Hvordan produseres aluminium i metallurgi? Industriell aluminiumproduksjon

Kunnskapsdepartementet Den russiske føderasjonen

Magnitogorsk statlige tekniske universitet

dem. Nosova

Institutt for jernmetallurgi

Abstrakt om faget "History of metallurgy"

METALLURGISK ALUMINIUM

merknad

Emnet "Aluminiummetallurgi" vurderes, hovedegenskapene til dette metallet er beskrevet. Historien om oppdagelsen av aluminium, mulige måter å produsere det på og anvendelse i ulike bransjer er kort beskrevet.

Introduksjon

1. Egenskaper av aluminium

2. Påføring av aluminium

3. Råvarer

4. Alumina produksjon

5. Elektrolytisk produksjon av aluminium

6. Aluminiumraffinering

Konklusjon

Liste over brukt litteratur

Introduksjon

Ordet "metallurgi" kommer fra gresk:

metalleu® - jeg graver, jeg miner fra jorden;

metallurgeo - jeg utvinner malm, behandler metaller;

metallon - mine, metall.

Dette ordet betyr feltet for vitenskap og teknologi, som dekker bearbeiding av malm utvunnet fra tarmene, skaffe metaller og legeringer, noe som gir dem visse egenskaper.

I antikken, i middelalderen og relativt nylig, frem til M.V. Lomonosovs tid, ble det antatt at det var 7 metaller (gull, sølv, kobber, tinn, bly, jern, kvikksølv).

I 1814 foreslo den svenske kjemikeren J. Berzelius å bruke alfabetiske tegn som brukes av hele verden, med sjeldne unntak.

I dag er mer enn 80 metaller kjent for vitenskapen, de fleste av dem brukes i teknologi.

I verdenspraksis er det en inndeling av metaller i jernholdige (jern og legeringer basert på det) og alle de andre - ikke-jernholdige (ikke-jernholdige metaller, engelsk; Nichtei-senmetalle, tysk) eller ikke-jernholdige metaller. Metallurgi deles ofte inn i jernholdige og ikke-jernholdige. For tiden utgjør jernholdige metaller omtrent 95 % av alle metallprodukter som produseres i verden.

I teknologi er det også tatt i bruk en betinget klassifisering, ifølge hvilken ikke-jernholdige metaller er delt inn i "lette" (aluminium, magnesium), "tunge" (kobber, bly, etc.), ildfaste (wolfram, molybden, etc.) , edle (gull, platina, etc.) etc.), sjeldne metaller.

Andelen produkter produsert ved bruk av jernholdige og ikke-jernholdige metaller er i dag 72-74 % av statens bruttonasjonalprodukt. Det kan hevdes at metaller i XXI århundre. vil forbli de viktigste strukturelle materialene, siden deres egenskaper, produksjonseffektivitet og forbruk er uovertruffen i de fleste bruksområder.

Av ~ 800 millioner tonn forbrukte metaller, ~ 750 millioner tonn er stål, 20-22 millioner tonn er aluminium, 8-10 millioner tonn er kobber, 5-6 millioner tonn er sink, 4-5 millioner tonn er bly (resten -< 1 млн. т).

Av de mest verdifulle og viktige metallene for moderne teknologi finnes bare noen få i jordskorpen i store mengder: aluminium (8,8 %), jern (4,65 %), magnesium (2,1 %), titan (0,63 %).

Malmforekomster av lettmetaller inkluderer vanligvis malm som inneholder aluminium; hovedleverandøren av aluminium er bauxitter, samt alunitter, nefeliner og ulike leire. Malmforekomstene av ikke-jernholdige metaller inkluderer forekomster av kobber, bly og sink, kobolt, nikkel, antimon. Reservene av metaller i den største av dem når fra titalls til hundrevis av millioner tonn, med det vanlige innholdet av metaller i malmen - noen få prosent.

Massen av utvunnete materialer er mange ganger større enn mengden metaller som finnes i malmen, og i de aller fleste tilfeller er det ikke økonomisk lønnsomt å direkte utvinne nyttige komponenter fra naturlige malmer.

Arkeologiske utgravninger tyder på at menneskets bekjentskap med metaller går tilbake til tider svært fjernt fra oss. Det antas at de første bronseproduktene ble oppnådd 3 tusen år f.Kr. ved en reduksjonssmelteblanding av kobber- og tinnmalm med kull. Mye senere begynte man å produsere bronse ved å tilsette tinn og andre metaller (aluminium, beryllium, silisiumnikkel, etc.) til kobber. For tiden er aluminiumsbronse (5-12 % Al) med tilsetning av jern, mangan og nikkel de vanligste.

For tiden er metallurgisk produksjon en av de prioriterte sektorer Nasjonal økonomi.

1. EGENSKAPER AV ALUMINIUM

Aluminium ble først oppnådd av den danske fysikeren H. Oersted i 1825. Navnet på dette grunnstoffet kommer fra det latinske alumen, som alun ble kalt i antikken, som ble brukt til farging av stoffer.

Aluminium har mange verdifulle egenskaper: lav tetthet - ca 2,7 g / cm 3, høy termisk ledningsevne - ca 300 W / (m. K) og høy elektrisk ledningsevne på 13,8. 10 7 Ohm/m, god duktilitet og tilstrekkelig mekanisk styrke.

Aluminium danner legeringer med mange elementer. I smeltet tilstand er aluminium flytende og fyller formene godt, i fast tilstand er det godt deformert og kan enkelt kuttes, loddes og sveises.

