага до образуване на алуминиев хидроксид. Добавянето на кристален алуминиев хидроксид, останал от предишния цикъл, към разтвора ускорява разлагането. След това сухите кристали от алуминиев хидроксид се калцинират, за да се отдели водата. Полученият безводен двуалуминиев оксид е подходящ за използване в процеса на Hall-Heroult. По икономически причини индустрията се стреми да направи тези процеси възможно най-продължителни.

Електролиза на Хол-Еру.

Последният етап от производството на алуминий включва неговата електролитна редукция от чист алуминиев оксид, получен в процеса на Байер. Този метод за извличане на алуминий се основава на факта (открит от Хол и Еру), че когато алуминиевият оксид се разтвори в разтопен криолит, алуминият се освобождава по време на електролизата на разтвора. Типична клетка на Hall-Heroult е баня от разтопен криолит 3NaF H AlF 3 (Na 3 AlF 6) - двоен натриев и алуминиев флуорид, в който е разтворен 3-5% алуминиев оксид - плаващ върху подложка от разтопен алуминий. Стоманени пръти, преминаващи през огнище с въглеродна плоча, се използват за захранване на катода, докато окачени въглищни пръти, потопени в разтопен криолит, служат като аноди. Работната температура на процеса е близо до 950°C, което е много по-високо от температурата на топене на алуминия. Температурата в електролизната вана се контролира чрез промяна на междината между анодите и катодния метален приемник, върху който се отлага разтопен алуминий. Използват се усъвършенствани системи за контрол за поддържане на оптимална температура и концентрация на алуминиев оксид в съвременните съдове. Производството на алуминий изразходва много електроенергия, така че енергийната ефективност на процеса е основен проблем в алуминиевата индустрия. Електродните реакции са редукцията на алуминия от неговия оксид и окисляването на въглерода до неговия оксид и диоксид при анодите. Една пещ произвежда до 2,2 тона алуминий на ден. Металът се източва веднъж на ден (или по-рядко), след което се флюсира и дегазира в рефлекторна пещ за съхранение и се излива във форми.

Възобновяеми електроди на Soderberg.

В клетката на Hall-Heroult въглеродните аноди се консумират със скорост от 2,5 cm/ден, така че често са необходими нови аноди. За да се елиминира честата човешка намеса в производството, беше разработен процес с използване на възобновяем електрод Soederberg. Анодът на Содерберг се формира непрекъснато и се синтерова в камера за редуциране на паста - смес от 70% смлян кокс и 30% свързващо вещество от смола. Тази смес е опакована в правоъгълна обвивка от стоманена ламарина, отворена в двата края и разположена вертикално над разтопената баня вътре в пещта. Тъй като анодът се изразходва, в горния отвор на корпуса се добавя паста. Докато коксово-катранената смес се спуска и нагрява, тя се спича в твърд въглероден прът, преди да достигне работната зона.

консумация на алуминий.

Около 28% от произведения алуминий се използва за производство на кутии за напитки, опаковки за храни и всякакъв вид опаковки. Други 17% се използват в превозни средства, включително самолети, военно оборудване, железопътни пътнически вагони и автомобили. Около 16% се използват в строителни конструкции. Приблизително 8% се използват в електропроводи за високо напрежение и други електрически устройства, 7% в потребителски продукти като хладилници, климатици, перални машини и мебели. 6% се изразходват за нуждите на машиностроенето и промишленото оборудване. Останалата част от консумирания алуминий се използва в производството на телевизионни антени, пигменти и бои, космически кораби и кораби.

За първи път металният алуминий е получен химически от немския химик Ф. Вьолер през 1821 г. (чрез редукция от алуминиев хлорид с метален калий при нагряване). През 1854 г. френският учен Сен-Клер Девил предлага електрохимичен метод за производство на алуминий чрез редуциране на алуминиево-натриев двоен хлорид с натрий.

Производство и производство на алуминий

Металният алуминий се получава на три етапа:

Получаване на алуминиев оксид (Al 2 O 3) от алуминиеви руди;
Получаване на алуминий от алуминий;
рафиниране на алуминий.

Получаване на алуминиев оксид

Около 95% от целия двуалуминиев оксид се получава от бокситни руди.

