Производство алюминия (электролиз)

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО науки и высшего ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра машиностроения

РЕФЕРАТ

По дисциплине Технология конструкционных материалов

Тема работы: Производство алюминия (электролиз)

Выполнил: студент гр

ТОА-21

Галушко М.Д.

Санкт-Петербург

2023

Оглавление

Введение

Получение алюминия путем электролиза

Рафинирование алюминия

Список литературы

Введение

Алюминий -- химический элемент III группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, легкий и пластичный металл матово-серебристого цвета. Вследствие высокой химической активности алюминий в природе встречается только в связанном виде. Плотность (при нормальных условиях) -- 2,69 г/см3, электропроводность -- 37 · 106 См/м.

Уникальные свойства алюминия: - на воздухе моментально образует оксидную защитную пленку, которая способствует высокой коррозионной стойкости металла; - низкая плотность при высокой прочности; - неизменность свойств при низких температурах. Алюминий обладает амфотерными свойствами, т. е. реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, а при взаимодействии со щелочами -- алюминаты. Эта особенность существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного состава. Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах, а также в щелочах, но концентрированная азотная и органическая кислоты на алюминий не действуют. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от количества примесей в алюминии, его предварительной механической обработки и температуры. С увеличением содержания примесей прочностные свойства алюминия растут, а пластичные снижаются, которые проявляются и при изменении чистоты алюминия от 99,5 до 99,0%. Благодаря таким свойствам, как малая плотность, высокая теплопроводность, низкое электрическое сопротивление, высокая пластичность, коррозионная стойкость, алюминий получил исключительно широкое распространение в различных отраслях современной техники и играет важнейшую роль среди всех цветных металлов.

Чистый технический алюминий используется в электротехнике в качестве проводникового материала и для производства фольги. Основная часть алюминия применяется в виде литейных и деформируемых сплавов, и сравнительно небольшое количество алюминия -- в виде порошков.

К основным областям применения алюминия и его сплавов относятся аэрокосмическая промышленность, строительство, высокоскоростной железнодорожный и водный транспорт, автомобилестроение, электротехника, машины и турбинная техника, упаковка пищевых продуктов и напитков, криотехника, пиротехника и ракетное топливо, пищевая промышленность.

Алюминий в чистом виде в природе не встречается, именно поэтому еще 200 лет назад человечество ничего не знало об этом металле. Метод получения алюминия при помощи электричества был разработан в 1886 году и применяется до сих пор.

Практически единственным методом получения металлического алюминия является электролиз криолитоглиноземного расплава. Основное сырье для этого процесса -- глинозем (Al2O3) -- получают различными гидрохимическими методами путем переработки минералов, содержащих соединения алюминия.

Добыча бокситов

Производство алюминия начинается с добычи бокситов. Эта горная порода богата алюминием, который содержится в ней в форме гидрооксидов. Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточены в тропическом поясе.

Рисунок 1 - Бокситы в чистом виде

Производство глинозема

Боксит дробят, высушивают и размалывают в мельницах вместе с небольшим количеством воды. Образовавшуюся густую массу собирают в емкости и нагревают паром, чтобы отделить большую часть кремния, содержащегося в бокситах.

Руду загружают в автоклав и обрабатывают щелочью - едким натром. В получившейся щелочной раствор из руды переходит практически весь оксид алюминия, а все посторонние примеси формируют твердый осадок -- красный шлам.

Раствор алюмината натрия несколько суток перемешивают в декомпозерах, в результате чего в осадок выпадает чистый глинозем - Al₂O₃.

Получение алюминия

Современное получение алюминия осуществляется путем электролитического разложения глинозема (Al2O3), растворенного в электролите (расплавленный криолит (Na3AlF6)). Технологический процесс осуществляется при 950-965°С в электролизных ваннах (электролизерах). Через раствор пропускают электрический ток силой до 400 кА и выше - он разрывает связь между атомами алюминия и кислорода, в результате металл в жидкой форме собирается на дне ванны. В целом процесс разложения глинозема в электролизерах можно представить в виде формул:

Al2O3 + 1,5 C - 2 Al + 1,5 CO2,

Al2O3 + 3 C - 2 Al + 3 CO.

Суммарную реакцию можно записать в виде:

Al2O3 + x C = 2 Al + (3 ? x) CO2 + (2x ? 3) CO

или представить ее как сумму трех реакций:

Al2O3 - 2 Al + 1,5 O2,

C + O2 - CO2,

C + 0,5 O2 - CO.