Affiniteten til aluminium for oksygen er svært høy. Under oksidasjonen frigjøres en stor mengde varme (~ 1670000 J / mol). Finmalt aluminium antennes ved oppvarming og brenner i luft. Aluminium kombineres med oksygen i luften og under atmosfæriske forhold. I dette tilfellet er aluminium dekket med en tynn (~ 0,0002 mm tykk) tett film av aluminiumoksid, som beskytter den mot ytterligere oksidasjon; derfor er aluminium motstandsdyktig mot korrosjon. Overflaten av aluminiumsbrønn beskytter mot oksidasjon av denne filmen selv i smeltet tilstand.

Av aluminiumslegeringer er duralumin og siluminer av størst betydning.

Sammensetningen av duralumin inkluderer, i tillegg til aluminium, 3,4-4% Cu, 0,5% Mn og 0,5% Mg, ikke mer enn 0,8% Fe og 0,8% Si er tillatt. Duralumin er godt deformert og på sin egen måte mekaniske egenskaper nær noen stålkvaliteter, selv om det er 2,7 ganger lettere enn stål (tettheten til duralumin er 2,85 g / cm 3).

De mekaniske egenskapene til denne legeringen øker etter varmebehandling og kalddeformasjon. Strekkfastheten øker fra 147-216 MPa til 353-412 MPa, og Brinell-hardheten fra 490-588 til 880-980 MPa. I dette tilfellet endres den relative forlengelsen av legeringen nesten ikke og forblir ganske høy (18-24%).

Siluminer er støpte legeringer av aluminium med silisium. De har gode støpeegenskaper og mekaniske egenskaper.

Innholdet i artikkelen

ALUMINIUMSINDUSTRI. I 1854 oppfant A. Deville den første praktiske metoden industriell produksjon aluminium. Produksjonsveksten var spesielt rask under og etter andre verdenskrig. Produksjonen av primæraluminium (unntatt produksjonen av Sovjetunionen) utgjorde bare 620 tusen tonn i 1939, men økte til 1,9 millioner tonn i 1943. I 1956 ble det produsert 3,4 millioner tonn primæraluminium over hele verden; i 1965 utgjorde verdens aluminiumsproduksjon 5,4 millioner tonn, i 1980 - 16,1 millioner tonn, i 1990 - 18 millioner tonn.

Aluminiumsproduksjon omfatter tre hovedtrinn: gruvedrift og prosessering av malm; oppnå rent aluminiumoksyd (aluminiumoksyd) fra malm; gjenvinning av aluminium fra oksid ved elektrolyse.

Utvinning og anrikning av malm.

Den viktigste aluminiummalmen - bauxitt - utvinnes hovedsakelig i steinbrudd; De største produsentene av bauxitt er Australia, Guinea, Jamaica og Brasil. Vanligvis eksploderes malmlaget for å danne en arbeidsplattform på en dybde på opptil 20 m, og velges deretter. Malmbiter knuses og sorteres ved hjelp av sikter og klassifiserere. Den knuste malmen anrikes ytterligere og gråberg (avgang) kastes. På dette stadiet av prosessen er det økonomisk å bruke vaske- og siktemetoder som bruker forskjellen i tetthet mellom malmen og gråberget for å skille dem fra hverandre. Det mindre tette gråberget føres bort av vaskevannet, og kraftfôret legger seg på bunnen av konsentrasjonsanlegget.

Bayer-prosessen.

Prosessen for å produsere ren alumina involverer oppvarming av bauxitt med kaustisk soda, filtrering, utfelling av aluminahydroksidet og kalsinering for å isolere ren alumina. I praksis blandes malmen med riktig mengde varm kaustisk soda i en autoklav av bløtt stål og blandingen pumpes gjennom en serie med dampkappede stålbeholdere. Damptrykket på 1,4–3,5 MPa opprettholdes i karene i en periode på 40 minutter til flere timer, inntil overgangen av aluminiumoksid fra bauxitt til en løsning av natriumaluminat i en overopphetet væske er fullført. Etter avkjøling separeres det faste bunnfallet fra væsken. Væsken filtreres; resultatet er en overmettet ren aluminatløsning. Denne løsningen er metastabil: aluminationet brytes ned og danner aluminiumhydroksid. Tilsetningen av krystallinsk aluminiumhydroksid som er igjen fra forrige syklus til løsningen akselererer nedbrytningen. De tørre aluminiumhydroksidkrystallene blir deretter kalsinert for å separere vannet. Den resulterende vannfrie alumina er egnet for bruk i Hall-Heroult-prosessen. Av økonomiske årsaker har industrien en tendens til å gjøre disse prosessene så kontinuerlige som mulig.

Hall-Eru elektrolyse.

Den siste fasen av aluminiumproduksjonen innebærer elektrolytisk reduksjon fra ren aluminiumoksyd oppnådd i Bayer-prosessen. Denne metoden for å ekstrahere aluminium er basert på det faktum (oppdaget av Hall og Eru) at når aluminiumoksyd oppløses i smeltet kryolitt, frigjøres aluminium under elektrolysen av løsningen. En typisk Hall-Heroult-celle er et bad av smeltet kryolitt 3NaF H AlF 3 (Na 3 AlF 6) - dobbel natrium- og aluminiumfluorid, der 3-5% alumina er oppløst - flytende på en pute av smeltet aluminium. Stålstenger som går gjennom en karbonplateild brukes til å energisere katoden, mens suspenderte kullstenger nedsenket i smeltet kryolitt tjener som anoder. Driftstemperaturen til prosessen er nær 950°C, som er mye høyere enn smeltetemperaturen til aluminium. Temperaturen i elektrolysebadet kontrolleres ved å endre gapet mellom anodene og katodemetallmottakeren, som smeltet aluminium er avsatt på. Sofistikerte kontrollsystemer brukes for å opprettholde den optimale temperaturen og aluminakonsentrasjonen i moderne gryter. Produksjonen av aluminium bruker mye strøm, så energieffektiviteten til prosessen er et stort problem i aluminiumsindustrien. Elektrodereaksjoner er reduksjon av aluminium fra oksid og oksidasjon av karbon til oksid og dioksid ved anodene. En ovn produserer opptil 2,2 tonn aluminium per dag. Metallet tappes en gang om dagen (eller sjeldnere), deretter flusses det og avgasses i en reflekterende lagringsovn og helles i former.

