Произв. Оксида аллюм. Из глинозёма электрохим. Способом

Вследствие высокой прочности оксид алюминия не восстанавливается водородом и металлами. Углерод начинает восстанавливать его только при 2500ºС, но при этой температуре образуется карбид алюминия. Поэтому оксид алюминия можно восстановить только на катоде и в отсутствие ионов, имеющих меньшие потенциалы разряда по сравнению с алюминием.

Ввиду высокой температуры плавления 2050ºС электролитическому восстановлению подвергаются только его растворы. Из большого количества изученных растворителей наиболее подходящим оказался расплавленный криолитNa₃AlF₆ (3NaF∙AlF₃). Это вещество:

1)хорошо растворяет оксид алюминия в расплаве;

2) не содержит ионов, более электроположительных, чем Al³⁺;

3)имеет сравнительно высокую электрическую проводимость.

Теоретически смесь, содержащая 10% Al₂O₃ и 90% Na₃AlF₆, плавится при температуре 962ºС. В производственных условиях исходная смесь (шихта) содержит 8-10% Al₂O₃ и 90-92% Na₃AlF₆. Температура плавления шихты находится в приделах 980-1000ºС. Для повышения электрической проводимости и компенсации диссоциировавшего AlF₃ в составе криолита в электролит добавляют AlF₃ и фториды кальция и магния.

Электролиз реализуется на инертных электродах из углеродистых материалов. При растворении Al₂O₃ происходит диссоциация оксида алюминия на ионы:

Al₂O₃ → Al³⁺ + AlO₃^3-

вплоть до ионов Al³⁺ и O^2-, которые, возможно частично соединяются в ионы AlO₂^- и AlO⁺.

На угольном катоде, в первую очередь, происходит разряд ионов алюминия Al³⁺ с нормальным потенциалом -1,66 В (на электродах разряжаются в первую очередь ионы, обладающие наименьшим потенциалом разряда):

Al³⁺ +3e = Al⁰

Выделившийся на катоде алюминий имеет более высокую плотность
ρ = 2,73 г/см, чем расплав ρ = 2,35 г/см, поэтому опускается на дно ванны.

На угольном аноде наиболее вероятен разряд ионов AlO₂^- и AlO₃^3-:

2AlO₃^3- - 6e = Al₂O₃ + 1,5O₂

2AlO₂^- - 2e = Al₂O₃ + 0,5O₂

На аноде кислород реагирует с углеродом (сжигает анод) с образованием оксида углерода (IV).

Производство алюминия можно считать совмещённым электрохимическим и электротермическим процессом, так как электролизёр работает и как электрохимическая печь. Расплавление электролита и поддерживание необходимой температуры обеспечивается электронагревом, т. е. часть энергии электрического тока превращается в необходимую для процесса теплоту.

Электрохимическое производство алюминия осуществляется на алюминиевых заводах, расположенных большей частью вблизи крупных электростанций, производящих большое количество дешёвой электрической энергии

В промышленности применяют электролизёры с обожжёнными или самообжигающимися анодами.

Электролизёр состоит из катодного и анодного устройств. Катодное устройство представляет собой металлический кожух прямоугольной формы с огнеупорной изоляцией 1, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом 2 и поверх его угольными блоками 3.

Нижние (подовые) блоки являются одновременно токоподводами 9 (к которым подводится ток, с помощью медного токопровода) для расплавленного алюминия, играющего роль катода.

Электролизёр снабжён:

1) системой газоулавливания;

2) системой дожигания оксида углерода (II);

3) устройством для непрерывной подачи глинозёма;

4) системой откачивания металлического алюминия.

Анодное устройство состоит из угольных анодов, частично погружённых в расплавленный электролит, и запрессованных в них токопроводов 9.

Так как материал анода участвует в процессах электролиза, то они непрерывно обгорают, что приводит к изменению расстояния между электродами и к нарушению режима процесса. Для устранения этого явления применяют непрерывные аноды различной конструкции. В электролизёрах используют аноды двух типов: самообжигающиеся и предварительно обожжённые.

В современных электролизёрах высокой мощности применяют предварительно обожжённые аноды, которые состоят из блоков, наращиваемых сверху по мере их обгорания. Токопроводы впрессованы с боку в готовые блоки.

Плотность криолита, алюминия и глинозёма в твёрдом состоянии равны, соответственно: 2,95; 2,70 и 3,90 т/м³.

При температуре электролиза плотность расплавленного алюминия составляет 2,3 т/м³, а электролита – около 2.0 т/м³. Вследствие разности плотностей жидкий алюминий отделяется от криолито-глинозёмного расплава и собирается на дне ванны.

В процессе электролиза в результате охлаждения ванны наружным воздухом на поверхности расплава образуется твёрдый слой электролита (горнисаж), который утепляет ванну и тем самым снижает расход энергии.

Для извлечения из ванны расплавленного алюминия используются вакуумные ковши или сифоны, засасывающая труба которых вводится в жидкий алюминий через слой горнисажа.

Глинозём непрерывно подаётся в электролизёр пневматического штокового устройства, позволяющего пробивать корку горнисажа и дозировать глинозём.

