Медные руды и пути их переработки

В настоящее время главнейшим природным источником для получения меди (~80% мировой добычи) служат сульфидные руды, содержащие чаще всего халькопирит CuFeS₂, называемый медным колчеданом, или другие сернистые минералы меди, например борнит 5Cu2S^.Fe2S3, халькозин CuS и др. В этих рудах обычно находится много пирита FeS₂, а иногда и сульфиды различных цветных металлов. Особенно часто в рудах содержатся цинк, свинец, никель, молибден, а нередко серебро и золото.

Вторым по значению источником для получения меди являются окисленные медные руды, содержащие медь в виде куприта Си.₂О или азурита 2СиСО₃ ^. Си(ОН)₂. Широко известен теперь уже очень редкий, окисленный минерал меди – малахит СuСО₃^.Сu(ОН)₂. Встречаются также смешанные сульфидно-окисленные медные руды, а также вкрапления самородной меди в различных горных породах.

Содержание меди в комплексных рудах незначительно (часто 1÷2%), и они перед плавкой почти всегда подвергаются обогащению, которое позволят флотацией выделить из руды отдельно мед­ный концентрат, содержащий 11÷35% меди, а также цинковый или пиритный концентрат.

 

Обогащение руд флотацией

Сущность флотации состоит в избирательном прилипании некоторых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверхности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные частицы поднимаются на поверхность. Через пульпу (смесь жидкости и мелких твердых частиц) пропускают пузырьки воздуха. Вследствие различной смачиваемости частицы одних минералов, плохо смачиваемые водой (или другой жидкостью, в которой протекает обогащение), прикрепляются к пузырькам воздуха и, поднимаясь с ними на поверхность, образуют минерализированную пену и тем самым отделяются от других, хорошо смачиваемых минералов, остающихся в пульпе.

Для успешного осуществления этого метода обогащения необходимо:

а) тонко измельчить руду до размеров частиц, меньших 0,1 мм, что дает возможность получить кусочки руды, состоящие из одного минерала, а не из сростков нескольких, и облегчает мелким пузырькам воздуха поднимать тяжелые минералы;

б) получить в пульпе много мелких пузырьков воздуха и создать условия для образования на поверхности пульпы устойчивой пены.

Для успешного осуществления флотационного обогащения применяют целый комплекс машин, позволяющих быстро и многократно повторять процесс флотации, и разные флотационные реагенты, которые вводятся в пульпу, усиливая или подавляя отдельные физические свойства ее элементов.

Различают следующие флотационные реагенты:

вспениватели, делающие пузырьки пены устойчивыми, не лопающимися, (сосновое масло и другие вещества, получаемые при перегонке древесины и каменного угля);

коллекторы (собиратели), уменьшающие смачиваемость определенной группы минералов водой и облегчающие их сцепление с пузырьками воздуха.

В настоящее время разработан широкий ассортимент коллекторов, делающих возможным обогащать флотацией разноообразные минералы. При флотации часто применяют также депрессоры (подавители), предотвращающие действие коллектора на некоторые минералы.

Подавителями служат неорганические электролиты, например, цианистый натрий NaCN, известь СаО, которую применяют при флотации медно-цинково-пиритных руд, так как на халькопирит CuFeS₂ известь не действует, но подавляет флотируемость цинковой обманки ZnS и пирита FeS₃. При так называемой селективной флотации, когда из руды необходимо выделить концентраты нескольких металлов, применяются и многие другие химические вещества. Общий расход флотационных реагентов невелик, составляет 50÷300 г на 1 т руды.

 

 

Рис. 18. Схема действия флотационной машины

1 – мешалка, 2 – выгрузка пенного концентрата, 3 – зона выгрузки отработанной пульпы

Рассмотрим лишь один из типов машин, в которых проводится собственно флотация. На рис. 18 представлена схема секции механической флотационной машины, на которой изображен процесс флотации. В машину через боковую трубу непрерывно подается пульпа, состоящая из воды, мелких частиц руды и уже внесенных в пульпу необходимых флотационных реагентов. Сверху по трубе засасывается воздух, вгоняемый в машину быстро вращающимся импеллером (300÷600 об/мин). Циркулирующая в машине пульпа в смеси с пузырьками воздуха в верхней правой части машины собирает пену, которую непрерывно удаляют из машины.Оставшаяся пульпа сливается через порог в боковой стенке машины (на схеме в задней стенке) и попадает в ее соседнюю секцию, так как флотационная машина состоит из 4÷20 камер (секций).