Fornybare Soderberg-elektroder.

I Hall-Heroult-cellen forbrukes karbonanoder med en hastighet på 2,5 cm/dag, slik at det ofte er behov for nye anoder. For å eliminere hyppige menneskelige inngrep i produksjonen, ble det utviklet en prosess med en fornybar Soederberg-elektrode. Soderberg-anoden er kontinuerlig formet og sintret i et pastareduksjonskammer - en blanding av 70 % malt koks og 30 % harpiksbindemiddel. Denne blandingen er pakket inn i et rektangulært stålplate, åpent i begge ender og plassert vertikalt over smeltebadet inne i ovnen. Når anoden forbrukes, tilsettes pasta til den øvre åpningen av skallet. Når koks-tjæreblandingen faller ned og varmes opp, sinter den til en hard karbonstang før den når arbeidsområdet.

forbruk av aluminium.

Omtrent 28 % av aluminiumet som produseres brukes til å lage bokser til drikke, matemballasje og all slags emballasje. Ytterligere 17 % brukes i kjøretøy, inkludert fly, militært utstyr, jernbanepassasjerbiler og biler. Omtrent 16 % brukes i bygningskonstruksjoner. Omtrent 8 % brukes i høyspentledninger og andre elektriske enheter, 7 % i forbrukerprodukter som kjøleskap, klimaanlegg, vaskemaskiner og møbler. 6 % brukes på behovene til maskinteknikk og industrielt utstyr. Resten av det forbrukte aluminiumet brukes til produksjon av fjernsynsantenner, pigmenter og maling, romfartøy og skip.

For første gang ble metallisk aluminium oppnådd kjemisk av den tyske kjemikeren F. Wöhler i 1821 (ved reduksjon fra aluminiumklorid med metallisk kalium ved oppvarming). I 1854 foreslo den franske forskeren Saint-Clair Deville en elektrokjemisk metode for å produsere aluminium ved å redusere aluminium-natrium dobbeltklorid med natrium.

Produksjon og produksjon av aluminium

Metallisk aluminium oppnås i tre trinn:

Innhenting av aluminiumoksyd (Al 2 O 3) fra aluminiummalm;
Innhenting av aluminium fra alumina;
raffinering av aluminium.

Får alumina

Omtrent 95 % av all alumina er hentet fra bauxittmalm.

Bauksitt(fransk bauxitt) (etter navnet på området Baux i Sør-Frankrike) - aluminiummalm, bestående av aluminiumhydroksider, oksider av jern og silisium, råvarer for produksjon av alumina og aluminaholdige ildfaste materialer. Innholdet av alumina i kommersielle bauxitter varierer fra 40 % til 60 % og mer. Det brukes også som flussmiddel i jernmetallurgi.

Bilde 1 - Bauksittmalm

Vanligvis er bauxitt en jordaktig, leirlignende masse som kan ha en båndet, pisolitt (ertelignende) eller jevn tekstur. Under normale værforhold brytes feltspat (mineraler som utgjør mesteparten av jordskorpen og er aluminosilikater) ned for å danne leire, men i varmt klima og høy luftfuktighet kan bauxitter være sluttproduktet av nedbrytningen, siden et slikt miljø favoriserer fjerning av alkalier og silika, spesielt fra syenitter eller gabbro. Bauksitter blir behandlet til aluminium i trinn: først oppnås aluminiumoksid (aluminiumoksid), og deretter metallisk aluminium (elektrolytisk i nærvær av kryolitt).

De viktigste urenhetene i bauxitter er Fe 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 . Små urenheter av bauxitter inkluderer: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, sjeldne jordartsmetaller, Cr, P, V, F, organiske stoffer.

Vanligvis er bauxitter klassifisert:

etter farge;
av hovedmineralet (oftere er de blandet);
i henhold til alderen.

Hovedkriterier kvaliteter av aluminium malm er:

Silisiummodul (Msi = Al 2 O 3 / SiO 2 (% vekt)). Jo større silisiummodul, jo bedre kvalitet (Msi = 7);
Jerninnhold i form av Fe 2 O 3 . Hvis innholdet av Fe 2 O 3 er ca. 18 vekt-%, regnes bauxitt som høyt jern. Jo større jerninnhold desto vanskeligere er det å utvinne bauxitt;
Svovelinnhold. Tilstedeværelsen av en stor mengde svovel kompliserer behandlingen av bauxitt;
Innholdet av karbonater i form av CO 3 (2-) . Tilstedeværelsen av en stor mengde karbonater kompliserer behandlingen av bauxitt.

Bauksitter brukes:

i produksjon av alumina;
i produksjon av slipende materialer;
i produksjon av ildfaste materialer;
som flussmiddel for smelting av stål med åpen ild;
for tørking av gasser og rensing av olje fra svovel;
som et fargestoff.

Til dags dato er hovedleverandørene av bauxitt:

Australia - det er også store forekomster av Fe, Au, U, Ni, Co, Cu, etc. Det er mer lønnsomt å kjøpe råvarer fra Australia enn å behandle sine egne.
Guinea – Russland har flere kjøpte seter.
Mellom-Amerika: Guyana, Jamaica, Suriman.
Brasil.

I Europa er alle innskudd oppbrukt. Bauksitt leveres fra Hellas, men denne råvaren er av dårlig kvalitet.

Figur 2 - Reserver av bauxitt i verden

Nedenfor er de viktigste forekomstene av aluminiummalm i Russland.

