Потенциально опасные процессы при производстве алюминия

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ»

Технологический колледж

Специальность: Защита в чрезвычайных ситуациях

РЕФЕРАТ

Название темы:

Потенциально опасные процессы при производстве алюминия

Выполнил: Шадапов Гэсэр Дашинимаевич

Студент группы 112-2;

Проверила: Чудинова Ольга Николаевна

Улан-Удэ 2013 год

Содержание

Введение

Технология производства

Характеристика опасных веществ и материалов используемых в производстве

Характеристика используемого оборудования

Заключение

Список используемых материалов

Введение

Для изготовления любых изделий, предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок. Алюминий обладает замечательными свойствами, которые объясняют широкий спектр его применения. По объемам использования в самых разных отраслях промышленности он уступает только железу. Ковкий и пластичный, алюминий легко принимает любые формы. Оксидная пленка делает его устойчивым к коррозии, а значит, срок службы изделий из алюминия может быть очень долгим. Кроме того, к списку достоинств необходимо добавить высокую электропроводимость, не токсичность и легкость в переработке.

Технология производства

Технологический процесс получения алюминия состоит из трех основных стадий:

1. Получение глинозема из алюминиевых руд;

2. Получение алюминия из глинозема;

3. Рафинирование алюминия.

Получение глинозема из руд.

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169-170 ?С может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций (рисунок 1.):

1. Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al2O3; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2. Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230-250 ?С (500-520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия, или содержатся в боксите кремнезем взаимодействуя со щелочью и переходя в раствор в виде силиката натрия, в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100°С;

3. Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6-1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4. Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60 ?С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH)3. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси -- затравки.

5. Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50-60% частиц Al(OH). Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затравочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Остаток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах -- для выщелачивания новых бокситов);

6. Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150-1300 ?С; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения.

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% б-Al2O3 (корунд), остальное г-Al2O3. Этим способом извлекается 85-87% от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ?С.

Получение алюминия из его окиси.

Электролиз окиси алюминия. Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970°С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают (рисунок 2). Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись углерода (CO) или двуокись углерода (CO2). На практике находят применение два типа анодов:

а) самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых «хлебов» массы Зедерберга (малозольный уголь с 25-35% каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);

б)обожженные, или «непрерывные», аноды из больших угольных блоков (например, 1900Ч600Ч500 мм массой около 1,1 т).

Сила тока на электролизерах составляет 150 000 А. Они включаются в сеть последовательно, т. е. получается система (серия) -- длинный ряд электролизеров. Рабочее напряжение на ванне, составляющее 4-5 В, значительно выше напряжения, при котором происходит разложение окиси алюминия, поскольку в процессе работы неизбежны потери напряжения в различных частях системы.

Электролиз хлорида алюминия. В реакционном сосуде окись алюминия превращается сначала в хлорид алюминия. Затем в плотно изолированной ванне происходит электролиз AlCl3, растворенного в расплаве солей KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и подается для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде. Преимуществами данного метода перед существующим электролизом жидкого криолитоглиноземного расплава (Al2O3, растворенная в криолите Na3AlF6) считают: экономию до 30% энергии; возможность применения окиси алюминия, которая не годится для традиционного электролиза (например, Al2O3 с высоким содержанием кремния); замену дорогостоящего криолита более дешевыми солями; исчезновение опасности выделения фтора.

Получение рафинированного алюминия.

Для алюминия рафинирующий электролиз с разложением водных солевых растворов невозможен. Поскольку для некоторых целей степень очистки промышленного алюминия (Al 99,5 -- Al 99,8), полученного электролизом криолитоглиноземного расплава, недостаточна, то из промышленного алюминия или отходов металла путем рафинирования получают еще более чистый алюминий (Al 99, 99 R). Наиболее известен метод рафинирования -- трехслойный электролиз.

Рафинирование методом трехслойного электролиза. Одетая стальным листом, работающая на постоянном токе (представленная на рисунке 3) ванна для рафинирования состоит из угольной подины с токоподводами и теплоизолирующей магнезитовой футеровки. В противоположность электролизу криолитоглиноземного расплава анодом здесь служит, как правило, расплавленный рафинируемый металл (нижний анодный слой). Электролит составляется из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фторидов алюминия и натрия (средний слой). Алюминий, растворяющийся из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой). Чистый металл служит катодом. Подвод тока к катодному слою осуществляется графитовым электродом.