Боксит(Френски боксит) (по името на района Baux в южната част на Франция) - алуминиева руда, състояща се от алуминиеви хидроксиди, оксиди на желязо и силиций, суровини за производството на алуминиев оксид и огнеупорни материали, съдържащи алуминий. Съдържанието на алуминиев оксид в търговските боксити варира от 40% до 60% и повече. Използва се и като флюс в черната металургия.

Снимка 1 - Бокситна руда

Обикновено бокситът е земна, подобна на глина маса, която може да има ивична, пизолитна (подобна на грах) или еднородна текстура. При нормални атмосферни условия фелдшпатите (минерали, които изграждат по-голямата част от земната кора и са алумосиликати) се разлагат, за да образуват глини, но при горещ климат и висока влажност бокситите могат да бъдат крайният продукт на тяхното разлагане, тъй като такава среда благоприятства отстраняването от алкали и силициев диоксид, особено от сиенити или габро. Бокситите се преработват в алуминий на етапи: първо се получава алуминиев оксид (алуминиев оксид), а след това метален алуминий (електролитно в присъствието на криолит).

Основните примеси в бокситите са Fe 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 . Малките примеси на бокситите включват: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, редкоземни елементи, Cr, P, V, F, органични вещества.

Обикновено бокситите се класифицират:

по цвят;
по основния минерал (по-често се смесват);
според възрастта.

Основни критерии качествата на алуминиевата руда са:

Силициев модул (Msi = Al 2 O 3 /SiO 2 (% тегл.)). Колкото по-голям е силициевият модул, толкова по-добро е качеството (Msi = 7);
Съдържание на желязо по отношение на Fe 2 O 3 . Ако съдържанието на Fe 2 O 3 е около 18 тегл.%, тогава бокситът се счита за високо съдържание на желязо. Колкото по-голямо е съдържанието на желязо, толкова по-трудно е да се добива боксит;
Съдържание на сяра. Наличието на голямо количество сяра усложнява обработката на боксит;
Съдържанието на карбонати по отношение на CO 3 (2-) . Наличието на голямо количество карбонати усложнява преработката на боксит.

Използват се боксити:

в производството на алуминиев оксид;
в производството на абразивни материали;
в производството на огнеупорни материали;
като флюс за топене на мартенова стомана;
за изсушаване на газове и почистване на масло от сяра;
като багрило.

Към днешна дата основните доставчици на боксит са:

Австралия - има и огромни залежи на Fe, Au, U, Ni, Co, Cu и др. По-изгодно е да купувате суровини от Австралия, отколкото да преработвате свои собствени.
Гвинея - Русия има няколко закупени места.
Централна Америка: Гвиана, Ямайка, Суриман.
Бразилия.

В Европа всички залежи са изчерпани. Бокситите се доставят от Гърция, но тази суровина е с лошо качество.

Фигура 2 - Запаси от боксит в света

По-долу са основните находища на алуминиеви руди в Русия.

Първото находище е открито през 1914 г. близо до Санкт Петербург, близо до град Тихвин. На това находище са построени 6 завода. Най-големият е Волховският алуминиев завод. Към днешна дата находището Тихвинское е изчерпано и работи главно с вносни суровини.
През 1931 г. е открито уникалното Северо-Уралское находище на висококачествен боксит (СУБР). Той послужи като основа за изграждането през 1939 г. на Уралския алуминиев завод (УАЗ). И на базата на бокситната мина Южен Урал (YUBR) е построен Богословският алуминиев завод (BAZ).
Североонежското поле се намира по пътя към Колския полуостров. Има го в плана, но датата на построяване е неизвестна.
Висловското находище е чисто глинено находище от типа на каолита. Не се използва за алуминий.
Тиманское поле (Република Коми, Варкута). Канадците се интересуват от това поле, така че планират да строят заводи (Komi Sual е холдингова компания).

Получаване на алуминиев оксид от бокситни руди

Тъй като алуминият е амфотерен, алуминият се произвежда по три начина:

алкален,
киселина;
електролитен.

Най-разпространеният е алкалният метод (методът на K. I. Bayer, разработен в Русия в края на предишния век и използван за обработка на висококачествени боксити с малко количество (до 5-6%) силициев диоксид). Оттогава техническите му характеристики са значително подобрени. Схемата за производство на алуминиев оксид по метода на Байер е показана на фигура 3.

