Получение алюминия и его сплавов

Основным способом производства алюминия в настоящее время является электролитический. Электролиз — это совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока.

Основное сырье для производства алюминия — алюминиевые руды, бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов — гидроксидов А1(ОН)3, корунда А12О3 и каолинита Al2O3•2SiO2•2H2O.

Современное производство алюминия состоит из двух основных процессов: получения глинозема А12O3 из алюминиевых руд и алюминия путем электролиза расплавленного глинозема. Глинозем извлекают различными способами в зависимости от конкретного состава руды. При большом содержании SiO2 используют кислотные, электрохимические и некоторые другие методы. При малом содержании SiO2 глинозем получают щелочным способом: мелкоразмолотую руду обрабатывают раствором едкого натрия в автоклаве при температуре 250 °C и давлении 2,5−3,0 МПа. Гидроксиды алюминия, содержащиеся в руде, при таких условиях быстро и достаточно полно растворяются в щелочи с образованием алюмината натрия (NaAl02). Пустая порода, не растворившаяся в щелочи, выпадает в осадок (красный шлам). Раствор алюмината в виде пульпы сливается из автоклава в стальные емкости, где при длительном и медленном перемешивании и постепенном охлаждении из него выпадает кристаллический гидроксид алюминия А1(ОН)3. Эта операция, называемая выкручиванием, длится 50−70 ч.

Кристаллический гидроксид после промывки и фильтрации обжигают — кальцинируют в трубчатых печах при температуре 1200 °C. Теряя воду, он превращается в чистый глинозем.

Параллельно с получением глинозема организуют производство криолита Na3AlF6. Вторую стадию производства алюминия — электролиз глинозема проводят в электролизной ванне (рис. 4.21).

Электролизу подвергают раствор глинозема в расплавленном криолите при напряжении 4−4,5 В и плотности тока 0,7−1,2 А/см2.

В расплавленном криолите происходит диссоциация молекул глинозема. Катионы АР+, разряжаясь на катоде, превращаются в металлический алюминий, который скапливается на дне ванны и периодически отбирается вакуум-ковшом. Его подвергают рафинированию для удаления газов и примесей (железа, кремния и др.). С этой целью в печи или ковше алюминий продувают газообразным хлором и отстаивают 30−45 мин.

При электролизе расход материалов на 1 т первичного алюминия составляет: около 2 т глинозема; 0,6 т угольных электродов; 0,1 т криолита и до 18 000−19 000 кВт•ч электроэнергии.

Рис. 4.21. Принципиальная схема электролизера для получения алюминия:

1 — металлический кожух; 2 — футеровка; 3 — боковые углеродистые блоки; 4 — аноды; 5 — электролит; 6 — расплав алюминия; 7 — подовые углеродистые блоки; 8 — катодные шины.

Получение титана и его сплавов

Технический титан и титановые сплавы, используемые для изготовления полуфабрикатов, получают магнийтермическим способом из титаносодержащих руд, из которых выделяется ильменитовый концентрат, содержащий 40−45% ТiO2, 30% FeO, 20% F2O3 и 5−7% пустой породы. Этот способ состоит из нескольких последовательных процессов. После предварительной подготовки руды (дробления, размола, магнитной сепарации, гравитационного обогащения) ее плавят с углем. В результате получают титановый шлак, содержащий до 90% ТiO2, и чугун. Затем титановый шлак подвергают магнитной сепарации для удаления железосодержащих частиц, брикетируют с углем и связующим и продувают газообразным хлором в герметизированных электрических печах (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Схема печи для получения TiCl4:

1 — стальной цилиндр; 2 — футеровка; 3 — угольная насадка; 4 — патрубок; 5 — загрузочные брикеты; 6 — загрузочный бункер; 7 — отводящий трубопровод; 8 — пылеочиститель; 9 — конденсатор TiCl4.

Хлор в присутствии углерода при температурах 800- 850 °C реагирует с диоксидом титана с образованием парообразного четыреххлористого титана. Его отделяют и очищают от остальных хлоридов методом ректификации благодаря различию температур кипения. Титан из TiCl4 восстанавливают в реакторах при температуре 950−1000°С (рис. 4.23). В реактор загружают чушковый магний; после его расплавления, откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь подают парообразный TiCl4 и происходит реакция.