Den første forekomsten ble oppdaget i 1914 nær St. Petersburg, nær byen Tikhvin. 6 anlegg ble bygget på dette feltet. Den største er Volkhov aluminiumsverk. Til dags dato er Tikhvinskoye-feltet utarmet og opererer hovedsakelig på importerte råvarer.
I 1931 ble den unike Severo-Uralskoye høykvalitets bauxittforekomst (SUBR) oppdaget. Det fungerte som grunnlag for byggingen i 1939 av Ural aluminiumsverk (UAZ). Og på grunnlag av South Ural bauksittgruven (YUBR) ble Bogoslovsky aluminiumssmelteverk (BAZ) bygget.
Severoonezhskoye-feltet ligger på veien til Kolahalvøya. Det står i planen, men byggedato er ukjent.
Vislovskoe-avsetningen er en ren leireavsetning av kaolitttypen. Ikke brukt til alumina.
Timanskoye-feltet (Komi-republikken, Varkuta). Kanadierne er interessert i dette feltet, så de planlegger å bygge fabrikker (Komi Sual er et holdingselskap).

Innhenting av alumina fra bauxittmalm

Siden aluminium er amfotært, produseres alumina på tre måter:

alkalisk,
syre;
elektrolytisk.

Den mest utbredte er den alkaliske metoden (metoden til K. I. Bayer, utviklet i Russland på slutten av århundret før sist og brukt til å behandle høykvalitets bauxitter med en liten mengde (opptil 5–6%) silika). Siden den gang har den tekniske ytelsen blitt betydelig forbedret. Opplegget for produksjon av alumina ved Bayer-metoden er vist i figur 3.

Figur 3 - Skjema for å oppnå alumina ved Bayer-metoden

Essensen av metoden er at aluminiumsløsninger raskt brytes ned når aluminiumhydroksid introduseres i dem, og løsningen som gjenstår fra dekomponering etter fordampning under forhold med intensiv blanding ved 169–170 °C kan igjen løse opp aluminiumoksyd inneholdt i bauxitter. Denne metoden består av følgende hovedoperasjoner:

1. Fremstilling av bauxitt, som består i knusing og maling i møller; møllene forsynes med bauxitt, kaustisk alkali og en liten mengde kalk, noe som forbedrer frigjøringen av Al 2 O 3 ; den resulterende massen mates for utvasking;

2. Bauksittutlutning (nylig har de runde autoklavblokkene som er brukt hittil delvis blitt erstattet av rørformede autoklaver, der utlutingen skjer ved temperaturer på 230–250 °C (500–520 K), som består i dens kjemiske nedbrytning fra interaksjon med en vandig løsning alkalier; aluminiumoksidhydrater, når de interagerer med alkali, går i løsning i form av natriumaluminat:

AlOOH+NaOH→NaAlO2+H2O

Al(OH)3+NaOH→NaAl02+2H20;

Si02 + 2 NaOH → Na 2 Si0 3 + H2O;

i løsning danner natriumaluminat og natriumsilikat et uløselig natriumaluminatsilikat; titan og jernoksider passerer inn i den uløselige resten, og gir resten en rød farge; denne resten kalles rød gjørme. Når oppløsningen er fullført, fortynnes det resulterende natriumaluminatet med en vandig løsning av alkali mens temperaturen senkes med 100 ° C;

3. Separasjon av aluminatløsning fra rød gjørme, vanligvis utført ved vasking i spesielle fortykningsmidler; som et resultat av dette setter den røde gjørmen seg, og aluminatløsningen dreneres og deretter filtreres (klares). I begrensede mengder brukes slammet for eksempel som tilsetning til sement. Avhengig av kvaliteten på bauxitt, faller 0,6 - 1,0 tonn rød slam (tørre rester) på 1 tonn produsert alumina;

4. Dekomponering av aluminatløsningen. Det filtreres og pumpes over i store beholdere med agitatorer (nedbrytere). Aluminiumhydroksid Al(OH) 3 ekstraheres fra en overmettet løsning ved avkjøling til 60 °C (330 K) og konstant omrøring. Siden denne prosessen går sakte og ujevnt, og dannelsen og veksten av aluminiumhydroksydkrystaller er av stor betydning under den videre bearbeidingen, tilsettes en stor mengde fast hydroksyd til nedbryterne - frø:

Na 2 O Al 2 O 3 + 4H2O → Al(OH) 3 + 2 NaOH;

5. Tildeling av aluminiumhydroksid og dets klassifisering; dette skjer i hydrosykloner og vakuumfiltre, hvor et bunnfall som inneholder 50 - 60 % Al(OH) 3-partikler skilles fra aluminatløsningen. En betydelig del av hydroksydet føres tilbake til dekomponeringsprosessen som et frømateriale, som forblir i sirkulasjon i uendrede mengder. Resten etter vasking med vann går til kalsinering; filtratet returneres også til sirkulasjon (etter konsentrasjon i fordampere - for å lekke ut nye bauxitter);

6. Dehydrering av aluminiumhydroksid (kalsinering); det er den endelige operasjonen av aluminaproduksjon; det utføres i rørformede roterende ovner, og nylig også i ovner med turbulent bevegelse av materialet ved en temperatur på 1150 - 1300 ° C; råaluminiumhydroksid, som passerer gjennom en roterende ovn, tørket og dehydrert; ved oppvarming skjer følgende strukturelle transformasjoner sekvensielt:

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

200 °C - 950 °C - 1200 °C.

Den endelige kalsinerte alumina inneholder 30 - 50 % α-Al2O3 (korund), resten er γ-Al 2 O 2 .

Denne metoden trekker ut 85 - 87 % av all produsert alumina. Den resulterende alumina er en sterk kjemisk forbindelse med et smeltepunkt på 2050 ° C.

