12

Дәріс 12

Алюминий металлургиясы

Дәрістің мақсаты: Алюминий минералдары, кендері, алу технологиясы және қолданылуы туралы мәлімет алу

Жоспар:

1. Алюминийдің қасиеттері мен қолданылуы

2. Алюминий минералдары мен кендері

3. Алюминий өндірісінің технологиясы

Кілт сөздер: Электролиз, боксит, глинозем, автоклав, алюминат, электролит, тұнба, вакуумдық шөміш, алюмосиликаттар.

Алюминийдің қасиеттері мен қолданылуы

Атомдық номері	13
Атомдық массасы	26,982
Тығыздығы, г/см³	2,70
Балқу температурасы, °С	660

Алюминий - өндірілу көлемі мен қолдану масштабтары бойынша темірден кейінгі екінші металл. Беріктігі жоғары А1₂О₃ тотығын тотықсыздандыру қиын болғандықтан ғалымдар алюминийді таза күйінде ұзақ уақыт бойы ала алмай келген. 1807 жылы ағылшын ғалымы Дэви калий мен натрийді электролизбен ашты, бірақ ол «алюминий» деп атаған тағы бір белгісіз металды бөле алмады. Тек 1825 жылы ғана дат ғалымы Эрстед металдық алюминийді ала алды. 1855 жылы Париждегі дүние жүзілік көрмеде алғашқы алюминий зауытында француз Сент - Клер Девилг өндірген алюминий құймалары мен пластиналары ұсынылып, олар «саздан өндірілген күміс» деп аталып кеткен. Бірақ сол зауытта қолданылған әдіс қымбат, әрі өнімділігі төмен болды. 1866 жылы американдық Холл мен француз Эру алюминийді тұздардың электролизімен алуды ұсынды. Бірақ осы әдіс бойынша алғашқы өндірістік алюминий тек XIX ғасырдың аяғында ғана алынды. Алюминийдің жаппай өндірісіндегі табыстар бокситтерден глиноземді (А1₂О₃) бөліп алудың пәрменді әдісін ойлап тапқан австрия химигі Байердің еңбектерімен де тығыз байланысты. Егер 1854 жылы алюминийдің бір киллограмы 1200 сом тұрса, жетілдірілген технологиялық сұлбаны қолдану нәтижесінде XIX ғасырдың аяғына қарай алюминий бір киллограмының құны 1 сомға дейін төмендеді. Ғалымдардың кейінгі ізденістері әр - түрлі элементтермен легірлеу және қорытпаларды термиялық өңдеу арқылы алюминий беріктігін арттыруға бағытталды. Нәтижесінде 1911 жылы Германияда алюминийден қаттылығы мен беріктігі бойынша асып түсетін қорытпа - дюралюминий алынды.

КСРО - да алғашқы алюминий зауыты 1932 жылы іске қосылды. 2007 жылы Павлодар қаласында алюминий өндірісімен айналысатын Қазақстандық электролиз зауыты қолданысқа берілді.

Алюминий. Екі жүз жыл бұрын ғана ашылғанына қарамастан алюминий қолдану масштабы бойынша екінші орынға ие. Жаңа техника жасаушылар - конструкторларды алюминийдің төмен тығыздығы (оның тығыздығы темір мен мыстан үш есе аз), пластикалығы, салыстырмалы жоғары беріктігі және коррозияға төзімділігі сияқты қасиеттері қызықтырады. Алюминийдің электр өткізгіштігі мен жылу өткізгіштігі мыстан сәл ғана төмен. Басқа элементтермен (Si, Mg, Be, Ni, Cu,) легірлеу және термоөңдеу нәтижесінде қаттылығы мен беріктігі жағынан таза алюминийден асып түсетін қорытпалар алуға болады. Осы қасиеттерінің арқасында алюминий авиациялық және ғарыштық өнеркәсіпте басты металл болып саналады. Зымыран массасының жартысын, ал жолаушылар ұшағының 2/3, тіпті 3/4 бөлігі алюминий үлесіне тиесілі. Алюминийді көліктің басқа да түрлерінде қолдану масштабтары күннен күнге өсуде.