Полученный после флотационного обогащения медный порошкообразный концентрат, содержащий 11÷35% меди, 15÷35% серы, 15÷37% железа, а также немного кремнезема, окиси алюминия, окиси кальция, небольшие примеси цинка, никеля и некоторых других соединений, направляют на дальнейшую переработку.

 

Получение медных штейнов

 

Важнейшей операцией переработки медной руды является плавка на штейн. Штейном называют сплав сульфидов, образующийся при плавке медной руды, главным образом меди и железа (обычно 80÷90%), остальное составляют сульфиды цинка, свинца, никеля, а также окислы железа, кремния, алюминия и кальция, концентрирующиеся, главным образом, в шлаке, но частично растворяющиеся и в штейне. Жидкие штейны хорошо растворяют в себе золото и серебро, и, если эти ценные металлы есть в руде, они почти полностью концентрируются в штейне.

Целью плавки на штейн является отделение сернистых соединений меди и железа от содержащихся в руде примесей, присутствующих в ней в виде окисленных соединений. Получаемый штейн не должен содержать слишком мало меди, так как это делает непроизводительными последующие переделы, но и очень богатые медью штейны получать нельзя, так как при этом значительное количество меди теряется в шлаках.

В зависимости от химического состава руды и ее физического состояния штейн получают либо в шахтных печах, если сырьем служит кусковая медная руда, содержащая много серы, либо в отражательных или дуговых электрических печах, если исходным продуктом являются порошкообразные флотационные концентраты.

Отражательные печи для получения медного штейна строят длиной 35÷40, шириной 7÷10 и высотой 3,5÷4,5 м. Стены и свод делают из динасового или магнезитового кирпича. Отражательные печи отапливают мазутом, угольной пылью или газом, вдувая топливо форсунками (4÷10 шт.) через окна, имеющиеся в торце печи. Максимальная температура в головной части печи 1550⁰С и, постепенно снижаясь, к хвостовой части обычно бывает 1250÷1300⁰С. Шихту, в эти печи, загружают через отверстия в своде, расположенные вдоль печи у боковых стенок. При загрузке шихта ложится откосами вдоль стен, предохраняя кладку от прямого воздействия шлаков и газов. По мере нагревания шихты начинаются реакции частичного восстановления высших окислов железа и меди, окисления серы и шлакообразования. Например:

FeS+3Fe₃O₄+5SiO₂=5(2FeO•SiO₂)+SO₃

 

Сульфиды меди и железа, сплавляясь, дают первичный штейн, который, стекая по откосам, изменяет свой состав, обедняясь железом и обогащаясь медью:

2FeS+2Cu₂O+SiO₂= 2FeO+SiO + 2Cu₂S

в шлак в штейн

Наряду с этими основными реакциями в печи идут и многие другие химические реакции. Штейн, имеющий плотность около 5, собирается на поду печи, шлак образует второй верхний жидкий слой (плотность около 3,5); его выпускают по мере его накопления через шлаковое окно, расположенное в хвостовой части печи. Отверстия для выпуска штейна (обычно два) находятся на уровне лещади в одной из боковых стенок печи. Выпуск штейна производят по мере его образования и потребности в нем последующего конверторного передела.

Штейны содержат 23÷28% серы, 16÷60% меди и 50÷15% железа. Состав шлаков изменяется в широких пределах, но главными его составляющими всегда являются кремнезем (45÷30%) и закись железа (25÷45%).

Плавка медных концентратов в электрических печах из-за дефицита электроэнергии и возможности использования в этой операции низкосортных сернистых топлив пока не нашла широкого применения. Но для плавки кусковой медной руды еще широко применяют шахтные ватержакетные печи. Выпуск штейна и шлака из печи производится совместно и непрерывно через спускной желоб, имеющий гидравлический затвор. Жидкая вязкая смесь стекает в большой овальный отстойник, называемый передним горном, футерованный хромомагнезитовым кирпичом. В нем происходит медленное расслоение штейна и шлака. Избыточный шлак сливается по желобу в противоположном конце переднего горна, а штейн по мере необходимости выпускают через летки, расположенные у лещади горна. Над печью делают футеро­ванный огнеупорными материалами так называемый шатер для сбора и отвода отходящих газов и направления их на пылеулавливание и газоочистку.

