5.5 Металлургия алюминия
Мировое производство алюминия составляет около 21 млн. т/год. Чистый алюминий – металл серебристо-белого цвета, небольшой плотностью (2,7 г/см3), высокой теплопроводностью и электропроводностью, хорошей пластичностью и достаточной механической прочностью. В химических реакциях амфотерен, на воздухе легко окисляется, покрываясь тонкой пленкой оксида, защищающей металл от дальнейшего окисления. Эти свойства обеспечивают широкое применение алюминия в электротехнике, химическом машиностроении, в качестве конструкционного материала в строительстве и т.д.
Вследствие высокого химического сродства к кислороду алюминий в самородном виде не встречается. Он образует более 250 минералов, а по содержанию в земной коре он уступает только кислороду.
Основные алюминиевые руды – бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наиболее широко используют бокситы, в состав которых входит не менее 32% AL2O3 (глинозема).
Технология производства алюминия состоит из двух стадий: первая – производство глинозема и вторая – электролитическое получение алюминия из глинозема.
Производство глинозема осуществляют выщелачиванием раствором едкого натрия, в результате чего глинозем из боксита переводится в раствор в виде алюмината натрия
AL2O3 × n H2O + 2 NaOH=2NaALO2 + (n+1) H2O.
Выщелачивание производят при температуре до 250°C и давлении до 3,0 атм. в автоклавах объемом 25–35 м3.
Разложение алюминатного раствора проводят для перевода алюминия из раствора в осадок в виде AL2O3×3H2O, для этого обеспечивают течение реакции выщелачивания в сторону образования AL2O3×3H2O, что требует понижения давления (до атмосферного), разбавления и охлаждения раствора.
Гидрооксид алюминия (AL2O3 × 3 H2O) выпадает в осадок. Осадок отделяют сгущением, а затем фильтрацией на вакуум-фильтрах. Затем гидрооксид алюминия прокаливают в трубчатой вращающейся печи при 1150–1200°C и получают глинозем.
Металлический алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите Na3ALF6. При электролизе алюминий выделяется на катоде. Процесс ведут при 950–970°C. Глубина электролизной ванны (рисунок 5.11) составляет 400–600 мм, алюминий, накапливаемый на подине, периодически, через 3–4 суток, выпускается в вакуумный ковш с сифоном. Расход электроэнергии составляет примерно 18 тыс. кВт-ч/т алюминия. Для получения 1 т металла требуется около 2 т глинозема, 50 кг криолита, 0,5–0,6 т анодной массы.
При электролизе получают алюминий 99,5–99,85% чистоты, требующей рафинирования, которое обычно осуществляют электролитически в современном электролизном корпусе длиной до 840 м, где устанавливают примерно 300 электролизеров.
Электролитическим рафинированием получают алюминий чистотой 99,999%, очистным методом дистилляции – 99,99999%.
В металлургии алюминия выделяют четыре основных источника пыле-, газообразования: добыча и транспортировка бокситов, производство глинозема, электролиз алюминия и анодное производство.
1 – кожух; 2 – шамот; 3 – угольный блок; 4 – угольная плита;
5 – глинозем; 6 – анод; 7 – токоподводящая шина; 8 – подвеска
(токоподвод); 9 – корка затвердевшего электролита; 10 – гарнисаж (затвердевший электролит); 11 – токоподвод
Рисунок 5.11 – Схема электролизной ванны для получения алюминия
Сухую пыль, образующуюся при добыче, подготовке, транспортировке и измельчении бокситовой руды, улавливают в камерах, циклонах и рукавных фильтрах. Мокрое пылеулавливание не применяют из-за трудностей, возникающих с удалением шлама, образующего вязкие глинистые массы.
При производстве глинозема количество пыли в печах прокаливания достигает 50% от массы готового продукта. Очистка их осуществляется в циклонах и сухих электрофильтрах. Циклоны размещают над печами, и уловленная в них пыль самотеком поступает вновь в печи. Пыль электрофильтров возвращается в печь пневмотранспортом.
При электролизе алюминия из электролизных ванн выделяются газы, содержащие в основном фтористый водород, оксид углерода и пыль.
Анодное производство является основным источником газовых выбросов алюминиевых заводов. В отходящих газах печей окисления содержится пыль, до 100 мг/м3 фтористых соединений и несколько сотен мг/м3 углеводородов, включая бенз(а)пирен.