Алюминий өндірісінің технологиясын сипаттау

Алюминий өндірісінің технологиясын сипаттау

Алюминийді өндіру үшін қажет шикізат Алюминий көптеген минералдардың құрамына кіреді, бірақ алюминий кені ретінде тек бокситтер, нефелиндер, алуниттер жəне каолиндер пайдаланылады.

Олар алюминий өндірісінің құрамы жəне концентрациясымен ажыратылады. Негізгі алюминий кені бокситтер, ол гидратталған алюминий оксиді Al2O3 · n H2O. Боксит құрамындағы алюминий компонентері гидратация дəрежесіне байланысты диаспор Al2O3 · H2O ( не HАlO2) немесе гидроаргелит Al2O3 · 3H2O ( не Al(OH)3 ) формасында болады. Бокситтер құрамына алюминий оксидінен басқа кремний оксиді (0.5 ден-20% дейін) жəне əртүрлі темір, магний, калий қосылыстары кіреді. Бокситтердің негізгі сипаты, таңдалған өңдеу əдісіне байланысты – кремний модулі қарастырылады, яғни алюминий оксидінің мөлшеріне байлаеысты алынады Al2O3 / SiO2. Алюминий өнеркəсібінде шикізат ретінде боксит алынса,онда модуль 2.6 кем болмауы керек, ал орташа сапалы бокситтерге модуль 5-7 болады, егер де алюминий оксиді 46-48% құраса. Нефелиндер күрделі құрамды үш еселі тұздар (Na, K)2O · Al2O3 · 2SiO2 жəне де апатитонефелин кенінің негізгі құрамына кіреді, бірақ нефелин апатитсіз 3Ca3(PO4)2 · CaF2. Алюминий өндірісінде 20-30% Al2O3 құрамында бар нефелин концентраттар қолданылады. Оны апатит-нефелин кенінен апатит концентратын өндіруде алады.

Алуниттер екі еселі алюминийлі, калийлі күкіртқышқылды тұздары K2SO4 · Al2( SO4)3 · 4 Al(OH)3. Алунит құрамындағы Al2O3 20% аспайды.

Металл алюминийді кеннен алу технологиясы өте күрделі жəне төрт өндірістен тұрады:

Глинозем өндірісі (алюминий оксиді);

Фторлы тұздар жəне криолиттер өндірісі;

Көмір туындыларының өндірісі (электродтар жəне футнровка блоктары);

Электролитті алюминий өндірісі. Технологиялық тізбекті құраушы негізгі өндірістері

Кен → Глинозем → Алюминий, глинозем жəне алюминий өндірісі болып табылады. Олар территориалды бөлінген.

Алюминий электролитті тотықсыздандыру процесі жоғары энергия көлемін қажет ететіндіктен, алюминий заводтары электроэнергиясы арзан райондарда орналастырылады. Ал, глинозем өндірісінде керісінше шикі затты тасу шығынын азайту , база алюминий кенінде салынып, өндіріледі.

2-сурет. Алюминий өндірісінің жалпы сызбанұсқасы

Фторлы тұздар мен криолиттер өндірісі глиноземді еріту үшін жəне электролиттің балқу температурасын түсіру үшін, қосымша алу мақсатында алынады.

Жеке көмір бүйымдарын өндіру организациясында, көмірлі анодтардың электролизі жəне электролизерлерді футировкалау процесінде шығын көп жəне жиі-жиі толтырып тұру қажет.

Глинозем өндірісі

Алюминийдің электролиттік өндірісінің бастапқы материалы – таза алюминий оксиді – глинозем. Алюминий кенінен глиноземді бөліп алу үшін, оны ерітінді тұзға (натрий алюминатына) айналдырады, яғни кеннің басқа компоненттерінен айыру үшін, оның ерітіндісінен Al(OH)3 жəне кальцинациін тұндырып, соңында глинозем алынады.

Кеннен глиноземді бөліп алу əдісі оның құрамына байланысты болады. Бұл əдістер химико-термиялық (пирометаллургиялық), қышқылдық жəне сілтілік (гидрометаллургиялық) болып бөлінеді.

Пирометаллургиялыққа пісіру əдісі, ал гидрометаллургиялыққа – Байердің сілтілендіру əдісі жатады.