Процесс шахтной плавки медных руд имеет ту особенность, что основное тепло, необходимое для плавки, получается за счет химических реакций, протекающих в печи и главным образом за счет окисления серы по реакции:

2FeS+3O₃=2FeO+2SO₂ +940 000 Дж (225000 кал).

Если процесс практически ведут почти без прибавления кокса (до 2%), плавку называют пиритной; плавку с добавлением к шихте более 6% кокса называют полупиритной. Процессы образования штейна и шлака в шахтной печи из-за применения кусковых материалов протекают сложнее, чем в отражательной печи, но химические реакции те же.

Переработка медного штейна

Для получения меди из штейнов применяется конвертор, конструкция которого отличается от конвертора, в котором получают сталь. Наиболее распространены цилиндрические бочкообразные конверторы,Наружный диаметр конвертора обычно 2,3÷4 м, длина 4,3÷10 м. Наиболее крупные конверторы выдают за один цикл процесса до 100 т меди. Воздух в конвертор подается через ряд фурм, расположенных по образующей цилиндра. Поворот конвертора, установленного на роликах, на необходимый угол для заливки штейна в горловину и выливки продуктов плавки проводится зубчатой передачей и зубчатым ободом, закрепленными на стальном кожухе. Внутри конвертор футеруется магнезитовым и хромомагнезитовым кирпичом. Переработка штейна в конверторе протекает в два периода, В конвертор загружают кусковой кварц, заливают расплавленный штейн и продувают его воздухом. Воздух, энергично перемешивая штейн, окисляет сульфиды меди и железа.

В первом периоде идет практически окисление только железа, а закись железа шлакуется кварцем. Образующийся шлак периодически сливают и в конвертор добавляют свежие порции медного штейна и кускового кварца. Температура заливаемого штейна обычно около 1200⁰С, но за время продувки, за счет большего выделения тепла при окислении сульфидов температура повышается до 1350⁰С. Продолжительность первого периода зависит от количества меди в штейне и составляет 6÷20 ч.

Введение в воздушное дутье добавки кислорода повышает температуру в конверторе и позволяет загружать в него холодный концентрат, заменив им некоторую часть расплавленного штейна. Первый период заканчивается, когда в продуваемом штейне окислено сернистое железо. После этого тщательно удаляют шлак и продолжают продувку без добавки штейна и кварца.

Второй период начинается, когда в конверторе остается только Cu₂S, называемый белым штейном, а на некоторых заводах «белым маттом». Воздух окисляет теперь только Cu₂S, и образовавшаяся закись меди способствует появлению в конверторе металлической меди по реакции:

Cu₂S+2Cu₂O=6Cu+SO₂

Второй период заканчивается, когда в конверторе весь белый штейн превращается в медь, на что обычно уходит 2÷3 ч. В конверторе и во втором периоде образуется небольшое количество богатого медью шлака, который остается в нем после выливки черновой меди и перерабатывается в следующем цикле. Конверторные шлаки первого периода направляют для переработки в отражательные печи. Конверторные газысодержат 12÷17% SO₂; их тщательно собирают с помощью так называемого напыльника и после очистки от пыли используют для получения серной кислоты. Черновую медь по окончании процесса наклоном конвертора выливают в ковш и разливают в изложницы. Полученную в конверторе медь называют черновой, то есть еще не готовой медью, так как в ней содержится 1,0÷2,0% железа, цинка, никеля, мышьяка, сурьмы, кислорода, серы и других примесей и растворены благородные металлы, ранее находившиеся в штейне.

 

Рафинирование меди

 

Черновая медь всегда подвергается рафинированию для удаления из нее примесей, ухудшающих ее свойства, а также извлечения из нее таких ценных металлов, как золото, серебро и др. В современной практике рафинирование проводят последовательно двумя принципиально различными методами: пилометаллургическим и электролитическим.