Фигура 3 - Схема за получаване на алуминиев оксид по метода на Байер

Същността на метода е, че алуминиевите разтвори бързо се разпадат, когато в тях се въведе алуминиев хидроксид, а разтворът, останал от разлагането след изпаряването му при условия на интензивно смесване при 169–170 ° C, може отново да разтвори алуминиевия оксид, съдържащ се в бокситите. Този метод се състои от следните основни операции:

1. Приготвяне на боксит, което се състои в неговото раздробяване и смилане в мелници; мелниците са снабдени с боксит, каустик и малко количество вар, което подобрява отделянето на Al 2 O 3 ; получената целулоза се подава за излугване;

2. Излужване на боксит (напоследък използваните досега кръгли автоклавни блокове са частично заменени от тръбни автоклави, в които излугването се извършва при температури 230–250 ° C (500–520 K), което се състои в химичното му разлагане от взаимодействие с воден разтвор алкали; 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;

SiO 2 +2NaOH→Na 2 SiO 3 +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, докато температурата се понижава със 100 ° C;

3. Отделяне на алуминатен разтвор от червена кал, обикновено се извършва чрез промиване в специални сгъстители; в резултат на това червената кал се утаява, а 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 на 1 тон произведен двуалуминиев оксид се падат 0,6 - 1,0 тона червена кал (сух остатък);

4. Разлагане на алуминатния разтвор. Филтрира се и се изпомпва в големи контейнери с бъркалки (разлагатели). 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 растежът на кристали от алуминиев хидроксид са от голямо значение по време на по-нататъшната му обработка, голямо количество твърд хидроксид се добавя към разлагащите вещества - семена:

Na2O Al2O3 + 4H2O→Al(OH)3 + 2NaOH;

5. Разпределяне на алуминиев хидроксид и неговата класификация; това се случва в хидроциклони и вакуумни филтри, където утайка, съдържаща 50 - 60% частици Al(OH) 3, се отделя от алуминатния разтвор. Значителна част от хидроксида се връща в процеса на разлагане като зародишен материал, който остава в обращение 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 оксид; извършва се в тръбни ротационни пещи, а напоследък и в пещи с турбулентно движение на материала при температура 1150 - 1300 °С; суров алуминиев хидроксид, преминаващ през ротационна пещ, изсушен и дехидратиран; при нагряване се извършват последователно следните структурни трансформации:

Al(OH) 3 → AlOOH → γ-Al 2 O 3 → α-Al 2 O 3

200 °C - 950 °C - 1200 °C.

Крайният калциниран двуалуминиев оксид съдържа 30 - 50% α-Al2O3 (корунд), останалото е γ-Al 2 O 2 .

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

Получаване на алуминий чрез електролиза

Електролитната редукция на алуминиев оксид, разтворен в стопилка на основата на криолит, се извършва при 950–970 °C в електролитна клетка. Клетката се състои от баня, облицована с въглеродни блокове, към дъното на която се подава електрически ток. Течният алуминий, отделен на дъното, служещ като катод, е по-тежък от стопилката на електролитната сол, поради което се събира върху въглищна основа, откъдето периодично се изпомпва (Фигура 4). Отгоре въглеродните аноди са потопени в електролита, които изгарят в атмосферата на кислород, отделен от алуминиев оксид, освобождавайки въглероден оксид (CO) или въглероден диоксид (CO 2). На практика се използват два вида аноди:

самоизпичащи се аноди Zederberg, състоящи се от брикети, така наречените "хлябове" от масата Zederberg (ниско пепелни въглища с 25 - 35% каменовъглен катран), пълнени в алуминиева обвивка; под действието на висока температура анодната маса се изпича (синтерира);
изгорени или "непрекъснати" аноди, направени от големи въглеродни блокове (например 1900 × 600 × 500 mm, тежащи около 1,1 тона).

Фигура 4 - Схема на електролизера

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

Работното напрежение на ваната, което е 4 - 5 V, е много по-високо от напрежението, при което се разлага алуминиевият оксид, тъй като загубите на напрежение в различни части на системата са неизбежни по време на работа. Балансът на суровините и енергията при получаване на 1 тон алуминий е показан на фигура 5.