Innhenting av aluminium ved elektrolyse

Den elektrolytiske reduksjonen av aluminiumoksid oppløst i en kryolittbasert smelte utføres ved 950–970 °C i en elektrolysecelle. Cellen består av et bad foret med karbonblokker, til bunnen av dette tilføres en elektrisk strøm. Flytende aluminium som frigjøres på bunnen og fungerer som katode, er tyngre enn elektrolyttsaltsmelten, derfor samles det på en kullbase, hvorfra det periodisk pumpes ut (Figur 4). Ovenfra er karbonanoder nedsenket i elektrolytten, som brenner i atmosfæren av oksygen frigjort fra aluminiumoksid, og frigjør karbonmonoksid (CO) eller karbondioksid (CO 2). I praksis brukes to typer anoder:

selvbakende Zederberg-anoder, bestående av briketter, de såkalte "brødene" av Zederberg-massen (lav-askekull med 25 - 35 % kulltjærebek), fylt inn i et aluminiumsskall; under påvirkning av høy temperatur blir anodemassen avfyrt (sintret);
avfyrte, eller "kontinuerlige", anoder laget av store karbonblokker (for eksempel 1900 × 600 × 500 mm, som veier ca. 1,1 tonn).

Figur 4 - Oppsett av elektrolysatoren

Strømstyrken på elektrolysatorene er 150 000 A. De er koblet til nettverket i serie, det vil si at det oppnås et system (serie) - en lang rad med elektrolysatorer.

Driftsspenningen på badet, som er 4 - 5 V, er mye høyere enn spenningen som aluminiumoksid dekomponerer ved, siden spenningstap i forskjellige deler av systemet er uunngåelige under drift. Balansen mellom råvarer og energi ved mottak av 1 tonn aluminium er vist i figur 5.

Bilde 5 - Balansen mellom råvarer og energi i produksjonen av 1 tonn aluminium

I reaksjonskaret blir aluminiumoksid først omdannet til aluminiumklorid. Deretter, i et tett isolert bad, foregår elektrolysen av AlCl 3, oppløst i de smeltede saltene av KCl, NaCl. Kloret som frigjøres i denne prosessen suges av og mates for resirkulering; aluminium avsettes på katoden.

Fordelene med denne metoden i forhold til den eksisterende elektrolyse av flytende kryolitt-aluminiumoksid-smelte (Al 2 O 3, Na 3 AlF 6 oppløst i kryolitt) er: sparer opptil 30 % av energien; muligheten for å bruke aluminiumoksid, som ikke er egnet for tradisjonell elektrolyse (for eksempel Al 2 O 3 med høyt silisiuminnhold); erstatte dyr kryolitt med billigere salter; eliminering av faren for fluorutslipp.

Få raffinert aluminium

For aluminium er raffinering av elektrolyse med dekomponering av vandige saltløsninger ikke mulig. Siden rensegraden av industrielt aluminium (Al 99,5 - Al 99,8), oppnådd ved elektrolyse av en kryolitt-aluminiumoksydsmelte, for noen formål ikke er tilstrekkelig, oppnås enda renere aluminium (Al 99,99 R) fra industrielt aluminium eller metallavfall ved raffinering . Den mest kjente raffineringsmetoden er trelags elektrolyse.

Raffinering ved trelags elektrolyse

Foret med en stålplate som opererer på likestrøm (Figur 6), består raffineringsbadet av en kullild med strømledninger og en varmeisolerende magnesittforing. I motsetning til elektrolysen av en kryolitt-aluminiumoksid-smelte, er anoden her som regel smeltet raffinert metall (nedre anodelag). Elektrolytten er sammensatt av rene fluorider eller en blanding av bariumklorid og aluminium- og natriumfluorider (mellomlag). Aluminium som løses opp fra anodelaget i elektrolytten frigjøres over elektrolytten (øvre katodelag). Det rene metallet fungerer som katoden. Strømmen tilføres katodelaget av en grafittelektrode.

Figur 6 - Diagram av en elektrolysecelle med en fremre ildsted for raffinering av aluminium (ifølge Fulda - Ginzberg)

1 - aluminiumssmelte; 2 - elektrolytt; 3 - høyfrekvent raffinert aluminium; 4 - grafitt katode; 5 - magnesitvegg; 6 - fronthorn; 7 - isolerende lag; 8 - lateral isolasjon; 9 - kull ildsted; 10 - anodeleder; 11 - isolasjon av ildstedet; 12 - jernboks; 13 - dekke

Badet fungerer ved 750 - 800 ° C, strømforbruket er 20 kWh per 1 kg rent aluminium, det vil si noe høyere enn ved konvensjonell aluminiumelektrolyse.

Anodemetallet inneholder 25–35 % Cu; 7 – 12 % Zn; 6 – 9 % Si; opptil 5 % Fe og en liten mengde mangan, nikkel, bly og tinn, resten (40 - 55 %) er aluminium. Alle tungmetaller og silisium forblir i anodelaget under raffinering. Tilstedeværelsen av magnesium i elektrolytten fører til uønskede endringer i sammensetningen av elektrolytten eller til dens sterke slaggdannelse. For å fjerne magnesium behandles slagger som inneholder magnesium med flussmidler eller gassformig klor.

Som et resultat av raffinering oppnås rent aluminium (99,99%) og segregeringsprodukter (Ziger-produkt), som inneholder tungmetaller og silisium og er isolert i form av en alkalisk løsning og en krystallinsk rest. Den alkaliske løsningen er avfall, og den faste resten brukes til avsyrning.

Raffinert aluminium har vanligvis følgende sammensetning, %: Fe 0,0005 - 0,002; Si 0,002 - 0,005; Cu 0,0005 - 0,002; Zn 0,0005 - 0,002; Mg spor; Hvile.

