Файл: Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие.pdf

Как видно из этой реакции, удаление Si02 требует расхода А120з и NaOH (на 1 кг Si02, содержащейся в боксите, расходуется 0,85 кв АЬОз и 0,67 кг NaOH). Поэтому боксит, содержащий свыше 5% SiÖ2, этим способом перерабатывать нерентабельно.

Пульпа из автоклава после фильтрации сливается в цилиндри­ ческие баки — отстойники, где при длительном и медленном пере­ мешивании из алюмннатного раствора выпадает осадок гидроокиси алюминия. Для протекания этого процесса в отстойник вводится затравка — кристаллическая гидроокись алюминия, служащая ка­ тализатором. Выпадение осадка идет по реакции

Na20 • AlА -г 4 Н20 —>2 NaOH + 2 Al (ОН)3.

Полученный гидрат окиси алюминия тщательно промывают, филь­ труют и направляют на завершающую операцию — прокаливание (кальцинацию). Применяемые для этого наклонные вращающиеся печи имеют длину 50—70 м, диаметр 2,5—3,5 м. При медленном вращении печи ( 1—2 об/мин) засыпанная гидроокись постепенно перемещается в зону высоких температур (до 1200°), что приводит к получению чистого глинозема:

2 А1 (ОН)3 А120 3 + 3 Н20.

Сухой щелочной способ состоит в том, что прщ прокаливании тонко измельченного боксита и соды до температуры 1200—1300° получается спек, содержащий алюминат натрия:

АІ20з + Па2С0з = Па20 ■ АІ2О3 + СО2.

Из этой спекшейся массы алюминат натрия выщелачивается горя­ чей водой. Полученный алюминатный раствор продувают углекис­ лотой, получая в осадке гидроокись алюминия:

Na20 • АІ203+ ЗН20 + С02 = 2А1 (0 Н )3+ Na2C 03.

Осадок промывают и прокаливают для получения глинозема. Сухой щелочной способ (спекание) применяется для переработки высоко­ кремнистых бокситов, нефелинов (Na20 • А120 3 • 2Si02) и некоторых других материалов.

Алюминатно-кальциевый способ имеет две стадии — электро­ металлургическую и химическую. В начале процесса боксит в смеси с известью и коксом расплавляется в мощных электрических печах. При этом образуются два жидких слоя — металлический сплав (Fe и Si) и шлак, состоящий из CaQ -Al20 3. Шлак легко отделяется и после охлаждения поступает на дробилку. Измельченный шлак вы­ щелачивают содовым раствором, в результате чего образуется алюминат натрия:

СаО •А120 з+ Na2C 03= Nа20 •А120 34-СаС03.

Дальнейшее получение АІ20з из алюмннатного раствора произво­ дится аналогично вышерассмотренным способам.

80

Производство криолита. Выше мы познакомились с некоторы­ ми технологическими схемами получения AI2O3. Казалось бы, даль­ нейшее выделение алюминия из этого соединения можно провести за счет простой реакции восстановления, действуя таким восстано­ вителем, как углерод. Однако при подобной реакции алюминий сое­ диняется с восстановителем, образуя карбид АЦС3 . Можно предпо­ ложить, что алюминий выделится при электролизе водного раст­ вора какой-нибудь его соли. Однако при таком процессе па катоде будет выделяться более электроположительный водород, а не алю­ миний. Следовательно, электролит не должен содержать ионов во­ дорода и быть по составу таким, чтобы при электролизе алюминий в нем являлся более электроположительным, че-м остальные компо­ ненты.

Этим условиям отвечают некоторые фтористые соли, особенно криолит NasAlFß. Электролиз расплава, состоящего из глинозема и криолита, является основным способом выделения металлическо­ го алюминия. Криолит получают из плавикового шпата CaF2 после его предварительного обогащения. Схема производства криолита включает следующие этапы.

1. Получение плавиковой кислоты в трубчатых вращающихся печах (при / = 200°):

CaF2+ H 2S 0 4= C aS04-|-2 HF.

2. Получение фтороалюминиевой кислоты в специальных баш­ нях при взаимодействии HF с гидратом окиси алюминия:

12HF + 2A1 (0Н ) 3 = 2НзА1Рб+ 6Н20.

Производство угольных электродов. Для подвода тока при электролизе глиноземного расплава и для футеровки внутренней поверхности стенок электролизера применяются угольные электро­ ды и плиты. Исходными материалами для их производства являют­ ся твердые углеродистые материалы (антрацит, нефтяной или смо­ ляной кокс) и связующие вещества (например, пек — продукт перегонки каменноугольной смолы). Измельченные и смешанные в надлежащих пропорциях исходные материалы прессуются, а затем подвергаются обжигу с нарастанием температуры до 1400° по опре­ деленному графику (длительность процесса около 200 ч) , после чего медленно охлаждаются. При обжиге происходит размягчение и кок­

81

сование пека, который скрепляет зерна твердых углеродистых материалов.