Рис. 4.23. Схема реакционного аппарата:

1 — реакционный стакан: 2 — чушки магния; 3 — герметичный корпус; 4 — нагревательная спираль; 5 — трубопровод; 6 — крышка реактора; 7 — летка реактора Твердые частицы титана спекаются в пористую массу — губку, а жидкий MgCl2 выпускают через летку реактора.

Титановая губка содержит 35−40% магния и хлористого магния. Для их удаления ее нагревают до 900−950°С в вакууме, в результате чего часть примесей удаляется в виде расплава, а остальные отводятся в виде паров. Чистую титановую губку измельчают и прессуют в расходуемые электроды, которые переплавляют на титановые слитки в вакуумных электрических дуговых печах. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке от примесей. Полученные после первой плавки слитки еще имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, при этом чистота титана возрастает до 99,6−99,7%. После вторичного переплава слитки обрабатывают давлением. В случае получения титановых сплавов в шихту для прессования расходуемых электродов добавляют легирующие элементы в соответствии с требуемым химическим составом сплава.

Получение магния и его сплавов

Основным сырьем для производства магния являются: карналлит (MgCl2 • KCl • 6Н2O), содержащий около 9% Mg, магнезит (MgCO3) — около 30% Mg, доломит (СаСО3• MgCI2) — несколько более 13% и бишофит (MgCl2•6H20) — 12% Mg.

Наибольшее распространение при производстве магния получил электролитический способ. Процесс включает получение чистых безводных солей (хлористого магния), их электролиз в расплавленном состоянии и рафинирование металлического магния.

Основной объем производства магния приходится на извлечение его из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Обезвоживание проходит в цехе электролиза магния в отделении обезвоживания и состоит из двух стадий.

Первая стадия проходит во вращающихся печах. Поступающий карналлит непрерывно загружается в холодный конец печи и при вращении барабана передвигается по направлению к топке; при этом он подхватывается полками и пересыпается сверху вниз, что улучшает его контакт с горячими топочными газами и препятствует образованию комков. Перемещающийся вдоль печи материал постепенно теряет воду: на первой половине барабана печи происходит сушка карналлита — испарение физической влаги, на второй половине — потеря химически связанной кристаллогидратной влага. Вторая стадия обезвоживания карналлита проходит в хлораторе (рис. 4.24).

Рис. 4.24. Схема шахтной печи для хлорирования:

1 — выпускная летка; 2 — электроды; 3 — окно для наблюдения; 4 — бункер для загрузки шихты; 5 — отверстие для отвода газов; 6 — брикеты шихты; 7 — шахта; 8 — угольные блоки; 9 — подача хлор:" .

В хлораторе осуществляется плавление обезвоженного карналлита, хлорирование оксида магния и остаточной влаги в присутствии восстановителя, очистка безводного карналлита от примесей и взвеси MgO и других твердых частиц.

Основная составляющая электролита — хлористый магний (MgCl2), а для снижения температуры плавления и повышения его электропроводности в него вводят NaCl, CaCl2, KCl и в небольших количествах NaF и СаF.

Электролиз хлористого магния проводят в электролизерах 1, заполненных электролитом 5 из смеси хлористых солей (рис. 4.25). Рабочее напряжение составляет 5−7 В при анодной плотности тока 0,4−0,6 A/см2 и температуре электролита 700−750°С. При таких условиях на катоде 4 будут разряжаться только ионы магния.

Рис. 4.25. Схема электролизной ванны для получения первичного магния:

1 — ванна; 2 — шлам; 3 — графитовые аноды; 4 — стальные катоды; 5 — электролит; 6 — металлический магний; 7 — хлор; 8 — керамические перегородки Металлический магний 6 собирается в капли, которые, укрупняясь, будут всплывать, и собираться на поверхности электролита. Полученный таким образом первичный магний-сырец содержит значительное количество примесей и подвергается очистке от них — рафинированию.

Рафинирование переплавкой с флюсом заключается в перемешивании расплавленного магния со специальными флюсами, способными растворять примеси и переводить их в шлак. Для получения магния высокой чистоты используют рафинирование возгонкой, сущность которой заключается в сублимации твердого магния-сырца в условиях глубокого вакуума с последующей конденсацией паров чистого магния. Оседающий на стенках кристаллизатора магний чистотой до 99,99% переплавляют и разливают на слитки или чушки.