Огневое пирометаллургическое рафинирование меди проводят в отражательных печах меньших размеров (ширина 5 м, длина 12÷15 м, глубина 900 м), чем отражательные печи для получения штейна. Такие печи вмещают до 400 т меди. Эти печи отапливают мазутом, газом или угольной пылью. Подача топлива и необходимого для его горения воздуха в современных печах проводится автоматически в зависимости от наружной температуры ванны. Весь цикл огневого рафинирования состоит из следующих операций: загрузки и расплавления, окисления примесей, удаления растворенных газов, раскисления меди и разливки; он занимает обычно 12÷16 ч. Если рафинирование проводят на заводе, производящем черновую медь, и ее заливают в печь в жидком виде, продолжительность рафинирования значительно сокращается. Окисление примесей в черновой меди проводят воздухом, который вдувают через стальную трубку диаметром 20÷40 мм, футерованную огнеупорами и погружаемую в расплавленную медь. Окисление протекает на поверхности воздушных пузырьков; так как скорость окисления пропорциональна концентрации металлов в ванне, наиболее быстро окисляется медь по реакции: 4Cu+O₂=2CuO.

Закись меди растворяется в расплавленной меди и благодаря перемешиванию вдуваемым воздухом быстро распространяется по всему объему ванны и окисление примесей, поэтому идет главным образом через посредство закиси меди по следующей общей схеме

[Me]+Cu₂O=[Me]O+2Cu,

где: [Me] — все примеси.

Окислы примесей всплывают на поверхность и образуют шлак, быстрое удаление которого способствует более глубокому рафинированию. Отдельные летучие окислы могут переходить частично и в парообразное состояние. Таким путем удается удалить основную часть таких примесей, как Al, Si, Mn, En, Sn, Fe, Ni, Pb, S, и частично Sb, As, Bi; не окисляются и остаются в меди золото, серебро, а также селен и теллур.

Удаление растворенных газов из меди принято называть «дразнением на плотность». В металл ванны погружают сырые деревянные жерди, древесина которых выделяет газообразные углеводороды, бурно перемешивающие медь и удаляющие из металла сернистый и другие газы. Для сохранения лесных массивов и экономии древесины некоторые заводы заменяют сырую древесину природным газом, паро-мазутной смесью или другими газообразными восстановителями, являющимися отходами соседних производств. После удаления газов для получения пластичной меди начинают раскисление, или, как принято говорить на заводах, «дразнение на ковкость», так как содержание растворенной закиси меди после окисления иногда достигает 12%. Раскислителями служат газо­образные углеводы, которые вводят под зеркало металла так же, как и вдувают воздух, через металлическую трубку. Процесс может идти, например, по такому уравнению:

4Cu₂O+СН₄=СО₂+2Н₂О+8Си.

Для обеспечения более полного раскисления на время «дразнения на плотность» поверхность меди засыпают древесным углем и предварительно тщательно удаляют шлаки во избежание обратного восстановления из них примесей. Шлаки, полученные при рафинировании, содержат 5÷40% SiO₂, 5÷10% Fe, 35÷45% Си, в основном в виде окислов. Кроме того, в шлаках могут быть окиси цинка, никеля и других примесей.

Готовую медь выпускают из печи через вертикальную щель в стенке печи, для чего по мере вытекания меди постепенно сбивают перекрывающую ее плотнику из огнеупорной глины. Медь после огневого рафинирования подают на разливочные машины для отливки анодов почти квадратных плит с ушками, имеющими толщину 40÷50 мм и около метра в длину и ширину (массу 250÷320 кг). Указанные аноды направляются на электролитическое рафинирование.