Байер əдісімен глинозем өндірісі

Байер əдісі ( сулы əдіс, сілтілендіру əдісі) глинозем өндірісінің кең таралған əдісі болып саналады. Əдістің негізінде қайтымды процесс жатыр, яғни гидратталған алюминий оксидінің натрий гироксидінің сулы ерітіндісімен əрекеттесуі нəтижесінде, натрий алюминатының түзілуі. Əдіс бокситтерден құрамында аз мөлшерде кремний оксиді бар (5%) глиноземді бөліп алу үшін қолданылады. Егер де кремний оксиді көп болса, онда бұл əдіс экономикалық тиімсіз болып саналады, себебі кремний оксидіне қымбат сілтілерді əрекеттестіруде көп шығын кетеді.

Байер əдісімен глиноземді бөліп алу процесі келесі операциялардан тұрады: Бокситті ұсақтау жəне пульпы түзетін сілтілік ерітінді ортасын суландырамыз.

Натрий гидроксиді ерітіндісімен алюминий оксидін сілтілендіру: HAlO2 + NaOH + H2O = NaAlO2 + 2H2O = NaAl(OH)4 (диаспор) Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O = NaAl(OH)4 (гидроаргелит). Онымен қоса, бір мезгілде натрий силикатының түзілу реакциясы жүреді, яғни сілтінің бір бөлігімен реакцияға түседі. SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O Сілтілендіру гетерогенді процесс, ол алюминий оксидінің сулы ортадағы сілті ерітіндісімен қанығуы, реакция жылдамдығы қатты фазаның (бокситтің) дисперстілігіне, натрий гидроксид ерітіндісінің концентрациясына жəне температураға тəуелді. Сілтілендіру процесінің режимі бокситтегі алюминий оксидінің гидратация дəрежесімен анықталады: диаспорды 24 СГС жəне 3 МПа қысымда сілтілендіреді, ал гидроаргелитті 1000 С жəне 0.1 МПа қысымда.