Raffinert aluminium bearbeides til et halvfabrikat i den angitte sammensetningen eller legeres med magnesium (tabell 1).

Tabell 1 - Kjemisk sammensetning av høyrent aluminium og primæraluminium i henhold til DIN 1712, ark 1

		Tillatte urenheter*, %
			gjelder også

* Så langt som mulig å bestemme ved konvensjonelle metoder for forskning.

** Rent aluminium for elektroteknikk (aluminiumsledere) leveres i form av primæraluminium 99.5 som ikke inneholder mer enn 0,03 % (Ti + Cr + V + Mn); i dette tilfellet betegnet som E-A1, materialnummer 3.0256. For øvrig samsvarer med VDE-0202.

Raffinering ved orgog sonesmelting

Aluminium med høyere renhetsgrad A1 99,99 R kan oppnås ved å raffinere elektrolyse av rent eller kommersielt rent aluminium ved å bruke komplekse organoaluminiumforbindelser av aluminium som en elektrolytt. Elektrolysen foregår ved en temperatur på ca. 1000°C mellom solide aluminiumselektroder og ligner i prinsippet raffineringselektrolyse av kobber. Elektrolyttens natur dikterer behovet for å arbeide uten luft og med lav strømtetthet.

Denne typen raffineringselektrolyse, som først bare ble brukt i laboratorieskala, utføres allerede i liten industriell skala - flere tonn metall produseres per år. Den nominelle rensegraden av det resulterende metallet er 99,999 -99,9999%. Potensielle bruksområder for et metall av denne renheten er kryogen elektroteknikk og elektronikk.

Det er mulig å bruke den betraktede raffineringsmetoden ved galvanisering.

Enda høyere renhet - nominelt opp til A1 99.99999 - kan oppnås ved påfølgende sonesmelting av metallet. Ved bearbeiding av høyrent aluminium til et halvfabrikat, ark eller tråd, er det nødvendig, gitt metallets lave rekrystalliseringstemperatur, å ta spesielle forholdsregler. En bemerkelsesverdig egenskap til det raffinerte metallet er dets høye elektriske ledningsevne i området med kryogene temperaturer.

Eiendommer

Aluminium er et element i hovedundergruppen til den tredje gruppen av den tredje perioden av det periodiske systemet av kjemiske elementer av D. I. Mendeleev. Atomnummer 13. Angitt med symbolet Al (lat. Aluminium). Tilhører gruppen lettmetaller.

Det vanligste metallet og det tredje vanligste kjemiske grunnstoffet i jordskorpen (etter oksygen og silisium). Prosentandelen av aluminiuminnhold i jordskorpen varierer ifølge forskjellige forskere fra 7,45 til 8,14 % av massen til jordskorpen.

De viktigste mineralene som inneholder aluminium er:

Korund - Al 2 O 3

Diaspore (boehmitt)-AlOOH

Spinell - Al203MgO

Gibbsitt -Al(OH) 3

Kyanitt (andalusitt, silimoniitt) - Al 2 O 3 SiO 2

Kaolin - Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O

De viktigste aluminiummalmene er bauxitter, nefeliner, alunitter, kaoliner og kyanitter. Innholdet av alumina i kommersielle bauxitter varierer fra 40 % til 60 % og mer. Det brukes også som flussmiddel i jernmetallurgi. Store bauxittforekomster i vårt land inkluderer Tikhvinskoye (Leningrad-regionen), Severo-Uralskoye (Sverdlovsk-regionen), Yuzhnouralskoye (Chelyabinsk-regionen), Turgai og Krasnooktyabrskoye (Kostanay-regionen).

Fysiske egenskaper

sølv-hvit metall, lett,

tetthet - 2,7 g / cm³,

smeltepunkt for teknisk aluminium - 658 °C, for høyrent aluminium - 660 °C

spesifikk fusjonsvarme - 390 kJ/kg,

kokepunkt - 2500 °C

Brinell hardhet - 24…32 kgf/mm²,

høy plastisitet: teknisk - 35%, ren - 50%, rullet til et tynt ark og jevn folie

Youngs modul - 70 GPa.

Aluminium har høy elektrisk ledningsevne (0,0265 μOhm m) og termisk ledningsevne (1,24 × 10−3 W/(m K)), 65 % av den elektriske ledningsevnen til kobber, og har høy lysreflektivitet.

svak paramagnet

Aluminium danner legeringer med nesten alle metaller. I legeringer beholder aluminium sine egenskaper. I smeltet tilstand er aluminium flytende og fyller formene godt, i fast tilstand er det godt deformert og kan enkelt kuttes, loddes og sveises. De mest kjente legeringene med kobber og magnesium (duralumin) og silisium (silumin)

Affiniteten til aluminium for oksygen er svært høy. Under oksidasjonen frigjøres en stor mengde varme (~ 1670000 J / mol). Finmalt aluminium antennes ved oppvarming og brenner i luft. Aluminium kombineres med oksygen i luften og under atmosfæriske forhold. I dette tilfellet er aluminium dekket med en tynn (~ 0,0002 mm tykk) tett film av aluminiumoksid, som beskytter den mot ytterligere oksidasjon; derfor er aluminium motstandsdyktig mot korrosjon. Overflaten av aluminium er godt beskyttet mot oksidasjon av denne filmen selv i smeltet tilstand.

Produksjon

Den viktigste moderne metoden for aluminiumproduksjon er den elektrolytiske metoden, som består av to trinn. Den første er produksjon av alumina (Al 2 O 3) fra malmråvarer og den andre er produksjon av flytende aluminium fra alumina ved elektrolyse.