Рисунок 2 - Электролизная ванна (электролизер)

Электролизная ванна или электролизер, где проводят электролиз, имеет в плане прямоугольную форму. Схема поперечного разреза ванны показана на рис. 247. Кожух 1 из стальных листов охватывает стены ванны, а у больших ванн выполнен с днищем. Внутри имеется слой шамота 2 и далее стены выложены угольными плитами 4, а под образован подовыми угольными блоками 3. Ванна глубиной 0,5--0,6 м заполнена электролитом и находящимся под ним слоем жидкого алюминия.

Рисунок 3 - Принципиальная схема электролизной ванны для получения алюминия: 1 - кожух, 2 - угольная футеровка, 3 - токопровод, 4 - анод, 5,6 - шины, 7 - электролит, 8 - алюминий, 9 - корха, 10 - глинозем

По ходу процесса в ванны периодически загружают глинозем; контролируют состав электролита, вводя корректирующие добавки; с помощью регуляторов поддерживают оптимальное расстояние между анодами и жидким алюминием (в пределах 40--50 мм). Глинозем загружают в ванны сверху, пробивая для этого корку спекшегося электролита (рис. 247, 9) с помощью передвигающихся вдоль ванн машин.

Жидкий алюминий извлекают из ванн один раз в сутки или через 2--3 сут с помощью вакуум-ковшей. Вакуум-ковш представляет собой (рис. 249) вмещающую 1,5--5 т алюминия футерованную шамотом емкость, в которой создается разряжение 70 кПа. Соединенную с патрубком 6 ковша заборную трубку погружают сверху в слой жидкого алюминия в ванне и за счет разрежения алюминий засасывается в ковш.

Рисунок 4 - Вакуум - ковш для извлечения алюминия:

1 - кожух, 2 - сливной носок, 3 - патрубок для подсоединения вакуумного насоса, 4- люк, 5 - крышка, 6 - заборный патрубок, 7 - футеровка

Выделяющиеся анодные газы вначале направляют в горелки, где сжигают СО и возгоны смолы, а затем в газоочистку, где улавливают пыль и фтористые соединения.

Производительность современных электролизных ванн составляет 500--1200 кг алюминия в сутки. Для получения 1 т алюминия расходуется

· 1,95 т глинозема,

· 25 кг криолита

· 25 кг фтористого алюминия

· 0,5--0,6 т анодной массы

· 14--16 МВт * ч электроэнергии.

Рафинирование алюминия

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем содержится металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием путем продувки расплава алюминия хлором. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла и их удаляют. Хлорирование алюминия способствует удалению газов, растворённых в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше при температуре 700 - 730 °С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота алюминия составляет 99,5 - 99,8%. Для большинства потребителей алюминия такой чистоты вполне пригоден. Однако, для отдельных отраслей современной техники нужен алюминий более высокой чистоты. Такой алюминий получают электролитическим рафинированием, при котором загрязненный алюминий служит анодом и подвергается растворению и осаждению на катоде, а чистый алюминий является катодом. При таком рафинировании получают алюминий чистотой 99,996%.

При необходимости получить алюминий более высокой чистоты применяют метод зонной плавки или дистилляции алюминия.

При зонной плавке из алюминия электролитического рафинирования отливают прутки и помещают в кварцевую трубку, в которой создают вакуум. Вокруг трубки располагают индуктор, соединенный с источником электрического тока высокой частоты (ТВЧ). Под индуктором пруток расплавляется и возникает зона жидкого алюминия, а остальная часть прутка остается твердой. Индуктор передвигается вдоль прутка с определенной скоростью и зона жидкого алюминия перемещается. При этом примеси концентрируются в расплаве и вместе с ним передвигаются к концу слитка. Затем слиток извлекают и конец отрезают. Оставшаяся часть состоит из алюминия высокой чистоты (99,9999%).

При применении способа дистилляции алюминия рафинирование его осуществляется через так называемые субсоединения путем пропускания парообразных хлористого и фтористого алюминия над расплавленным алюминием при температуре 1000 °С и выше.

Эти субсоединения при охлаждении разлагаются на алюминий и хлористый или фтористый алюминий. Примеси, содержащиеся в черновом алюминии, не перегоняются. Этим способом получают алюминий очень большой чистоты (99,99999%).

Последние два метода рафинирования дороги и малопроизводительны. Они используются для очистки лишь небольшого количества металла, необходимого для изготовления полупроводников и других ответственных изделий.

алюминий глинозем электролиз

Список литературы

1. Алюминиевая промышленность мира // География. -- 2001. -- № 10. -- С. 21.

2. Алюминиевые сплавы антифрикционного назначения / [Н. А. Белов и др.] ; под ред. А. Е. Миронова, Н. А. Белова, О. О. Столяровой. -- М. : МИСиС, 2016. -- 222 с.

3. Алюминий: Свойства и физическое металловедение : пер. с англ. / под ред. Дж. Е. Хэтча. -- М. : Металлургия, 1981. -- 423 с.

Размещено на Allbest.ru