Программа дисциплины (Syllabus) PGA 3302 - Производство глинозема и алюминия (стр. 27 )

Скорость карбидообразования возрастает при 1600оС; элементарный Si в зависимости от соотношения кремнезёма и углерода образуется при 1800-1900оС.

Восстановление Al2O3 углеродом является более сложным процессом.

Процесс можно осуществить при минимальной температуре около 2100оС эта температура близка к температуре кипения алюминия (2500оС) при атмосферном давлении.

В температурных условиях процесса энергично протекает взаимодействие восстановленного парообразного алюминия с образованием карбида алюминия Al4С3. Карбид попадает в алюминий, образуя немеханическую смесь алюминия и его карбида, а раствор этих веществ друг в друге. То есть получить алюминий свободный от его карбида невозможно.

Окись алюминия в условиях восстановительной плавки не способна разлагать карбиды и оксикарбиды алюминия.

Процесс восстановления Al2O3 можно представить  следующими реакциями:

Al2O3 +3С =  Al2 + 3СO

2 Al2O3 + 9С = Al4С3 + 6СО

4Al + 3С = Al4С3

Получается смесь металлов алюминия(60-80%), карбида алюминия(20-35%) и окиси алюминия(3-5%).

Взаимодействие окиси алюминия с С до 1680оС протекает небольшой степени. Образуется шпиюль Al3O4. С ростом температуры и плавлением жидкой фазы образуется Al4С3, содержание его возрастает при 1950оС. Металл алюминия появляется при 1900оС.

При 2000оС содержание Al4С3 снижается и повышается содержание свободного С, то есть карбид алюминия разлагается.

При температурах выше 2050оС растут потери алюминия в виде пара, потери в виде субокисей происходят и при более низких температурах.

При совместном восстановлении окисей алюминия и Si используется свойство SiO2 вступать во взаимодействие с карбидом алюминия по реакции:

2 Al4С3 + 3SiO2 = 8Al +3Si + 6CO

При при восстановлении алюмосиликатов Al4С3 практически не образуется

В интервале температур 1197-1527оС происходит процесс муллитизации, то есть перехода Al2О3* SiO2  в муллит 2 Al2С1 * 2SiO2. Затем при 1527-1577ОС идёт реакция образования карбида Si. Дальнейшее повышение температуры приводит к восстановлению оксида алюминия как углеродом, так и карбидом Si и кремнием.

Al2O3 + SiС =  Al2O + SiO + СО

2Al2O3+ 2SiС =  Al2O + 2SiO

Получающееся субокислы алюминия и Si восстанавливаются до металлов при 1827-1927оС:

SiO  + SiС =  2Si + СО

Al2O + С =  2Al  + СО

Al2O + Si =  2Al+ SiO

Al4С3 + 2Si = 4Al +3SiC

Условием успешного проведения процесса является быстрый нагрев шихты до температуры 1900оС и высокая реакционная способность углеродистого восстановителя. Продукт восстановления – силикоалюминия во избежание образования карбида алюминия.

Непрерывный процесс рудно-термической электропечи требует приложения шихты околованном виде.

Наибольшее распределение получило брикетирование. Брикетированную шихту перед выгрузкой сушат. Температура сушки должна быть ниже температуры возгорания восстановителя.

Рекомендуемая литература: [10], 254-268 стр.

7. Содержание практических занятий, их объем в часах

Тема 1. Получение глинозема из бокситов способом Байера. Физико-химические основы и технология производства глинозема по способу Байера.

1.1 Расчет концентрации алюминатных растворов

Промышленные алюминатные растворы содержат окись натрия Na2O, окись алюминия Al2O3  и примеси в виде различных химичесикх соединений, в которых присутствуют кремний, сера, фтор, железо, галлий, ванадий и другие элементы, а также органические вещества.

Концентрацию отдельных компонентов в алюминатном растворе обычно выражают в граммах на литр раствора (г/л), реже – в процентах.