Снимка 5 - Баланс на суровини и енергия при производството на 1 тон алуминий

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 криолитно-алуминиева стопилка (Al 2 O 3 , Na 3 AlF 6 разтворен в криолит) са: спестяване на до 30% енергия; възможността за използване на алуминиев оксид, който не е подходящ за традиционна електролиза (например Al 2 O 3 с високо съдържание на силиций); замяна на скъпия криолит с по-евтини соли; елиминиране на опасността от отделяне на флуор.

Получаване на рафиниран алуминий

За алуминия не е възможно рафиниране на електролиза с разлагане на водни солеви разтвори. Тъй като за някои цели степента на пречистване на промишления алуминий (Al 99.5 - Al 99.8), получен чрез електролиза на стопилка от криолит-алуминий, е недостатъчна, дори по-чист алуминий (Al 99.99 R) се получава от промишлен алуминий или метални отпадъци чрез рафиниране . Най-известният метод за рафиниране е трислойната електролиза.

Рафиниране чрез трислойна електролиза

Облицована със стоманена ламарина, работеща на постоянен ток (Фигура 6), рафиниращата вана се състои от въглищно огнище с токопроводи и топлоизолираща облицовка от магнезит. За разлика от електролизата на стопилка от криолит-алуминиев оксид, тук анодът обикновено е разтопен рафиниран метал (долен аноден слой). Електролитът се състои от чисти флуориди или смес от бариев хлорид и алуминиев и натриев флуорид (среден слой). Алуминият, който се разтваря от анодния слой в електролита, се отделя над електролита (горния катоден слой). Чистият метал служи като катод. Токът се подава към катодния слой от графитен електрод.

Фигура 6 - Диаграма на електролитна клетка с предно огнище за рафиниране на алуминий (според Fulda - Ginzberg)

1 - алуминиева стопилка; 2 – електролит; 3 - високочестотен рафиниран алуминий; 4 – графитен катод; 5 - стена от магнезит; 6 - преден рог; 7 - изолационен слой; 8 - странична изолация; 9 - въглищно огнище; 10 – аноден проводник; 11 - изолация на огнището; 12 - желязна кутия; 13 - капак

Ваната работи при 750 - 800 ° C, консумацията на енергия е 20 kWh на 1 kg чист алуминий, т.е. малко по-висока, 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 неговото силно зашлаковане. За отстраняване на магнезий шлаките, съдържащи магнезий, се обработват с флюсове или газообразен хлор.

В резултат на рафинирането се получават чист алуминий (99,99%) и продукти на сегрегация (продукт на 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 обезкисляване.

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.

Рафинираният алуминий се преработва в полуготов продукт в определения състав или се легира с магнезий (таблица 1).

Таблица 1 - Химичен състав на алуминий с висока чистота и първичен алуминий съгласно DIN 1712, лист 1

		Допустими примеси*, %
			включително

* Доколкото е възможно да се определи чрез конвенционални методи на изследване.

** Чистият алуминий за електротехниката (алуминиеви проводници) се доставя под формата на първичен алуминий 99,5, съдържащ не повече от 0,03% (Ti + Cr + V + Mn); обозначен в този случай като E-A1, номер на материала 3.0256. В противен случай отговаря на VDE-0202.

Рафиниране чрез органоалуминиеви комплексни съединения и зонно топене

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

Този вид рафинираща електролиза, използван първоначално 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%. Потенциалните области на приложение на метал с такава чистота са криогенната електротехника и електрониката.

Възможно е да се използва разглежданият метод за рафиниране в галванопластиката.

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 полуготов продукт, лист или тел е необходимо, предвид ниската температура на рекристализация на метала, да се вземат специални предпазни мерки. Забележително свойство на рафинирания метал е неговата висока електропроводимост в областта на криогенните температури.

Имоти

Алуминият е елемент от основната подгрупа на третата група от третия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев. Атомен номер 13. Означава се със символа Al (лат. Aluminium). Принадлежи към групата на леките метали.

Най-разпространеният метал и третият най-често срещан химичен елемент в земната кора (след кислорода и силиция). Процентното съдържание на алуминий в земната кора, според различни изследователи, варира от 7,45 до 8,14% от масата на земната кора.