Соңғы жылдары алюминий қорытпаларынан жасалған құрылыс конструкциялар индустриясы қарқынды дамуда. Электртехникалық өндіріс алюминийдің ірі тұтынушысы болып табылады: сымдар, кабельдер, трасформаторлар мен қозғағыштар орамдары, конденсаторлар және т.б.

Алюминийдің коррозиялық төзімділігі оның бетінде металды ауамен әрі қарай тотығуынан сақтайтын жұқа (0,0001 мм) тотықтық пленканың пайда болуына негізделген.

Алюминий металлургияда да белсенді химиялық тотықсыздандырғыш элемент ретінде болатты қышқылсыздандыру және көптеген маталдар мен қорытпаларды алюмотермиялық әдіспен алу үшін кеңінен қолданылады.

Алюминий минералдары мен кендері

Алюминий жер қыртысында ең кең таралған металл, ол көбінесе оттегі мен кремний қосылыстары - алюмосиликаттар түрінде кездеседі. Төменде өндірістік маңызға ие алюминий минералдарының құрамы келтірілген:

А1₂О₃, %

Корунд А1₂О₃ 100,0

Диаспор, бемит А1₂О₃ · Н₂О 85,0

Гидраргиллит А1₂О₃ · 3Н₂О 71,0

Кианит Al₂O₃ · SiO₂ 63,0

Каолинит Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O 39,5

Алунит K₂SO₄ · A1₂(SO₄)₃ · 4A1(OH)₃ 37,0

Нефелин (Na, K)₂O · Al₂O₃ · 2SiO₂ 32,3 - 35,9

Сурет 1 - Әлемдегі боксит қорлары, млн. тонна

Алюминий алу үшін глиноземге (А1₂О₃) бай кендер, көбінесе бокситтер пайдаланылады, оның құрамы, %: Al₂O₃ 40 - 60; Fe₂O₃ 15 - 30; SiO₂ 5 - 15; TiO₂ 2 - 4 және гидраттық ылғал 10 - 15.

Қазақстан бокситтердің елеулі қорларына ие. Еліміздің аумағында 22 кен орны барланып, олардың жалпы дәлелденген қорлары 362,2 млн. т құрайды. Олардағы глиноземнің орташа мөлшері 44% құрайды. Қазақстандағы ірі кен орындар қатарына Белинское, Көктал, Краснооктябрьское, Туансор және Шығыс - Аят жатады.

Сурет 2 - Әлемдегі глинозем өндірісі, млн. тонна

Алюминий өндірісінің технологиясы

Алюминий өндірісінің технологиялық үрдісі үш этаптан тұрады: алюминий кендерінен глиноземді алу, балқыған глинозем электролизімен бірінші текті алюминий алу және оны рафинадтау. Глиноземді алу, әдетте, сілтілік әдіспен жүргізіледі, ал оның өзінің екі вариантын қолданады: ылғал (Байер әдісі) және құрғақ.

Ылғал әдісте бокситтерді кептіреді, ұнтақтайды және концентрацияланған сілтілермен бірге герметикалық автоклавтарға жүктейді. Онда 2 - 3 сағат бойына 150 -250^оС температурада және 3 МПа қысымда ұстайды. Мұнда алюминий гидрототығы мен күйдіргіш натри арасында әрекеттесу реакциясы жүреді:

Al₂O₃ + 3H₂O + 2NaOH = Na₂O  Al₂O₃ + 4H₂O.

Натрий алюминаты Na₂O  Al₂O₃ ерітіндісі ыстық қойыртпақ түрінде әрі қарай өңделуге жөңелтіледі. Сілтілерде ерімейтін темір, титан тотықтары және басқа да қоспалар тұнбаға түсіп, қоқыр түзеді.