Электролитическое рафинирование меди проводят в ваннах наполненных раствором сернокислой меди, подкисленным серной кислотой. Размеры ванн зависят от размеров и числа установленных в них электродов. В ваннах устанавливают до 45 катодов и 44 анода. Длина ванны 3÷5, внутренняя ширина 1,0÷1,1; глубина 1,0÷1,3 м, корпуса ванн делают из бетона или дерева, стенки ванны внутри покрывают винипластом, свинцом или другим кислотоупорным материалом Аноды соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока. Параллельно каждому аноду по бокам его устанавливают катодные основы, соединенные с отрицательным полюсом. Катодные основы – это тонкие (0,2÷0,3 мм) листы электролитной меди, имеющие петли, с помощью которых их подвешивают в ванне. Катодные основы обычно шире и длиннее анодов и плотными кристаллами оседают на катодных основах. Примеси имеющие более отрицательный потенциал, Zn, Fe, Bi, Ni, Sn, Sb, As и другие переходят в раствор, но не могут выделиться на катоде при наличии в нем большого количества ионов меди. Напряжение между анодом и катодом в ванне ~0,3 В, а электролит содержит 30÷40 г/л Сu и около 200 г/л H₂SO₄; температуру электролита выдерживают в пределах 50÷55⁰С. Электролит ванн непрерывно циркулирует, переливаясь из одной ванны в другую и периодически заменяется и очищается от накопившихся в нем примесей. Растворение анода длится 25÷30 дней, в зависимости от его веса и режима электролиза. Анодные остатки, составляющие около 15% первоначального их веса, извлекают и заменяют но­выми анодами. Катоды выгружают через 5÷12 дней во избежание короткого замыкания катодного осадка с анодом. Шлам, выпадающий на дне ванны, периодически выгружают при чистке ванн и направляют на переработку для извлечения его полезных составляющих. Нередко в шламе содержатся 35% серебра, 14÷16% меди, 5÷6% сурьмы, 6% селена, 3% теллура и до 1% золота, а также другие ценные составляющие.

Катоды, извлеченные из ванн, тщательно промывают водой, а затем их направляют для производства сплавов в электрических или отражательных печах или переплавляют в этих же печах. Из расплавленной рафинированной меди отливают заготовки для прокатки непрерывной разливкой или в изложницы.

Для получения бескислородной меди (марка МОб) и марок меди с пониженным содержанием кислорода (М1р, М2р и др.) переплавку катодов ведут в канальных индукционных электропечах со стальным сердечником, а разливку – непрерывно в защитной среде. Для меди марок с буквой «р» применяют раскисление фосфористой медью.

Медь и медные сплавы.

Товарная чистая медь согласно ГОСТ 854-66 может быть 10 марок: М00 (99,99% меди), М0 (99,95% меди).МОб (99,97% меди), М1 (99,90% меди), М1р (99.90%меди), М2 (99,70% меди), М2р (99,70% меди), М3 (99,50% меди), М3р (99,95% меди), М4 (99,0% меди).

Марки меди М00, МО и Ml получаются обычно только после электролитического рафинирования меди, другие марки могут быть получены и путем переплавки отходов, а медь МЗ и М4 можно получить только огневым рафинированием меди. В технической меди могут присутствовать примеси Bi, Sb, As, Pb, Sn, Fe, Ni, S, О, сопутствующие – при получении ее из руд и при рафинировании или попавшие в нее при переработке отходов. Более 50% чистой меди потребляет электротехническая промышленность и энергетика в качестве проводников электрического тока. Поэтому большое количество меди подвергается прокатке и волочению. Медь обладает хорошей пластичностью, как в холодном, так и в горячем состоянии. Но не все перечисленные примеси одинаково влияют на пластичность и другие свойства меди. Наиболее осложняют горячую прокатку меди висмут и свинец, поэтому их содержание в высших сортах меди лимитируется тысячными долями процента. Наиболее распространенными и известными сплавами меди являются латуни и бронзы.

 

Латуни

 

Латунями называют группу сплавов меди с цинком, получившую наиболее широкое применение в технике. В группу латуней входят томпак (90% и более меди, остальное цинк, если эти сплавы содержат от 79 до 86% меди, их называют полутомпак) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов. Механическая прочность латуней выше, чем меди, и они хорошо обрабатываются резанием. Большим их преимуществом является их пониженная стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. Латуни широко применяют в приборостроении, в общем и химическом машиностроении.

Медноцинковые латуни в соответствии с ГОСТ 15527–70 выпускают восьми марок: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63, Л60. В России их марки обозначают буквой Л, затем ставят цифру, указывающую средний процент меди в этом сплаве. Латуни более сложного состава в обозначении имеют после буквы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, показывающей процент меди, указывают процент добавок в марке латуни. Так, например, ЛС-59-1 означает: латунь свинцовистая, содержащая от 57до 60% меди от 0,8 до 1,5% свинца; ЛМцА-57-3-1 – латунь марганцовистоалюминиевая, содержащая 2,5÷3,5% марганца и 0,5÷1,5% алюминия. Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами: О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, Н – никель, К – кремний, А – алюминий и т. д. Добавки этих металлов к латуням вводят для повышения их механических свойств, улучшения их обрабатываемости, или коррозионной стойкости. Так, добавки никеля повышают прочность и коррозионную стойкость; добавки свинца ухудшают механические свойства латуней, но улучшают обрабатываемость резанием.