Най-важните минерали, съдържащи алуминий, са:

Корунд - Al 2 O 3

Диаспор (боемит)-AlOOH

Шпинел - Al 2 O 3 MgO

Гибзит -Al(OH) 3

Кианит (андалузит, силимонит) - Al 2 O 3 SiO 2

Каолин - Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O

Основните алуминиеви руди са боксити, нефелини, алунити, каолини и кианити. Съдържанието на алуминиев оксид в търговските боксити варира от 40% до 60% и повече. Използва се и като флюс в черната металургия. Големите находища на боксит в нашата страна включват Тихвинское (Ленинградска област), Северо-Уралское (Свердловска област), Южноуралское (Челябинска област), Тургай и Краснооктябрское (Костанайска област).

Физични свойства

сребристо-бял метал, светлина,

плътност - 2,7 g / cm³,

точка на топене за технически алуминий - 658 °C, за алуминий с висока чистота - 660 °C

специфична топлина на топене - 390 kJ/kg,

точка на кипене - 2500 °C

Твърдост по Бринел - 24…32 kgf/mm²,

висока пластичност: техническа - 35%, чиста - 50%, навита на тънък лист и равномерно фолио

Модул на Юнг - 70 GPa.

Алуминият има висока електрическа проводимост (0,0265 μOhm m) и топлопроводимост (1,24 × 10−3 W/(m K)), 65% от електрическата проводимост на медта и има висока светлоотразителна способност.

слаб парамагнетик

Алуминият образува сплави с почти всички метали. В сплавите алуминият запазва свойствата си. В разтопено състояние алуминият е течен и запълва добре формите; в твърдо състояние той е добре деформиран и може лесно да се реже, запоява и заварява. Най-известните сплави с мед и магнезий (дуралуминий) и силиций (силумин)

Афинитетът на алуминия към кислорода е много висок. По време на окисляването му се отделя голямо количество топлина (~ 1670000 J / mol). Фино смлян алуминий се запалва при нагряване и гори във въздуха. Алуминият се свързва с кислорода във въздуха и при атмосферни условия. В този случай алуминият е покрит с тънък (~ 0,0002 mm дебелина) плътен филм от алуминиев оксид, който го предпазва от по-нататъшно окисляване; следователно алуминият е устойчив на корозия. Повърхността на алуминия е добре защитена от окисление от този филм дори в разтопено състояние.

производство

Основният съвременен метод за производство на алуминий е електролитният метод, който се състои от два етапа. Първият е производството на алуминий (Al 2 O 3) от рудни суровини, а вторият е производството на течен алуминий от алуминий чрез електролиза.

Метод на Байер

Методът на Bayer - метод за извличане на алуминиев оксид от боксит - се основава на излугване, чиято цел е да се разтвори алуминиевият оксид Al 2 O 3, съдържащ се в боксит, като се избягва прехвърлянето на останалите бокситни компоненти (SiO 2 , Fe 2 O 3 и т.н.) в разтвор. Методът се основава на обратима химическа реакция:

Al 2 O 3 н H 2 O + 2NaOH \u003d Na 2 O Al 2 O 3 + (н + 1) Н 2 О

Когато реакцията протича надясно, алуминиевият оксид под формата на натриев алуминат преминава в разтвор и по време на обратния ход на реакцията полученият хидратиран Al 2 O 3 се утаява.

1. Подготовка на боксит за излугване.Бокситът се натрошава и смила до фракции от 0,05-0,15 mm в среда от добавен алкален и алкален циркулиращ разтвор на NaOH, добавя се и малко вар за активиране на излугването.

2. Излугванебоксит, той се състои в химическо разлагане от взаимодействие с воден разтвор на алкали; хидратите на алуминиевия оксид, когато взаимодействат с алкали, преминават в разтвор под формата на натриев алуминат:

AlOOH + NaOH → NaAlO 2 + H2O

Al (OH) 3 + NaOH → NaAlO 2 + 2H 2 O;

SiO 2 + 2NaOH → Na 2 SiO 3 + H 2 O;

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 основа, докато температурата се понижава със 100 °C.

Излужването се извършва в автоклави - съдове под налягане. Продуктът е суспензия от автоклав, състояща се от алуминатен разтвор (съдържащ Na 2 O · Al 2 O 3 ) и утайка (утайка, в която се утаяват останалите бокситни примеси).