Кремнезем сілтімен әрекеттесіп, натрий силикатын түзеді:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂O  SiO₂ + 4H₂O,

ал ол өз кезегінде натрий алюминатымен әрекеттесіп, ерімейтін қосылыс Na₂O  Al₂O₃  2SiO₂  2H₂O түзе тұнбаға түседі.

Сүзуден өткен және сумен сұйытылған пульпа тұндырғыштарға құйылады. Онда алюминат ерітіндісінен алюминий гидрототығы тұнбаға түседі:

Na₂O  Al₂O₃ + 4H₂O = 2NaOH + 2Al(OH)₃.

Алюминий гидрототығын сүзгілеп, құбырлы айналмалы пештерде 1200^оС температураларда күйдіреді. Нәтижесінде глинозем алынады:

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O.

Құрғақ сілтілі әдіс немесе жентектеу әдісі боксит, сода мен әк қоспасын 1200 - 1300^оС температурада күйдіруге негізделген. Нәтижесінде құрамында суда еритін натрий алюминаты бар жентек түзіледі:

Al₂O₃ + Na₂CO₃ = Na₂O  Al₂O₃ + CO₂.

Әк суда ерімейтін кальций силикатын CaO  SiO₂ түзуге шығындалады. Натрий алюминатын жентектен ыстық сумен ерітінділейді де, алынған ерітіндіні көмір қышқыл газымен үрлейді:

Na₂O  Al₂O₃ + 3H₂O + CO₂ = 2Al(OH)₃ + Na₂CO₃.

Түзілген тұнбаны ылғалды әдістегідей шайып, күйдіру арқылы глинозем алынады.

Алюминийді балқыған криолитте Na₃AlF₆ ерітілген глиноземді электролиздеу арқылы алады. Бұл әдісті 1886 жылы бір уақытта Ч. Холл (АҚШ) және П. Эру (Франция) ұсынған және ол осы кезге дейін өзгеріссіз қолданылып келеді. Криолит фтор қышқылы HF мен алюминий гидрототығының әрекеттесуі және кезекті содамен бейтараптау нәтижесінде алынады:

6HF + Al(OH)₃ = H₃AlF₆ + 3H₂O,

2H₃AlF₆ + 3Na₂CO₃ = 2Na₃AlF₆ + 3H₂O + 3CO₂.

Электролиз, сұлбасы 3 - ші суретте келтірілген, алюминий ваннасында - электролиздегіште іске асырылады. Ванна тікбұрышты пішінді болат бүркенішінен, ал оның қабырғасы мен түбі көмірлі блоктардан және жылу изоляциялағыш қабат ретіндегі шамот кірпіштерінен жасалынған. Пеш түбінің футеровкасына катодтық болат шиналар орнатылған, осының арқасында ваннаның көмірлі корпусы электролиздер катоды қызметін атқарады. Анод қызметін балқымаға батырылған өздігінен жентектелетін тік орналастырылған көмірлі электродтар атқарады. Электролиз барысында анодтар біртіндеп жанып, төмен түседі. Жанып кетуіне қарай олар жоғарғы жағынан сұйық анодтық массамен өсіріледі. Анодтық массаны қыздырғанда одан ұшқыш заттар бөлініп шығып, оның кокстелуі іске асады. Электролит 930 - 950^оС жұмыс температурасына дейін қыздырылады. Электролиз үрдісінде шығындалатын глинозем ваннаның жоғарғы жағынан периодты түрде жүктелініп тұрады. Ауамен суыту арқасында ваннаның бетінде футеровканы бүлінуден сақтайтын және ваннадан жылу өткізбейтін электролит қабыршағы (гарнисаж) түзіледі.

Жоғары температурада электролитте еріген глинозем иондарға диссоциациялынады:

Al₂O₃  2Al³⁺ + 3O^2-.

Катод қызметін атқаратын көмірлі пеш түбінде иондар металға дейін тотықсызданады:

2Al³⁺ + 6e = 2Al.