Ванна работает при 750-800 ?С, расход электроэнергии составляет 20 кВт*ч на 1 кг чистого алюминия, т. е. несколько выше, чем при обычном электролизе алюминия.

Металл анода содержит 25-35% Cu; 7-12% Zn; 6-9% Si; до 5% Fe и незначительное количество марганца, никеля, свинца и олова, остальное (40-55%) -- алюминий. Все тяжелые металлы и кремний при рафинировании остаются в анодном слое. Наличие магния в электролите приводит к нежелательным изменениям состава электролита или к сильному его ошлакованию. Для очистки от магния шлаки, содержащие магний, обрабатывают флюсами или газообразным хлором. В результате рафинирования получают чистый алюминий (99,99%) и продукты сегрегации (зайгер-продукт), которые содержат тяжелые металлы и кремний и выделяются в виде щелочного раствора и кристаллического остатка. Щелочной раствор является отходом, а твердый остаток применяется для раскисления. Рафинированный алюминий имеет обычно следующий состав, %: Fe 0,0005-0,002; Si 0,002-0,005; Cu 0,0005-0,002; Zn 0,0005-0,002; Mg следы; Al остальное. Рафинированный алюминий перерабатывают в полуфабрикат в указанном составе или легируют магнием.

Характеристика опасных веществ и материалов, используемых в производстве

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий.

Первая - это получение глинозема (Al2O3) из рудного сырья и вторая -- получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Руды алюминия. Вследствие высокой химической активности алюминий встречается в природе только в связанном виде: корунд Al2O3, гиббсит Al2O3 * 3Н2O, бемит Al2О3 * Н2O, кианит 3Al2O3 * 2SiO2, нефелин (Na, K)2O * Al2O3 * 2SiO2, каолинит Al2О3 * 2SiO2 * 2H2O и другие. Основными используемыми в настоящее время алюминиевыми рудами являются бокситы, а также нефелины и алуниты.

Бокситы используемые для производства алюминия. Алюминий в бокситах находится главным образом в виде гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита и др.), корунда и каолинита. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35--60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe2O3 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al2O3 К SiO2 по массе -- так называемый кремневый модуль. Кремневый модуль бокситов, поступающих для получения глинозема, должен быть не ниже 2,6. Для бокситов среднего качества этот модуль составляет 5--7 при 46-48 %тном содержании Al2O3, а модуль высококачественных -- около 10 при 50 %-ном содержании Al2O3.

Нефелины служащие сырьем для производства алюминия входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита это нефелин и апатит 3Са3(РO4)2 * CaF2. Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового и апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приготовления фосфорных удобрений, а нефелиновый - для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20-30 Al2O3, 42-44 SiO2, 13-14 Na2O, 6-7 K2O, 3-4 Fe2O3 и 2-3 CaO. Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K2SO4 * Al2(SO4)3 * 4Аl(ОН)3. Содержание Al2O3 в них невысокое (20-22%), но в, них находятся другие ценные составляющие: серный ангидрид SO3 (~20%) и щелочь Na2O * К2O (4-5 %). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

При производстве глинозема применяют щелочь NaOH, иногда известняк СаСО3, при электролизе глинозема криолит Na3AlF6 (3NaF * AlF3) и немного фтористого алюминия AlF3, а также CaF2 и MgF2.

Алюминий обладает многими ценными свойствами:

Небольшой плотностью -- около 2,7 г/см3,

Высокой теплопроводностью и высокой электропроводностью 13,8*107 Ом/м;

Хорошей пластичностью и достаточной механической прочностью.

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины. В состав дюралюминия, кроме Al, входят 3,4-4% меди, 0,5% Mn и 0,5% Mg, допускается не более 0,8% Fe и 0,8% Si. Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали (плотность дюралюминия 2,85 г/см3). Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработки и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147--216 МПа до 353 -- 412 МПа, а твердость по Бринелю с 490-588 до 880-980 МПа. При этом относительное удлинение дюралюминия почти не изменяется и остается достаточно высоким (18--24 %).

Силумины -- литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.

Применение.

Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энергетике и электронике. Многие части искусственных спутников нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов. Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в черной металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.). По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место после железа.