Bayer metode

Bayer-metoden - en metode for utvinning av alumina fra bauxitt - er basert på utluting, hvis formål er å løse opp aluminiumoksid Al 2 O 3 inneholdt i bauxitt, og unngå overføring av de gjenværende bauxittkomponentene (SiO 2 , Fe 2 O 3 osv.) til løsning. Metoden er basert på en reversibel kjemisk reaksjon:

Al 2 O 3 n H 2 O + 2 NaOH \u003d Na 2 O Al 2 O 3 + (n + 1) H2O

Når reaksjonen fortsetter til høyre, går aluminiumoksyd i form av natriumaluminat over i løsning, og i løpet av det motsatte forløpet av reaksjonen faller den resulterende hydratiserte Al 2 O 3 ut.

1. Klargjøring av bauxitt for utvasking. Bauksitt knuses og males til fraksjoner på 0,05-0,15 mm i mediet med tilsatt alkali og NaOH alkali sirkulasjonsløsning, litt kalk tilsettes også for å aktivere utluting.

2. Utvasking bauxitt, den består i kjemisk dekomponering fra interaksjon med en vandig løsning av alkali; aluminiumoksidhydrater, når de interagerer med alkali, går i løsning i form av natriumaluminat:

AlOOH + NaOH → NaAlO2 + H2O

Al (OH)3 + NaOH → NaAl02 + 2H20;

Si02 + 2NaOH → Na2Si03 + H20;

I løsning danner natriumaluminat og natriumsilikat et uløselig natriumaluminatsilikat; titan og jernoksider passerer inn i den uløselige resten, og gir resten en rød farge; denne resten kalles rød gjørme. Når oppløsningen er fullført, fortynnes det resulterende natriumaluminatet med en vandig løsning av alkali mens temperaturen senkes med 100 °C.

Utluting utføres i autoklaver - trykkbeholdere. Produktet er en autoklavslurry som består av en aluminatløsning (inneholdende Na 2 O · Al 2 O 3 ) og slam (et sediment der de gjenværende bauxitt-urenhetene utfelles).

3. Separasjon av aluminatløsning fra rød slam vanligvis utført ved vask i spesielle fortykningsmidler; som et resultat av dette setter det røde slammet seg, og aluminatløsningen dreneres og deretter filtreres (klares) Det resulterende røde slammet (farget av Fe 2 O 3-partikler) går til deponiet, slammet inneholder, %: Al 2 O3 12-18, Si02 6-11, Fe203 44-50, CaO 8-13.

4. Dekomponering av aluminatløsning, også kalt dekomponering eller vridning, utføres for å overføre aluminium fra løsning til et bunnfall i form av Al 2 O 3 · 3 H 2 O, for hvilken utlutingsreaksjonen ovenfor er gitt til venstre, mot dannelsen av Al 2 O 3 · 3 H 2 O. For at denne reaksjonen skal fortsette til venstre, er det nødvendig å senke trykket (til atmosfærisk), fortynne og avkjøle løsningen, introdusere frø (små aluminiumhydroksidkrystaller) og masse inn i den for å oppnå tilstrekkelig store krystaller av Al 2 O 3 3 H 2 O rør i 50-90 timer Siden denne prosessen er langsom og ujevn, og dannelsen og veksten av aluminiumhydroksidkrystaller er av stor betydning i dens videre bearbeiding, tilsettes en stor mengde fast hydroksid til nedbryterne - frø:

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

5. Separasjon av aluminiumhydroksidkrystaller fra løsning og klassifisering av krystaller etter størrelse. Etter dekomponering går massen inn i fortykningsmidlene, hvor hydroksydet skilles fra løsningen. Det oppnådde hydroksydet i hydroseparatorer deles inn i en fraksjon med en partikkelstørrelse på 40-100 mikron og en finfraksjon (med en størrelse på< 40 мкм), которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

6. Dehydrering av aluminiumhydroksid (kalsinering); det er den endelige operasjonen av aluminaproduksjon; det utføres i rørformede roterende ovner, og nylig også i ovner med turbulent bevegelse av materiale ved en temperatur på 1150-1300 °C; råaluminiumhydroksid, passerer gjennom en roterende ovn, tørket og dehydrert, passerer gjennom en roterende ovn, tørket og dehydrert; ved oppvarming skjer følgende strukturelle transformasjoner sekvensielt:

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

Den endelige kalsinerte alumina inneholder 30-50 % α-Al 2 O 3 (korund), resten er γ-Al 2 O 3 .

Ekstraksjonen av alumina ved bruk av den beskrevne Bayer-metoden er ca. 87%. For produksjon av 1 tonn alumina, 2,0-2,5 tonn bauxitt, 70-90 kg NaOH, ca. 120 kg kalk, 7-9 tonn damp, 160-180 kg fyringsolje (i form av konvensjonelt drivstoff) og det forbrukes ca 280 kW h elektrisitet.

Utdannings- og vitenskapsdepartementet i Den russiske føderasjonen

Federal Agency for Education

Magnitogorsk statlige tekniske universitet

dem. Nosova

Institutt for jernmetallurgi

Abstrakt om faget "History of metallurgy"

METALLURGISK ALUMINIUM

merknad

Introduksjon

1. Egenskaper av aluminium

2. Påføring av aluminium

3. Råvarer

4. Alumina produksjon

5. Elektrolytisk produksjon av aluminium

6. Aluminiumraffinering

Konklusjon

Liste over brukt litteratur

Introduksjon

Ordet "metallurgi" kommer fra gresk:

metalleu® - jeg graver, jeg miner fra jorden;

metallurgeo - jeg utvinner malm, behandler metaller;

metallon - mine, metall.

Dette ordet betyr feltet for vitenskap og teknologi, som dekker bearbeiding av malm utvunnet fra tarmene, skaffe metaller og legeringer, noe som gir dem visse egenskaper.

