Программа дисциплины (Syllabus) PGA 3302 - Производство глинозема и алюминия (стр. 26 )

От отдельных элек-ров, объединенных в группы, газы транспортируются по по трубам возрастающего диаметра в коллекторы, которые выполнены в виде каналов, прорытых ниже уровня пола.

Газы, попадающие в с-му вытяжной вентиляции, подвергаются очистке.

Примеряют различные с-мы газоочистки, состоящие из одной, двух и более ступеней. На первой ступени газовая смесь очищается от пыли и смолистых составляющих. Затем от газообразной части отделяются вредные составляющие. Для улавливания и отделения ценных фтористых соединений применяют содовый раствор, который по мере обогащения фтористыми солями направляется в отделение для регенерации фтора. При взаимодействии фтора с алюминатным р-ром фтор переводится в твердое состояние в виде криолита.

       Для улавливания пыли и смолистых составляющих применяются электрофильтры специальной конструкции, осаждающие электроды которых оборудованы гидросливом. Для улавливания пыли могут быть применены и мультициклоны.

       Для очистки газов от фторосодержащих компонентов применяют аппараты мокрой очистки, в которых фтористые соединения переводятся в раствор: скрубберы и пенные аппараты, работающие по принципу противотока. Р-р в виде распыленной взвеси или пены, постепенно обогащаясь фтористыми соединениями, движется сверху вниз, а газы – снизу верхи по мере очистки выбрасываются ч-з вентиляционные трубы.

       С-мы газоочистки объединяют с системами вытяжной вентиляции и располагают между вентидяторами, создающими разряжение в системе вытяжной вентиляции, и вентиляционными трубами. Аппараты газоочистки располагают последовательно на свободном пространстве между корпусами элек-за. Число аппаратов для очистки газов, входящих в один блок газоочистных аппаратов, подбирают по производительности с таким расчетом, чтобы обеспечить постоянную очистку всего объема поступающих газов.

       Принцип действия сухой очистки газов основывается на избирательной способности некоторых твердых веществ улавливать (адсорбировать) фторосодержащие составляющие газа. В качестве улавливающего реагента применяют глинозем с низким содержанием составляющей б и разветвленной поверхностью зерен. В аппаратурном оформлении такие с-мы представляют собой рукавные фильтры с большой рабочей поверхностью, на которую перед началом очистки газов наносят слой глинозема. По мере насыщения глинозема фтористыми соединениями приводятся в действие механизмы встряхивания, и обогащенный фтористыми соединениями адсорбент удаляется. Глинозем, применяемый в качестве адсорбента, направляется на электролиз. На очищенную рабочую поверхность тканей рукавных фильтров наносится новая порция глинозема и процесс очистки возобновляется.

       Применение таких с-м позволяет в 1 ступень достаточно хорошо очистить промышленные газы от фторосодержащих составляющих и пыли.

       Сухая газоочистка пригодна только для элек-ров с обожженными анодами, отходящие газы которых не содержат смолистых погонов, забивающих фильтра.

Рекомендуемая литература: [10], 230-231, 318-322 стр.

       Тема 18.  Рафинирование алюминия

       При электролизе криолит-глиноземного расплава получают металл, содержащий не выше 99,8-99,85% Al.

       Алюминий – сырец содержит примеси, ухудшающие его качество, поэтому его рафинируют. Примеси, содержащиеся в таком алюминии можно разделить на 3 группы: неметаллические (электролит, глинозем, карбид алюминия, угольные частицы), механически увлекаемые при выливки металла из ванны; металлические (Fe, Si, Ti, Na, Ca), переходящие из сырья, и газообразные – преимущественно водород. Водород растворяется в расплавленном алюминии в количестве до 20% его объема и появляется в металле в результате электролитического разложения воды, попадающей с сырьем. При затвердевании содержащего водород металла в нем образуются пустоты, приводящие к браку при его литье и прокате.

От неметаллических и газообразных примесей, а также от Na и Ca алюминий очищают переплавкой, фильтрацией, продувкой хлором. Примеси более электроположительных металлов, чем Al, удаляют электролитическим рафинированием алюминия.

Рафинирование хлором

Алюминий-сырец в электролизном корпусе переливают из вакуумного ковша в литейный и перевозят в литейное отделение.

Алюминий рафинируют хлором непосредственно в ковшах. Через расплавленный алюминий по кварцевым или графитовым трубкам продувают газообразный хлор. Хлор реагирует с некоторой частью алюминия, образуя AlCl3. Парообразный AlCl3 адсорбируется взвешенными в металле частицами глинозема, фтористых солей, карбида и угля. Обволакиваясь газовой оболочкой хлорида алюминия, эти частицы всплывают на поверхность металла, образуя рыхлый шлак, который снимают дырчатой ложкой. При продувке хлором из алюминия удаляются и растворенные в нем газы, происходит хлорирование некоторых металлических примесей: натрия, кальция и магния, т. е. более электроотрицательных, чем Al.