Электролиттегі глинозем мөлшері азайған сайын оны электролиздер ваннасына периодты түрде жүктеп отырады. Сұйық алюминий электролиздер түбінде жинақталады және периодты түрде вакуумдық шөміштер көмегімен алынып отырады.

Оттегі иондары көмірлі анодта бейтараптанады 3О^2- - 6е  3/2О₂ және анодты тотықтырып, СО және СО₂ газдарын түзеді. Электролиздік ванналар тізбектеліп 100 - 200 даналардан құралған серияларға біріктіріледі.

Электролиздік ваннада алынатын бірінші текті алюминий Si, Fe қоспалармен және бейметалл кірінділермен (Al₂O₃, C), сонымен қатар газдармен, негізінен сутегімен, ластанған. Алюминийді тазарту үшін хлорлау немесе электролиттік әдістерімен рафинадтайды.

Өте таза алюминийді электролитті әдіспен алуға болады. Мұнда электролит ретінде сусыз хлорлы немесе фторлы тұздар қолданылады. Балқытылған электролитте алюминийді анодтық ерітеді және электролиздейді. Электролиттік рафинадтау арқылы электрлік, химиялық, тағам өндірістерінде қолданылатын 99,996% - дық таза алюминий алынады. Бұдан да таза алюминийді (99,9999%) зоналық балқыту арқылы алуға болады. Бұл әдіс электролизден қымбат, өнімділігі төмен, және аса таза металдың кіші партияларын дайындау қажет болғанда, мысалы, жартылай өткізгіштер өндірісінде, қолданылады.

1 - катодтық көмір блоктары; 2 - отқа төзімді футеровка; 3 - болат бүркеніш; 4 - көмірлі плиталар; 5 - сұйық алюминий; 6 - шиналы металл өзекшелер; 7 - көмірлі анод; 8 - глинозем; 9 - сұйық электролит; 10 - қатайған электролит қабыршағы; 11 - катодтық тоқ өткізу шиналары; 12 - іргетас.

Сурет 3 - Алюминий өндіретін электролиздегіш сұлбасы

Бақылау сұрақтары:

1. Алюминий қандай салаларда қолданылады?

2. Алюминийдің негізігі минералдарын атаңыз.

3. Қазақстандағы негізгі боксит кен орындарын атаңыз.

4. Алюминийді бокситтерден бөліп алудың негізгі сатыларын атаңыз.

5. Глиноземді бокситтерден құрғақ және ылғал әдістерінің ерекшеліктерін атаңыз.

6. Алюминийді электролизбен алу әдісін кім ойлап тапты?

7. Криолит электролизде не үшін қолданылады?

8. Электролиздегіштерде жүретін негізгі үрдістер мен реакцияларды атаңыз.

Глоссарий:

1. Алюмосиликаттар - оттегі мен кремний қосылыстары.

Әдебиеттер

1. Набойченко С.С., Агеев Н.Г., Дорошкевич А.П. и др. Процессы и аппараты цветной металлургии. - Екатеринбург: УГТУ. 1997. - 648с.

2. Тарасов А.В., Уткин Н.И. Общая металлургия. - М.: Металлургия. 1997. - 592с.

3. Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. Общая металлургия. - М.: Металлургия. 2000. - 765с.

4. Уткин Н.И. производство цветных металлов. Научное издание - интермет инжиниринг, 2004. - С.442.

5. Болотников Л.Е. Цветная металлургия. Научное издание. - М.: Знание, 1981. - С.63.

6. Дорохина Л.Н. и др. Легкие цветные металлы и сплавы. Справочник - М.: ЦНИИЭИцветмет. - 1999г.

7. Беляев А.И. Металлургия легких металлов: учебник для вузов - 6 - е изд. - М.: Металлургия, 1970. - С.367.

8. Худайбергенов Т.Е. Металлургия легких металлов. Алматы. Гылым. - 2001с.

5