I antikken, i middelalderen og relativt nylig, frem til M.V. Lomonosovs tid, ble det antatt at det var 7 metaller (gull, sølv, kobber, tinn, bly, jern, kvikksølv).

I 1814 foreslo den svenske kjemikeren J. Berzelius å bruke alfabetiske tegn som brukes av hele verden, med sjeldne unntak.

I dag er mer enn 80 metaller kjent for vitenskapen, de fleste av dem brukes i teknologi.

Av de mest verdifulle og viktige metallene for moderne teknologi finnes bare noen få i jordskorpen i store mengder: aluminium (8,8 %), jern (4,65 %), magnesium (2,1 %), titan (0,63 %).

Arkeologiske utgravninger tyder på at menneskets bekjentskap med metaller går tilbake til tider svært fjernt fra oss. Det antas at de første bronsegjenstandene ble oppnådd i 3000 f.Kr. ved en reduksjonssmelteblanding av kobber og tinnmalm med trekull. Mye senere begynte man å produsere bronse ved å tilsette tinn og andre metaller (aluminium, beryllium, silisiumnikkel, etc.) til kobber. For tiden er aluminiumsbronse (5-12 % Al) med tilsetning av jern, mangan og nikkel de vanligste.

For tiden er metallurgisk produksjon en av de prioriterte sektorene i den nasjonale økonomien.

1. EGENSKAPER AV ALUMINIUM

Aluminium danner legeringer med mange elementer. I smeltet tilstand er aluminium flytende og fyller formene godt, i fast tilstand er det godt deformert og kan enkelt kuttes, loddes og sveises.

Av aluminiumslegeringer er duralumin og siluminer av størst betydning.

Sammensetningen av duralumin inkluderer, i tillegg til aluminium, 3,4-4% Cu, 0,5% Mn og 0,5% Mg, ikke mer enn 0,8% Fe og 0,8% Si er tillatt. Duralumin er godt deformert og er i sine mekaniske egenskaper nær noen stålkvaliteter, selv om det er 2,7 ganger lettere enn stål (duralumintetthet er 2,85 g / cm 3).

Siluminer er støpte legeringer av aluminium med silisium. De har gode støpeegenskaper og mekaniske egenskaper.

2. ALUMINIUMSAPPLIKASJONER

Aluminium og legeringer er mye brukt i mange bransjer, inkludert luftfart, transport, metallurgi, Mat industri Aluminium og dets legeringer brukes til å produsere flykropper, motorer, sylinderblokker, girkasser, pumper og andre deler i luftfarten, bilindustrien og traktorindustrien, samt fartøyer for lagring av kjemiske produkter. Aluminium er mye brukt i hverdagen, næringsmiddelindustrien, i kjernekraft og romfartøy er laget av aluminium og dets legeringer.

På grunn av den høye kjemiske affiniteten til aluminium for oksygen, brukes det i metallurgi som et deoksideringsmiddel, og også for å oppnå, ved hjelp av den såkalte aluminotermiske prosessen, metaller som er vanskelige å gjenvinne (kalsium, litium, etc.).

Når det gjelder total metallproduksjon i verden, er aluminium nummer to etter jern. ,

3. RÅVARER

Aluminium malm. På grunn av den høye kjemiske aktiviteten forekommer aluminium i naturen kun i bundet form: korund Al 2 O 3, gibbsitt Al 2 O 3. 3H20, bøhmitt Al203. H 2 O, kyanitt 3Al 2 O 3, 2SiO 2, nefelin (Na, K) 2 O. Al203. 2SiO 2, kaolinitt Al 2 O 3, 2SiO 2. 2H20 og andre. De viktigste aluminiummalmene som brukes i dag er bauxitter, samt nefeliner og alunitter.

bauxitter. Aluminium i bauxitter finnes hovedsakelig i form av aluminiumhydroksider (gibbsitt, boehmitt, etc.), korund og kaolint. Den kjemiske sammensetningen av bauxitt er ganske kompleks. De inneholder ofte mer enn 40 kjemiske elementer. Innholdet av aluminiumoksyd i dem er 35-60%, silika 2-20%, oksid Fe 2 O 3 2-40%, titanoksid 0,01-10%. En viktig egenskap bauxitter er forholdet mellom deres innhold av Al 2 O 3 og SiO 2 etter vekt - den såkalte silisiummodulen.

Store bauxittforekomster i vårt land inkluderer Tikhvinskoye (Leningrad-regionen), Severouralskoye (Sverdlovsk-regionen), Yuzhnouralskoye (Chelyabinsk-regionen), Turgai og Krasnooktyabrskoye (Kostanay-regionen).

Nefeliner er en del av nefelinsyenitter og urtitter. Et stort forekomst av urtitter ligger på Kolahalvøya. Hovedkomponentene i urtitt er nefelin og apatitt 3Ca 3 (PO 4) 2 . CaF2. De utsettes for flotasjonsanrikning med frigjøring av nefelin-apatittkonsentrater. Apatittkonsentrat brukes til å tilberede fosfatgjødsel, mens nefelinkonsentrat brukes til å produsere alumina. Nefelinkonsentrat inneholder, %: 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 og 2-3 CaO.

Alunitter er basisk aluminiumsulfat og kalium (eller natrium) K 2 SO 4 . Al2(SO4)3. 4 Al(OH)3. Innholdet av Al 2 O 3 i dem er lavt (20-22 %), men de inneholder andre verdifulle komponenter: svovelsyreanhydrid SO 3 (~ 20 %) og alkali Na 2 O, K 2 O (4-5 %). Dermed er de, i likhet med nefeliner, komplekse råvarer.

Andre råvarer. Ved produksjon av alumina brukes alkali NaOH, noen ganger kalkstein CaCO 3, i elektrolyse av alumina, kryolitt Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) og litt aluminiumfluorid AlF 3, samt CaF 2 og MgF 2.