Темір (III) оксидінің қызыл-күрең түсіне боялған алюмосиликат тұнбасын қызыл шлам деп атаймыз. Натрий алюминат ерітіндісін фильтрлеу, одан қызыл шламды бөліп алу жəне жуу. Температураны төмендету жəне пульпаны жиі-жиі араластыру арқылы натрий алюминат ерітіндісін декомпозициялау (ыдырату). NaAl(OH)4 = Al(OH)3 + NaOH Декомпозиция – бұл натрий алюминатының өзіндік гидролиздену процесі. Ол алюминий гидроксидінің кристалдануымен жылдамдайды, яғни жүйедегі кристалдық орталық есебінен алюминий гидроксидінің ұсақ кристалдары түзіледі. Алюминий гидроксидін вакуум-фильтрден сүзгілеу, нəтижесінде пульпа қоюланады, жəне алынған өнім жіктеледі.Щелок түзілгенше біркелкі ерітіндіні буландырамыз жəне оны натрий гидроксидімен нығайтамыз. Түзілген натрий карбонатын кальций гидроксидімен каустификациялау жəне түзілген ақ шламды технологиялық процеске қайтару. Na2CO3 + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3 Алюминий гироксидін 12000 С кальцинациялау (сусыздандыру). 2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O Байер əдісімен алынған глинозем α – модификацияланған қоспа жəне i-алюминий оксидінің модификациясы. Алынған техникалық өнім – ақ кристалды зат жəне бірнеше маркалары шығарылады, ол тазалығымен ерекшеленеді. Глиноземдағы зиянды қоспалары ретінде кремний оксиді, темір (III) жəне титан (IV) оксидтері болып табылады. Бұдан басқа глиноземда калий жəне натрий оксидтері жəне фосфор (V) оксиді регламенттеледі. Техникалық глиноземға физикалық қасиеттер тізімі талап етіледі: ылғалдылығы, тығыздығы, себілгіштігі, гранулометрлік құрамы жəне т.б. Бұл қасиеттер өнімнің транспортировкада, электролизерге енгізуде, электролиз процесін жүргізгенде көрсететін сипатына тəуелді. 4-суретте Байер əдісімен алюминий гидроксидін өндірудің технологиялық схемасы көрсетілген. Принципиалды сызбанұсқа процесіндегі Байер əдісінде сілті бойынша жабық технологиялық цикл іске асады. Бокситтен алынған алюминий гидроксидін сілтілеуге кеткен сілтіні, декомпозиция жəне каустификация кезеңдерімен қайта қалпына келтіреді жəне бокситтің жаңа бөлігін алу үшін қайта жұмыс процесіне жіберіледі. Олай болса, Байер əдісі ұйымдастырылған аз қалдықты өндіріс принципі болып саналады. Байер əдісімен глинозем өндірісінің технологиялық процесі келесі бейнеде 4-сурет. ВЕСТНИК КазНУ, серия экологическая, № 2 (28) 2010 г. 14 4-сурет. Байер əдісімен бокситтен глинозем өндірудің технологиялық сызбанұсқасы Қоспадан бокситті пульпа (1) жылытқышқа түседі (2), жылытқышқа жылу бумен жылытатын сеператордан түседі (5). Жылытқыштан пульпа автоклавтарды жылытатын батареяға (3), содан соң реакциялық автоклав батареяларына (4) түседі, онда сілтілендіру процесі жүреді. Сеператорда (5) қысым 3МПа – дан атмосфералыққа дейін түседі, нəтижесінде пульпа қайнайды жəне түзілген бу жылытқышқа (2) түседі. Содан соң натрий алюминаты жəне қызыл шламнан тұтарын сілтілендірілген пульпа ерітіндісі сұйылтқышқа (6) түсіп сұйылтылады, одан соң пульпа қоюландырғышқа (7) түседі, кейін пульпаны қызыл шламнан бөлу үшін фильтрден (9) өткізіледі. Бөлініп алынған шлам жуғышта (8) сумен жуылады, ал натрий алюминат ерітіндісі декомпозерға (10) түседі, онда барботирлі ауамен араластырылады. Гидратталған пульпа алюминий гидроксидінің кристалдарынан жəне біртекті ерітіндіден тұрады, ол декомпозердан кристалдарды сепараторлаушыға (11) бағытталады, онда кристалдар біркелкі ерітіндіден ажыратылады жəне бункерден (12) өтеді, одан кейін трубалы кальцинация пешіне (13) түседі, кейін трубалы мұздатқышта мұздатылады (14). Бөлініп алынған біркелкі ерітіндімен жуылғышта (8) жуылған шламмен араластырылып буландыруға жіберіледі. Байер əдісі бойынша өндірілген 1тонна глиноземнің шығын коэфициенті. Боксит 2.0-2.5 т Бу 7-9 т Натрий гидроксиді 0.07-0.09 т Су 150 м3 Известняк 0.12 т Электроэнергия 300 кВт/сағ /2/. Бұл технология аз қалдықты, себебі бөлінген қызыл шламды жуып кептіріп, қайта жерге көміп тастауға болады, жəне қолданылған натрий гидроксидін қайта өндіріске қолдануға болады. (2) жылытқышқа жылу (5) сеператордан түседі, яғни бу атмосфераға түспейді, онда бұл технология тұйық жүйе деп есептелінеді. Химиялық шикі зат өндірісіне байланысты, жабық химико-технологиялық процестер қалдықсыз өндіріс негізі ретінде қызмет атқаруы мүмкін. Мұндай подходты жүзеге асыруда, ең алдымен химиктерді жаңа жабық циклді өндіріс жасауды, пайдаланылмайтын əртүрлі қалдықтарды бағалы химиялық өнімдерге айналдыру əдістерін жасауды қарастыру ойландыртады. Бірақ өкінішке орай көптеген қалдықтарды жағып немесе жерге көму арқылы құтылудамыз. Мұндай практика кең жайылғанымен, қазіргі кезде бөлу, тазалау процестері жəне басқа да көптеген химиялық əдістер кең жайылған, осы əдістерді пайдалана отырып қалдықтарды эффективті жоюға болады. Қоршаған ортаға зиянын тігізбейтін негізгі бір химиялық принцип, ол химиялық реагенттерді регенерациялау (қайта қалпына келтіру) болып табылады. Оның негізі олардың қасиеттерін терең білу жəне оларды үнемді пайдалану.