Электролиз глинозема. Электролизер для электролиза глино­ зема (рис. 41) состоит из металлического корпуса 1, имеющего теп­ лоизоляционную футеровку 2 и выложенного внутри угольными плитами 3 и блоками 10. Нижние блоки имеют каналы, в которых проходят катодные шины 9. Угольные электроды 4 частично погру­ жены в электролит 6, состоящий из глинозема и криолита. По мере

ю

Рис. 41. Электролизер

расхода электроды постепенно опускаются, а верхняя часть их на­ ращивается.

При электролизе на поду ванны (на катоде) осаждается рас­ плавленный алюминий 8. За счет выделяемого тепла электролит в рабочем объеме ванны поддерживается в жидком состоянии, а на стенках затвердевает в виде гарнисажа 7. На поверхности ванны электролит образует твердую корку 11. На эту корку насыпается глинозем 5, который пополняет ванну по мере расходования глино­ зема из расплава. Криолит, входящий в состав расплавленного элек­ тролита, понижает температуру плавления. Например, электролит,

Производительность электролизера зависит от режима процес­ са. В электролизере, работающем при напряжении 4,3—4,5 в і^силе тока 50000 а, выделяется в сутки около 350 кг А1.

Осаждающийся на поду электролизера алюминий периодиче­ ски (раз в трое-четверо суток) извлекается вакуум-ковшом, после чего рафинируется двумя способами — переплавкой в электропечах сопротивления с продувкой хлором или специальной электролити­ ческой очисткой.

82

пую электропечь. В этих печах при ^ = 800—900° производится обра­ ботка брикетов хлором, что приводит к образованию MgCl2:

MgO + Cl2+ С = MgCl2+ СО;

MgO + С12+ СО = MgC 12+ С 02.

Электролитическое выделенйе Mg производится в плотно за­ крытых ваннах (рис. 42), сваренных из стальных листов 1, футеро­ ванных внутри шамотом 2. На катодах 5 выделяется расплавленный магний 6, всплывающий на поверхность электролита 7. На аноде — графитовом стержне 9 — выделяется хлор, который через хлоропровод 4 отводится для нужд производства (например, для хлори­

рования MgO). Огнеупорная шамот­

лем», в силу чего магний легко всплывает на поверхность электро­ лита.

Для электролиза применяют ток напряжением 5'—5,6 в и силой 30000—50000 а. Кроме представленной на рисунке схемы с боко­ вым вводом графитового анода 9, существуют ванны с верхним под­ водом анодов. Магниевые ванны работают непрерывно 12—14 меся­ цев, после чего останавливаются на ремонт (смена диафрагмы, вос­ становление футеровки, замена анодов и т. д.). Ванны соединяются между собой последовательно в серии из 60—100 штук.

На получение 1 т магния-сырца расходуется 4,5—4,7 т MgCl2, около 25 кг анодов и до 18000 кет • ч электроэнергии.

Из катодного пространства магний извлекают при помощи вакуумного ковша 2—3 раза в сутки, после чего заливают расплав­ ленный хлористый магний, и процесс продолжается. Оседающий на дно ванны шлам удаляется по мере накопления раз в 2—3 дня.

Рафинирование магния. Магний-сырец, полученный в резуль­ тате электролиза, может содержать примеси как металлические (Fe, К, Na и др.), так и неметаллические (СаС12, MgCl2, NaCl, KCl и др.). 'Поэтому магний перед разливкой в слитки подвергается рафинированию.

84

■Неметаллические примеси могут быть удалены переплавкой в тигельных печах вместе со специальными флюсами, подобранными так, что они могут с неметаллическими включениями образовывать шлак, температура затвердевания которого составляет 710—690э. Таким образом, по мере остывания расплава образуется корка шла­ ка, под которой находится очищенный магний (/„л = 651°). Пробив корку, наклоном тигля рафинированный магний разливают в фор­ мы для получения слитков.

Однако наилучшие результаты (до 99,99% Mg) дает рафини­

где, соприкасаясь с более холодными стенками (температура 450— 500°), оседают па них в виде друз магния 9. По окончании процес­ са рафинирования магний переплавляется и разливается в слитки.

Производство магния термическим методом. Термическим спо­ собом магний восстанавливается из каустического магнезита или доломита при высокой температуре и глубоком вакууме различны-: ми восстановителями (кремнием, углеродом и др.). Существует не­ сколько вариантов термического способа, отличающихся видом восстановителя, применяемого сырья и технологического оборудованияу Но при любом варианте производство Mg включает следую­ щие процессы: 1) подготовку исходных материалов; 2 ) восстанов­ ление Mg, его возгонку и конденсацию; 3) расплавление получен­ ных друз магния и получение слитков.

Рассмотрим схему силикотермического способа получения Mg в ретортных печах (рис. 44). Реторта 1, отлитая из жаропрочной

85