Латуни алюминиевые ЛА77-2, никелевые ЛН65-5, марганцовистые ЛМц58-2, оловянистые ЛО70-1, кремнистые ЛК80-1 используются в машиностроении для изготовления деталей методами давления, а латуни аллюминиево-железисто-марганцовистые ЛАЖМц 66-6-3-2, кремнисто-свинцовистые КС80-3-3 используются как литьевые.

Бронзы

 

Широко известны сплавы меди с оловом, называемые бронзами. Из бронзы еще в древности делали оружие и инструменты, сосуды и украшения, так как эти сплавы более прочны и коррозионно-стойки, чем медь. Благодаря отличным литейным качествам из этих сплавов в более позднее время стали отливать пушки, колокола и статуи. Современные оловянистые бронзы редко содержат более 10% олова. Они значительно тверже меди, но хорошо заполняют форму при литье и обрабатываются резцами, а также отличаются высокой коррозионной стойкостью. Наряду с применением бронз для монументальных памятников они используются при изготовлении арматуры газовых и водопроводных линий и в химическом машиностроении. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей под­шипников, червяков и червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.

Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят элементы, входящие в бронзу: О – олово, А – алюминий, Ф – фосфор, Т – титан и другие, обозначаемые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за буквами, обозначают среднее содержание добавок этих дополнительных элементов в бронзе (цифры, обозначающие процентное содержание меди в бронзах, не ставят). Так, например, БрОЦ4-3 обозначает в бронзе в среднем 4% олова, 3% цинка, остальное – медь.

Оловянные бронзы, обрабатываемые давлением БрОФ6,5-0,15; БрОЦ4-3. Оловянные литейные бронзы БрОЦС5-5-5; БрОЦСН3-7-5-1. Алюминиевые бронзы БрА5; БрАМц9-2; БрАЖС1-5-1,5.

В последнее время получили известность сплавы меди и никеля – мельхиор (80% Сu и 20% Ni. Иногда часть меди в этих сплавах бывает заменена цинком). Широко применяемый для изготовления украшений, столовых и чайных приборов, а также используемый для изготовления монет так называемый монель-металл (68% Ni, 28% Сu и небольшие добавки марганца и железа). Высокая коррозионная стойкость этого сплава, хорошие механические свойства и легкая обрабатываемость сделали возможным его использование не только для изготовления разменной монеты, но и как материал для хирургических инструментов, деталей в точном машиностроении и тонкой химической технологии.

Глава 6

Алюминий и его сплавы

 

Алюминий – второй (после железа) металл современной техники. Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение в технике, является его небольшая плотность, равная 2,7 г/см³, то есть алюминий почти в три раза легче железа.

Вторым очень важным свойством алюминия является его относительно высокая электропроводность, которая равна 34•10* Ом"1-см"1, что составляет 57% электропроводности меди. Температура плавления алюминия 660⁰С, температура кипения около 2500⁰С.

Кроме того, из свойств алюминия следует отметить его хорошую теплопроводность и теплоемкость. Алюминий химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой окиси, которая, в отличие от окиси железа, не пропускает кислород в толщу металла. Следовательно, алюминий, несмотря на быстрое окисление при нормальных условиях, коррозионностоек. Его кристаллическая решетка куб с центрированными гранями и параметром а =0,404 Нм (4,04 Ǻ). Никаких аллотропических превращений у алюминия не обнаружено.

Алюминий и его сплавы широко применяются в машиностроении для изготовления различных транспортных аппаратов. В технике очень важно, чтобы собственный вес транспортной машины был минимален, что дает возможность при той же мощности мотора повысить грузоподъемность аппарата. Использование алюминия в авиации всем хорошо известно. За границей алюминий широко применяется для изготовления многих деталей железнодорожных вагонов, автомобилей и подъемных кранов различных конструкций.