Из верхнего пространства ванны – электролизёра, снабжённого вентиляционной установкой оттягиваются анодные газы (CO₂, CO, HF), пыль глинозёма и криолита. Токсичные газы перед выбросом в атмосферу очищаются, соединения фтора улавливаются.

 

ПОДГОТОВКА (ОБОГАЩЕНИЕ) ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ.

!!!Железные руды перед выплавлением железа подвергаются специальной обработке с целью их обогащения, т. е. повышения содержания железа.

Основными операциями подготовки являются:

а) измельчение - включает операции дробления, тонкого измельчения и классификации методом грохочения;

б) обогащение руды включает операции отмывания пустой породы, флотации, гравитационной и магнитной сепарации.

Наиболее широко применяется метод магнитной сепарации.

Магнитная сепарация заключается в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы руды отделяются от пустой породы.

Магнитное обогащение можно непосредственно использовать только для так называемых сильномагнитных, магнетитовы х и титаномагнетитовых руд.

Для других руд – средне - и слабомагнитных – перед обогащением производят магнетизирующий обжиг.

в) окускование рудной мелочи. Полученный методом обогащения рудный концентрат является мелкодисперсным по своей структуре, и поэтому подвергается операции окускования.

В чёрной металлургии используется два способа окускования: агломерация и окомкование (окатывание).

Агломерация - процесс спекания рудного концентрата (мелкодисперсной руды) в крупные пористые куски.

Мелкоизмельчённую руду перемешивают с мелочью кокса, мелкоизмельчёнными флюсами и увлажняют. Затем полученную смесь загружают в машины для спекания.

В результате агломерации:

количество железа возрастает до 60%,

удаляется до 95% серы и значительное количество оксида кремния.

Окомкованием называется способ окускования тонко измельчённого рудного концентрата (шихты) путём превращения его в комки (окатыши) с последующим упрочняющим отжигом. Окомкование концентрата осуществляется в грануляторах барабанного типа. Содержание железа в окатышах составляет 80-90%. Топливо обеспечивает: а) создание в печи высоких температур, необходимых для протекания реакций восстановления оксидов железа; б) образование оксида углерода (II) и водорода, которые являются газообразными восстановителями железа из оксидов;

В качестве т оплива используется каменноугольный кокс, содержащий 80-86% углерода. Кокс должен обладать высокой прочностью, сопротивлением к истиранию, не спекаться в условиях доменного процесса и содержать минимальные количества золы, серы и фосфора

Флюсы. Для перевода компонентов пустой породы - тугоплавких оксидов кремния, алюминия и кальция в лёгкоплавкий шлак, не смешивающийся с чугуном, используют флюсы: известнякCaCO₃ или доломит MgCO₃.

На заводах флюсы вводят в доменную печь главным образом в виде офлюсованного агломерата и офлюсованных окатышей.

Марганцевые руды, содержащие оксиды марганца (MnO₂ и Mn₂O₃) или карбонат марганца (MnCO₃), используются при вплавлении литейного и передельного чугунов (содержание марганца до 1%).

38. ШЛАКООБРАЗОВАНИЕ. ПРОДУКТЫ ДОМЕННОГО ПРОИЗВ. РЕГРНЕРАТОРЫ(КАУПЕРЫ) Образование шлака.

При доменной плавке одновременно с образованием чугуна при температуре около 1000ºС образуется шлак в виде различных силикатов, алюминатов и алюмосиликатов кальция, образовавшихся за счёт взаимодействия основных (оксиды кальция, магния, марганца и железа) амфотерных и кислотных оксидов (оксидов алюминия и кремния).

При температуре 1250-1350ºС шлаки плавятся и накапливаются в горне над расплавленным чугуном. РЕГЕНЕРАТОРЫ.Эффективность доменной печи существенно повышается при использовании горячего дутья.

Воздух, необходимый для окисления углерода предварительно нагревается до температуры, которая может достигать 1000ºC, под избыточным давлением (1,5-3 МПа) Иногда воздух перед вводом в печь обогащают кислородом до 25% по объёму и увлажняют.Нагревание осуществляется в кауперах, каждый из которых ненамного уступает в размерах самой доменной печи (Рис. 8.4):

Рис. 8.4. Схема доменного производства

Каупер – аппарат цилиндрической формы диаметром 6-9 метров и высотой до 45 метров, выложен огнеупорным кирпичом.

Внутренне пространство каупера разделено на две части: камеру сгорания (4) и камеру с насадкой (5) из огнеупорного кирпича в виде решётки со сквозными каналами.

Режим работы каупера

1) Газ, отводимый с верхнего конца доменной печи, содержит оксид углерода и другие газы, способные гореть. Этот газ по широким наклонным газоходам подводится к нижней части каупера, где, пройдя через пылевой фильтр, сжигается в камере горения.

2) Продукты горения поднимаются вверх, нагревая кирпичную насадку.

3) Когда насадка достаточно нагрета (1200-1300ºС), перекрывают подачу топлива и газа в камеру горения и включают воздуходувки, которые гонят воздух в фурмы доменной печи.

Для каждой доменной печи обычно предусматривают четыре каупера: два нагреваются, а два других подают горячее дутье. Потоки газа и воздуха периодически переключаются так, что непрерывно поддерживается заданная температура дутья.