При обработке алюминия хлором из ковша выделяется хлор, пары AlCl3, теряется много алюминия. Поэтому продувку металла проводят смесью хлора с азотом. Содержание хлора в азоте 3-6% (объемн.). Такая операция позволяет очистить алюминий от натрия менее, чем до 0,001%, что требуется при производстве сплавов.

Продувка алюминия азотом с добавкой хлора проводят при 750-770оС в течение 15 мин. Затрачивается 0,3-0,5 кг хлора на 1 т алюминия. Теряется металла в виде хлоридов около 0,2 кг на 1 т. Из алюминия-сырца удаляется около 60% растворенного водорода и большая часть твердых включений.

Электролитическое рафинирование алюминия

Алюминий высокой чистоты (АВЧ) с содержанием алюминия 99,995-99,95% обладает по сравнению с алюминием технической чистоты такими свойствами как повышенная электропроводимость, большая пластичность, высокая отражательная способность и исключительно высокая антикоррозионная стойкость.

АВЧ получают электролитическим рафинированием технического алюминия по трехслойному методу. Метод основан на способности алюминия в процессе электролиза его сплава к электрохимическому растворению на аноде и восстановлению на катоде:

на аноде: Al -3eAl3+;

на катоде: Al3+ +3eAl.

В результате электролиза более электроположительные элементы (железо, кремний, медь и др.) накапливаются в анодном сплаве. Более электроотрицательные элементы (натрий, барий, кальций и др.) переходят в электролит, не выделяясь на катоде, т. к. потенциал их выделения выше потенциала алюминия.

Для создания условий протекания этого процесса готовят анодный сплав алюминия с 30-40% Cu, который имеет плотность 3,2-3,5 г/см3 и располагается на подине шахты элек-ра. Катодом служит рафинированный алюминий, имеющий при температуре протекания процесса электролиза плотность 2,3 г/см3. Между анодным сплавом и катодным металлом находится слой электролита плотностью 2,7 г/см3, который состоит из криолита, хлорида бария и хлорида натрия.

Хлорид натрия в количестве 2-4% вводят для увеличения электропроводности; BaCl2 является утяжелителем электролита, его вводят в количестве 55-60%, чтобы обеспечить среднюю плотность между АВЧ и анодным сплавом. Криолит с К. О.=1,5-2,2 в количестве 40-45%.

Температура плавления электролита 670-730оС. Рафинирование проводят при температуре 760-810оС.

В процессе рафинирования в анодный сплав периодически заливают через загрузочный карман расплавленный алюминий технических марок. В процессе элек-за в анодном сплаве накапливаются электроположительные примеси: железо до 6-7% по массе; кремний до 7-8% по массе. При достижении этих концентраций примеси железа и кремния выделяются в твердую фазу в виде интерметаллидов. Т. к. температура анодного сплава в загрузочном кармане на 30-40оС ниже, чем в рабочем пространстве ванны, то в нем и выделяются осадки интерметаллидов. Периодически удаляя эти осадки, очищают анодный сплав от примесей железа и кремния.

Температура в кармане не должна быть ниже 590оС – точки начала кристаллизации соединения CuAl2, т. к. анодные осадки будут сильно обогащены медью и алюминием.

В анодном сплаве накапливается галлий до 0,3%.

Рекомендуемая литература: [9], 239-241, 246-250 стр.

Тема 19.  Получение алюминия и его сплавов термическими способами

Электротермическое производство алюминиевых сплавов осуществляется в теплотехнически более выгодных, чем электролизёры, высокопроизводительных агрегатах; к сырью для прямого восстановления предъявляют менее жесткие требования, что исключает целый ряд дорогостоящих переделов(производства глинозёма) и расширяет сырьевую базу; устраняется выделение  высокотоксичных фтористых соединений и облегчается улавливание и очистка выделяющихся газов.

Разработан и осуществлён способ получения  алюминиево - кремниевых сплавов(силикоалюминия) из различных алюминиево-кремниевых руд: каолинов, кланитов(Al2O3), силлиманитов, дистенсиллиманитов и низкожелезистых бокситов. Основным требованием к исходным рудам является ограничение соединения примесей Fe, Ti, Ca и щелочных металлов. Наличие Fe и Ti не позволяет получать кондиционные литейные сплавы. Для удаления этих примесей требуется специальная металлургическая очистка.

Ограничение по Са обусловлены способностью её к шлакообразованию в процессе рудовостанновительной плавки. Восстановленный Са, содержащийся в сплаве, удаляется в процессе рафинирования. Наличие щелочей приводит к спеканию колотника, или к его оплавлению.

Получаемый в рудотермических печах первичный сплав (силикоалюминия) с содержанием алюминия около 60% (по массе) разбавляют техническим алюминием или вторичным алюминием до состава, отвечающего силуминам (3-13,26%Si, остальное алюминий), рафинируют от примесей Fe и других металлов и разливают в слитки.

Основными суммарными реакциями, связанными с получением Si, является:

SiO2 + C = SiO + CO SiO2 + 3C = SiC + 2CO SiO2 + 2SiC = 3Si + 2CO SiO2 + 2C = Si + 2CO

Для нормального протекания процесса восстановления SiO2 до Si необходимы более высокие температуры.