Вторая область его применения – электротехника. Это обусловлено тем, что алюминий менее дефицитен и встречается в природе более широко, чем медь; электропроводность алюминия меньше меди, хотя провод из алюминия такой же электропроводности, как аналогичный медный провод, получается толще, но зато легче. Это важно для проводки во всех летательных и транспортных аппаратах, а также для проводов воздушных линий электропередач, где, применяя алюминиевые провода, можно реже ставить опоры.

Алюминиевая промышленность является сложным производством. Для получения алюминия недостаточно иметь только алюминиевую руду; требуется еще другой вид сырья – плавиковый шпат для получения криолита и других фтористых солей, необходимых в производстве алюминия. Нужны также чистые углеродистые материалы для получения анодной массы и других электродных изделий, без которых невозможно электролитическое производство алюминия. Нельзя его осуществить и без электрической энергии.

Таким образом, современное производство алюминия складывается из четырех часто самостоятельных предприятий: производства глинозема, получения криолита, электродного производства и электролитического получения алюминия

 

Руды алюминия

Алюминий – наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%); в чистом виде он не встречается, зато минералов, содержащих алюминий, очень много. По данным акад. А. Е. Ферсмана, их больше 250, но алюминиевыми рудами являются далеко не все из них.

Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы. Бокситы представляют собой сложную горную породу, которая содержит алюминий в виде гидроокисей. Кроме того, в бокситах всегда присутствуют окиси и гидроокиси железа, содержится кремнезем в виде кварца, каолинита, а также карбонат кальция, окись титана и др. Внешний вид и химический состав бокситов очень непостоянен. Качество бокситов определяется количеством и формой окиси алюминия (хорошие бокситы содержат ее 50÷60%) и содержанием кремнезема, вредной примеси, затрудняющей получение алюминия.

Вторая руда, которая используется для производства алюминия в нашей стране, нефелин. Химическая формула этого минерала: Na(K)₂O-Al₂O₃-2SiO₂ Нефелины сопутствуют горной породе, которая называется апатит. Апатито-нефелиновых пород очень много на Кольском полуострове. Они давно разрабатываются для получения фосфорных удобрений и их отходом являются нефелины. Поскольку в нашей стране уделяется особое внимание комплексному использованию сырья, в настоящее время организовано производство глинозема из нефелинов на нескольких заводах. Алуниты, которые также относят к алюминиевым рудам, широко встречаются на Кавказе и в других южных районах.

Их химическая формула K2SO₄Ab(SO₄)₃-4Al(OH)₃. Из алунитов алюминия получают пока немного, но в ближайшее время это производство будет расширяться.

К рудам алюминия относятся также каолины, или глины. Химическая формула каолина А1₂О₃^.2SiO₂^.2Н₂О. Лучшие сорта глин содержат до 39% окиси алюминия. Однако глины пока не используются для получения алюминия.

Производство глинозема

Для производства алюминия сначала нужно получить чистую окись алюминия. В настоящее время известны патенты на несколько сотен способов получения чистой окиси алюминия. Современная алюминиевая промышленность использует несколько способов, которые можно разбить на три группы.

Электротермические способы. Суть этих способов заключается в восстановлении алюминиевой руды в электропечи; примеси, имеющиеся в руде, восстанавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремнистый чугун), оставляют в шлаке не восстановленной только окись алюминия, но в шлаке остаются некоторые частично не восстановленные примеси. Эти способы применяются для получения глинозема, идущего на изготовление шлифовальных кругов и других абразивных изделий, но для производства высококачественного алюминия такой глинозем не пригоден.

Кислотные способы. Сущность этих способов сводится к тому, что алюминиевая руда подвергается обработке какой-либо минеральной кислотой, например соляной или серной. В процессе такой обработки кислота взаимодействует с окисью алюминия и получается соответствующая растворимая соль (например, хлористый алюминий).

Основные примеси с кислотами не реагируют (кремнезем, окись кальция и целый ряд других). Однако ряд примесей взаимодействует со многими кислотами (например, окислы железа), что создает большие дополнительные трудности, так как полностью отделить соли железа от солей алюминия в растворе очень трудно. Эти способы применяются мало, однако на них существует много патентов и за границей и у нас. А поскольку руду можно обрабатывать кислотой только в кислотоупорной аппаратуре, это очень удорожает и осложняет производство глинозема.