3. Отделяне на алуминатен разтвор от червена калобикновено се извършва чрез измиване в специални сгъстители; в резултат на това червената кал се утаява и алуминатният разтвор се оттича и след това се филтрира (избистря) Получената червена кал (оцветена от частици Fe 2 O 3) отива в сметището, утайката съдържа, %: Al 2 O 3 12-18, SiO 2 6-11, Fe 2 O 3 44-50, CaO 8-13.

4. Разлагане на алуминатен разтвор, наричано още разлагане или усукване, се извършва, за да се прехвърли алуминий от разтвор в утайка под формата на Al 2 O 3 · 3 H 2 O, за която горната реакция на излугване е предвидена вляво, към образуването на Al 2 O 3 · 3 H 2 O. За да може тази реакция да продължи наляво, е необходимо да се намали налягането (до атмосферно), да се разреди и охлади разтворът, да се въведат семена (малки кристали от алуминиев хидроксид) и пулп в него, за да се получат достатъчно големи кристали на Al 2 O 3 3 H 2 O се разбърква в продължение на 50-90 часа.Тъй като този процес е бавен и неравномерен и образуването и растежът на кристали от алуминиев хидроксид са от голямо значение при по-нататъшната му обработка, голямо количество твърд хидроксид се добавя към разлагащите - семена:

Na 2 O Al 2 O 3 + 4H 2 O → Al(OH) 3 + 2NaOH;

5. Отделяне на кристали от алуминиев хидроксид от разтвор и класификация на кристалите по размер.След разлагането пулпата влиза в сгъстителите, където хидроксидът се отделя от разтвора. Полученият хидроксид в хидросепаратори се разделя на фракция с размер на частиците 40-100 микрона и фина фракция (с размер на< 40 мкм), которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

6. Дехидратация на алуминиев хидроксид (калциниране); това е крайната операция на производството на алуминиев оксид; 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 ротационна пещ, изсушен и дехидратиран, преминаващ през ротационна пещ, изсушен и дехидратиран; при нагряване се извършват последователно следните структурни трансформации:

Al(OH) 3 → AlOOH→ γ-Al 2 O → α-Al 2 O 3

Крайният калциниран двуалуминиев оксид съдържа 30-50% α-Al 2 O 3 (корунд), останалото е γ-Al 2 O 3 .

Извличането на алуминиев оксид по описания метод на Байер е около 87%. За производството на 1 тон алуминиев оксид, 2,0-2,5 тона боксит, 70-90 кг NaOH, около 120 кг вар, 7-9 тона пара, 160-180 кг мазут (по отношение на конвенционалното гориво) и се консумират около 280 kW.h ел.енергия.

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Федерална агенция за образование

Магнитогорски държавен технически университет

тях. Носова

Катедра Черна металургия

Реферат по дисциплината "История на металургията"

МЕТАЛУРГИЯ АЛУМИНИЙ

анотация

Въведение

1. Свойства на алуминия

2. Приложение на алуминий

3. Суровини

4. Производство на алуминий

5. Електролитно производство на алуминий

6. Рафиниране на алуминий

Заключение

Списък на използваната литература

Въведение

Думата "металургия" идва от гръцки:

metalleuо - копая, добивам от земята;

metallurgeo - добивам руда, обработвам метали;

metallon - мина, метал.

Днес повече от 80 метала са известни на науката, повечето от тях се използват в технологиите.

В световната практика има разделение на металите на черни (желязо и сплави на негова основа) и всички останали - цветни (Non-ferrousmetals, английски; Nichtei-senmetalle, немски) или цветни метали. Металургията често се разделя на черна и цветна металургия. В момента черните метали представляват около 95% от всички метални продукти, произведени в света.

Археологическите разкопки показват, че запознаването на човека с металите датира от времена, много далечни от нас. Смята се, че първите бронзови изделия са получени през 3000 г. пр. н. е. чрез редукционно топене на смес от медни и калаени руди с въглен. Много по-късно бронзът започва да се произвежда чрез добавяне на калай и други метали (алуминий, берилий, силициев никел и др.) към медта. В момента най-разпространени са алуминиевите бронзи (5-12% Al) с добавки на желязо, манган и никел.