Характеристика используемого оборудования.

Электролизный цех. Основное оборудование электролизного цеха:

электролизер; алюминий технологический электролиз глинозем

установка для перетяжки анодов;

технологический кран;

монтажный кран;

вакуумный ковш;

цеховая (катодная) ошиновка.

Основные составляющие электролизера:

анодное устройство;

катодный кожух;

анод.

Анодное устройство состоит из:

Балки-коллектора;

Механизма подъема анодов;

Анодной ошиновки;

Системы автоматической точечной подачи глинозема (АПГ) в комплекте с пробойниками.

На балке установлен механизм для подъема и опускания ошиновки и система автоматической точечной подачи глинозема (АПГ) с пробойниками. Анододержатель состоит из алюминиевой штанги и стального кронштейна. Контакт между ними выполнен при помощи приварной биметаллической пластины.

Цеховая (катодная) ошиновка. Предназначена для последовательного подсоединения электролизеров.

Установка для перетяжки анодов. Предназначена для перетяжки анодов при нижнем крайнем положении анодной ошиновки.

Технологический кран. Кран технологический 6/20/2 х 15т предназначен для работы в цехах производства алюминия с электролизерами с обожженными анодами с однорядным поперечным размещением их в корпусах. Кран выполняет следующие технологические и вспомогательные подъемно-транспортные операции:

Извлечение отработанных и установку новых анодов;

Разрушение электролитной корки при замене анода;

Загрузку глинозема на продольные и торцевые стороны электролизера, и на поверхность нового анода;

Загрузку глинозема в бункера АПГ электролизеров;

Зачистку места под установку нового анода; транспортирование и взвешивание вакуумного ковша при заборе алюминия из электролизеров;

Переливку алюминия в открытый ковш;

Транспортирование поддонов с анодами и огарками;

Транспортирование устройства для перетяжки анодной рамы.

Установка сухой газоочистки. В последние годы одним из наиболее эффективных направлений по сокращению вредных выбросов в атмосферу при производстве алюминия является использование современной системы сухой газоочистки, которая позволяет обеспечить очистку отходящих газов в соответствии с экологическими нормами, а также вернуть в технологический процесс электролиза дорогостоящие химические элементы. Резкое сокращение выбросов в атмосферу вредных веществ, характерных для производства алюминия, таких как пыль глинозема, фтористые газообразные и твердые соединения, смолистые вещества является положительным экологическим аспектом.

Оборудование для литейного цеха. Объединением производится оборудование для отливки алюминиевых чушек, укладки их в штабель, обвязки и уборки штабелей.

Линия литья и пакетирования чушек из алюминия состоит из:

Заливочного устройства;

Литейного конвейера;

Механизма разгрузки и ориентации;

Манипулятора;

Поворотного стола со сталкивателем;

Накопительного конвейера;

Системы автоматики.

Подогрев изложниц осуществляется газом, охлаждение изложниц с алюминием - водяное. Масса одной чушки - 15 кг Газовая печь (миксер) предназначена для приема жидкого алюминия из корпусов электролиза и его разливки на литейном конвейере .Температура металла - 760°С

Мостовые краны грузоподъемностью 20/5 т для транспортировки расплавленного металла.

Заключение

Благодаря ряду положительных свойств алюминия и большого количества его в земной коре (до 7,45%) он широко применяется в производстве в виде различных сплавов. Чистый алюминий из-за высокой химической активности в природе не встречается и в технике не применяется. Сплавы алюминия применяются практически во всех отраслях промышленности (авиационной, ракетостроительной, приборостроительной и др.). Наибольшее применение имеют сплавы алюминия с кремнием, магнием и медью (литейные и деформируемые). И в конце хотелось бы сказать что производство алюминия - это опасный производственный процесс и который относится к критериям (1, 2, 4).

Список используемых материалов

ФЗ №116 от 21 июля 1997 года «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»;

http://ru.wikipedia.org/wiki/;

http://ru.wikipedia.org/wiki/;

Ахметов Н.С., Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1989;

Ю. В. Ходаков, В. Л. Василевский «Металлы», Москва изд. Просвещение 1966г;

Архипов В.В., Касенко М.А., Ларин М.Н. и др. Технология металлов, М.: Высшая школа, 1964.

Размещено на Allbest.ru