Щелочные способы. Эти способы в большинстве стран применяют и для получения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, что алюминиевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи (едким натром, кальцинированной содой и др.). В результате взаимодействия окиси алюминия, имеющейся в руде, с едким натром при определенных условиях образуются так называемые алюминаты натрия. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворяются в воде.

Основная масса имеющихся в алюминиевой руде примесей со щелочами не взаимодействует и поэтому остается в нерастворенном состоянии, а алюминий переходит в раствор. Но есть примеси, которые могут взаимодействовать со щелочами. Важнейшая из них – кремнезем. Однако щелочные способы экономичнее кислотных, потому что все операции можно проводить в обычной стальной и чугунной аппаратуре. Поэтому щелочные способы сейчас применяются широко.

Рассмотрим один из наиболее употребительных щелочных способов получения окиси алюминия – способ спекания – более подробно.

Боксит и известняк дробят и дозируют с раствором соды в определенных пропорциях. Полученную таким образом мокрую шихту тонко размалывают в шаровых мельницах, и она выходит из них в виде жидкой пульпы. Пульпу после проверки и некоторой корректировки направляют в трубчатые медленно вращающиеся печи (длиной 80÷120 м, диаметром 2,5÷3,5 м). Указанную жидкую пульпу подают в «холодный» конец печи, где она встречается с отходящими печными газами, имеющими температуру порядка 300÷400⁰С. В результате влага испаряется; высохшая шихта, постепенно нагреваясь, перемещается в горячую зону, в которой температура достигает 1200÷1250⁰С. По мере нагревания в шихте протекает много сложных химических процессов, которые приводят к образованию алюминатов кальция и ферритов кальция и некоторых других комплексных соединений.

Продукты реакций выделяются из печи в виде так называемого спека (напоминающего пористую гальку серого цвета), состоящего главным образом из алюмината натрия, феррита натрия и двукальциевого силиката. Полученный спек охлаждают, дробят и подвергают выщелачиванию, сущность которого заключается в воздействии на спек слабых растворов соды. В результате выщелачивания, из спека в раствор переходит алюминат натрия, а также происходит гидролиз ферритов натрия по реакции:

 

Na₂O^.Fe₂O₃+4H₂O=Fe(OH)₃+2NaOH

Образовавшаяся гидроокись железа выпадает в осадок, а раствор обогащается едким натром. Полученный раствор отделяют от нерастворившихся примесей отстаиванием и фильтрацией. Наряду с этими желательными реакциями происходят и другие реакции, осложняющие технологию производства чистой окиси алюминия. Так, например, в раствор переходит некоторое количество силикатов натрия, что заставляет проводить специальную операцию, называемую обескремниванием раствора. Сущность этой операции сводится к длительному нагреванию и перемешиванию алюминатного раствора с известковым молоком в прочных закрытых цилиндрических сосудах со сферическими днищами, называемых автоклавами, при температуре 150÷180⁰С. В результате протекает ряд химических процессов, главнейший из которых охарактери­зуется следующим уравнением:

 

Na₂O^.А1₂О₃+2(Na₂O^.Si О₂)+Са(ОН)₂+4Н₂О= СаО·А1₂Оз·2SiO₂ ·2Н₂О+6NaOH

Осадок

 

После осветления раствора от взвешенных в нем частиц фильтрацией чистый алюминатный раствор подвергается карбонизации. Назначением этой операции является выделение из раствора чистой гидроокиси алюминия, не загрязненной другими веществами. Эту операцию проводят в цилиндрических баках с мешалками, в которые подают углекислый газ (обычно очищенные печные газы). Под действием С0₂ алюминатный раствор разлагается, из него выпадает белый осадок – гидрат окиси алюминия, который отделяется от раствора соды фильтрацией

Na₂OAl₂O₃+CO₂+3H₂O=Na₂CO₃+А1₂О₃-ЗН₂О.

 

Оставшийся оборотный раствор соды после добавления в него некоторого количества свежей соды возвращается на подготовку шихты для очередного спекания, а гидрат окиси алюминия прокаливается в трубчатых вращающихся печах (аналогичных печам спекания) при температуре 1200⁰С, в резул