В момента металургичното производство е един от приоритетните сектори на националната икономика.

1. СВОЙСТВА НА АЛУМИНИЯ

От алуминиевите сплави най-голямо значение имат дуралуминият и силумините.

Съставът на дуралуминий, в допълнение към алуминия, включва 3,4-4% Cu, 0,5% Mn и 0,5% Mg, разрешени са не повече от 0,8% Fe и 0,8% Si. Дуралуминият е добре деформиран и по своите механични свойства е близо до някои видове стомана, въпреки че е 2,7 пъти по-лек от стоманата (плътността на дуралуминия е 2,85 g / cm 3).

Силумините са лети сплави на алуминий със силиций. Имат добри леярски качества и механични свойства.

2. АЛУМИНИЕВИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Алуминият и сплавите се използват широко в много индустрии, включително авиацията, транспорта, металургията, Хранително-вкусовата промишлености др.. Алуминият и неговите сплави се използват за производство на корпуси на самолети, двигатели, цилиндрови блокове, скоростни кутии, помпи и други части в авиационната, автомобилната и тракторната промишленост, както и съдове за съхранение на химически продукти. Алуминият се използва широко в ежедневието, хранително-вкусовата промишленост, в ядрената енергетика и космическите кораби са направени от алуминий и неговите сплави.

Поради високия химичен афинитет на алуминия към кислорода, той се използва в металургията като дезоксидант, а също и за получаване чрез така наречения алуминотермичен процес на трудни за възстановяване метали (калций, литий и др.).

По общо производство на метали в света алуминият е на второ място след желязото. ,

3. СУРОВИ МАТЕРИАЛИ

Алуминиеви руди. Поради високата химическа активност алуминият се среща в природата само в свързана форма: корунд Al 2 O 3, гибзит Al 2 O 3. 3H 2 O, бемит Al 2 O 3 . H 2 O, кианит 3Al 2 O 3, 2SiO 2, нефелин (Na, K) 2 O. Al2O3. 2SiO 2, каолинит Al 2 O 3, 2SiO 2. 2H 2 O и други. Основните използвани в момента алуминиеви руди са боксити, както и нефелини и алунити.

боксити. Алуминият в бокситите се намира главно под формата на алуминиеви хидроксиди (гибзит, бемит и др.), корунд и каолинт. Химическият състав на боксита е доста сложен. Те често съдържат повече от 40 химични елемента. Съдържанието на алуминиев оксид в тях е 35-60%, силициев диоксид 2-20%, оксид Fe 2 O 3 2-40%, титанов оксид 0,01-10%. Важна характеристикабокситите е съотношението на тегловното им съдържание на Al 2 O 3 към SiO 2 - така нареченият силициев модул.

Големите находища на боксит в нашата страна включват Тихвинское (Ленинградска област), Североуралское (Свердловска област), Южноуралское (Челябинска област), Тургай и Краснооктябрское (Костанайска област).

Нефелините са част от нефелиновите сиенити и уртити. На Колския полуостров се намира голямо находище на уртити. Основните компоненти на уртита са нефелин и апатит 3Ca 3 (PO 4) 2 . CaF2. Те се подлагат на флотационно обогатяване с освобождаване на концентрати от нефелинов апатит. Апатитният концентрат се използва за приготвяне на фосфатни торове, докато нефелиновият концентрат се използва за производство на алуминиев оксид. Нефелиновият концентрат съдържа, %: 20-30 Al 2 O 3, 42-44 SiO 2, 13-14 Na 2 O, 6-7 K 2 O, 3-4 Fe 2 O 3 и 2-3 CaO.

Алунитите са основен алуминиев сулфат и калиев (или натриев) K 2 SO 4 . Al2(SO4)3. 4 Al(OH) 3 . Съдържанието на Al 2 O 3 в тях е ниско (20-22%), но те съдържат други ценни компоненти: серен анхидрид SO 3 (~ 20%) и алкални Na 2 O, K 2 O (4-5%). По този начин те, подобно на нефелините, са сложни суровини.

Други суровини. При производството на алуминиев оксид се използва алкален NaOH, понякога варовик CaCO 3, при електролиза на алуминиев оксид, криолит Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) и малко алуминиев флуорид AlF 3, както и CaF 2 и MgF 2.