Чтобы перейти от концентрации в граммах на литр к концентрации в процентах, необходимо знать плотность раствора. Обозначим конценрацию концентрацию раствора через C, г/л, и плотность раствора через с, г/см3. Если в 1 см3 раствора содержится с г вещества, то в 1000 см содержится С г вещества, т. е. С = с 1000 г. Если а% - это а г в 100 г вещества, а С г/л – это С г в с 1000 г вещества, то

  (1.1)

Смеси алюминатных растворов с той или иной твердой фазой (пульпы) наряду с химическим составом характеризуются отношением жидко й и твердой фазой Ж:Т (по массе) или содержанием твердого в 1 л пульпы (г/л). При известном Ж:Т легко найти содержание твердого в 1 л пульпы.

Обозначим содержание твердого в 1 л пульпы через b г, а плотность ее через с г/см3  . Следовательно в пульпе будет (1000 с-b) г жидкой фазы. Составив отношение Ж:Т в пульпе, найдем из него b, г/л:

    (1.2)

Пример 1. Дан состав алюминатного раствора, г/л: 130 Al2O3 , 151,5 Na2Oф, 135 Na2Ok, 2,96 Sобщ  , 0,46 SiO2 . Плотность раствора 1,272 г/см3 . Найти процентный состав раствора.

По соотношению (1.1) находим

 

Таблица 1 - Варианты к примеру 1

№ п/п	Состав алюминатного раствора, г/л	Плотность алюминатного раствора, г/см3
Al2O3	Na2Oф	Na2Ok	Sобщ	SiO2
1	150	160	140	4.05	0,6	1,390
2	140	130	145	3,5	0,7	1,290
3	120	140	125	2	0,3	1,250
4	145	165	155	5	0,8	1,300
5	160	170	150	4,5	0,9	1,400
6	155	135	145	2,7	0,25	1,350

1.2 Определение модуля алюминатного раствора

Модулем алюминатного раствора называют молярное отношение концентраций Na2O и Al2O3  в растворе, т. е., иными словами, модуль показывает, сколько молей окиси натрия в растворе приходится на каждый моль окиси алюминия.

Различают общий и каустический модули раствора. Общий модуль находится как молярное отношение конценраций титруемой щелочи и окиси алюминия, а каустический – как молярное отношение концентраций каустической щелочи и окиси алюминия:

  (1.3)

  (1.4)

где (Na2OT); (Na2Ok ); (Al2O3 ) – соответственно концентрация

Na2OT, Na2Ok, Al2O3  в растворе,  г/л или %;

102 и 62 – молекулярные массы Na2O и Al2O3

Загрязненность алюминатных растворов SiO2 характеризуется кремниевым модулем, под которым понимают отношение концентрации Al2O3 и SiO2 в растворе по массе. Чем выше кремниевый модуль, тем чище раствор

  (1.5)

где (SiO2 ) – концентрация SiO2  в растворе, г/л или %.

Кремниевый модуль характеризует также количество боксита.

Пример 3. Найти общий, каустический и кремниевый модуль алюминатного раствора, состав которого приведен в примере 1.

Из соотношений (2.1), (2.2) и (2.3) и находим

Таблица 3 - Варианты к примеру 3

№ п/п	Состав алюминатного раствора, г/л	Плотность алюминатного раствора, г/см3
Al2O3	Na2Oф	Na2Ok	Sобщ	SiO2
1	150	160	140	4.05	0,6	1,390
2	140	130	145	3,5	0,7	1,290
3	120	140	125	2	0,3	1,250
4	145	165	155	5	0,8	1,300
5	160	170	150	4,5	0,9	1,400
6	155	135	145	2,7	0,25	1,350

1.3 Расчет соотношения ветвей последовательной схемы

При переработке боксита по последовательной схеме шлам байеровской ветви подвергается дальнейшей переработке в спекательной ветви с целью дополнительного извлечения из него Al2O3, а также Na2O.

Шлам спекают с известняком и содой. Для спекания обычно применяют ненасыщенную шихту, в которой каустический модуль (11-1) ниже единицы. При спекании такой шихты часть Fe2O3 связывает в феррит кальция, что обеспечивает повышение температуры плавления спека и расширяет температурную площадку

Под мощностью ветви спекания будем понимать количество глинозема, полученного из окиси алюминия, находящейся в красном шламе. Следовательно, мощность ветви спекания зависит от количества получаемого в байеровской ветви шлама, содержания в нем окиси алюминия и извлечения  окиси алюминия из шлама.