Metalurgia Aluminium. Dr inż. Paweł Rokicki Politechnika Rzeszowska Katedra Materiałoznawstwa, Bud. C, pok. 204 Tel: (17)

Transkrypt

1 Metalurgia Aluminium Dr inż. Paweł Rokicki Politechnika Rzeszowska Katedra Materiałoznawstwa, Bud. C, pok. 204 Tel: (17)

2 Minerały zawierające Al: około 250 minerałów - leucyt (K 2 O * Al 2 O 3 * 4SiO 2 ) występujący w lawach leucytowych ( Włochy- Wezuwiusz; Niemcy-Bellerberg; Stany Zjednoczone-Montana, Wyoming; Afryka- Uganda, Kongo, Ruwenzori; Australia-West Kimberley; Chiny-prowincja Szansi ). - nefelin ((Na, K) 2 O * Al 2 O 3 * 2SiO 2 ) występujący na półwyspie Kola w WNP. -kaolinit (Al 2 O 3 * 2SiO 2 * 2H 2 O) będący składnikiem gliny, jest najczęściej występującym materiałem zawierającym tlenek glinu. -ałunit ((K 2 SO 4 * 8Al(SO 4 ) 3 * 4Al(OH) 3 ), którego rudy przerabia się w celu otrzymania zarówno aluminium jak i innych cennych składników.

3 Rudy do produkcji Al: boksyty. (dystrykt Les Baux- północna Francja), pokłady boksytów, eksploatowanych systemem odkrywkowym, znajdują się w północnej Australii, Gujanie, Jamajce i Brazylii. Duże złoża znajdują się również w USA (Arkansas), Wenezueli, Dominikanie, Chinach, Indiach, Korei, Indonezji, Afryce (Gujana, RPA, Kongo Gwinea). Australia (47%), Gujana (20 %) i Jamajka (12 %) pokrywają około 80% światowego zapotrzebowania na rudy. W Europie największe złoża boksytów występują na Węgrzech, natomiast mniejsze w Rumunii, Francji, Jugosławii, Hiszpanii, Grecji i Włoszech. Australia Brazylia Chiny Indonezja Gwinea Indie Jamajka Rosja Surinam Wenezuela 28,1 21, ,7 15,5 14,6 6 5,3 5,3 64, Paostwa przodujące w wydobyciu rud aluminium (Boksytów) dane 2008 roku [mln ton]

4 Paostwa przodujące w wydobyciu rud aluminiowych (Boksytów) dane na 2008 rok Główne składniki boksytów: wodorotlenek glinu, występujący jako hydragilit ((Al(OH) 3 ), diaspor (Al 2 O 3 * 3H 2 O) lub bemit (Al 2 O 3 * H 2 O), związki żelaza (tlenki, wodorotlenki, krzemiany), krzemionka, związki tytanu, węglany wapnia i magnezu, niewielkie ilości związków siarki, sodu, fosforu, cyrkonu, chromu, potasu. W boksytach wykryto łącznie 42 pierwiastki. Zawartość pierwiastków chemicznych w skorupie ziemskiej. Pierwiastek Symbol chemiczny Zawartość w % wag. Tlen O 45,20 Krzem Si 27,20 Aluminium Al 8,00 Żelazo Fe 5,80 Wapń Ca 5,06 Magnez Mg 2,77 Sód Na 2,32 Potas K 1,68 Tytan Ti 0,86 Wodór H 0,14 Mangan Mn 0,10 Fosfor P 0,10 Razem 99,23

5 Najbardziej znaną metodą otrzymywania aluminium jest metoda składająca się z dwóch faz: 1. otrzymywanie czystego tlenku aluminium metoda Bayera, 2. elektroliza tlenku glinowego w ciekłym kriolicie. metoda Bayera 2Al(OH) 3 +2NaOH = NaAlO 2 +4H 2 O

6 wapno boksyty NaOH Rozdrabnianie / kruszenie Metoda Bayera otrzymywania tlenku aluminium cz. 1. Mielenie na mokro Ługowanie w autoklawach Rozcieoczanie gęstwy Zagęszczanie gęstwy / szlamu Roztwór NaAlO 2 filtrowanie Czerwony szlam przemywanie woda Roztwór sklarowany Szlam na zwałowisko popłuczyny Rozkład NaAlO 2 / Wytrącanie Al(OH) 3 Zagęszczanie Gęstwa / Klasyfikacja Al(OH) 3 na szczepionkę Al(OH) 3 do produkcji Al 2 O 3 Roztwór macierzysty

7 Czerwony szlam : (mieszanina krzemionki, wodorotlenku sodowego i tlenków glinu, tytanu i żelaza) poddaje się przetapianiu w piecach obrotowych w temperaturze C. Po redukującym przetopieniu (jako reduktora używa się węgla drzewnego) otrzymuje się żelazo (w postaci surówki), natomiast tlenki glinu, tytanu i sodu przechodzą do żużla. W wyniku dalszej przeróbki żużla (ługowania, chlorowania) otrzymuje się tytan oraz niewielkie ilości wanadu, skandu i galu.

8 Al(OH) 3 na szczepionkę Al(OH) 3 do produkcji Al 2 O 3 Roztwór macierzysty filtrowanie popłuczyny Odparowanie woda Oddzielenie sody Filtrowanie i przemywanie soda wapno Al(OH) 3 kaustyfikacja Kalcytacja ( o C) Piec obrotowy dług. ok 75m I średnicy ok. 3m Biały szlam Roztwór alkaliczny Al 2 O 3 Metoda Bayera otrzymywania tlenku aluminium cz. 2. Mielenie na mokro

9 Metoda spiekania (elektrotermiczna) Wsad: rozdrobnione i zmielone na mokro boksyty wysokokrzemowe, kamień wapienny i soda Spiekanie: w piecach obrotowych w temperaturze C, w wyniku czego powstaje rozpuszczalny w wodzie glinian sodowy, nierozpuszczalne Fe 2 O 3, TiO 2 oraz częściowo rozpuszczalna krzemionka. Produktem reakcji glinianu i krzemianu sodowego jest glinokrzemian sodowy nazywany białym szlamem, którego głównym składnikiem jest Na 2 O Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O. Karbonizacja polega na przedmuchiwaniu roztworu glinianu sodowego spalinami (najczęściej są to spaliny z pieców do spiekania lub kalcynacji) zawierającymi duże ilości CO 2. W wyniku zobojętnienia roztworu rozpuszczony w nim glinian sodowy rozkłada się i wodorotlenek glinu wydziela się w postaci osadu. Po karbonizacji wykonuje się oddzielenie, przemycie i kalcynację wodorotlenku glinowego w sposób podobny jak w metodzie Bayera.

10 Elektroliza tlenku glinu Materiały: - tlenek glinu - o możliwie dużej czystości, gdyż zanieczyszczenia związkami pierwiastków bardziej elektroujemnymi (Cao, MgO, Na 2 O) są szkodliwe dla elektrolitu. - kriolit - podwójny fluorek sodowo-glinowy (Na 3 AlF 6 ) w postaci naturalnej (duże złoża występują na Grenlandii) lub sztucznej (tzw. kriolit techniczny); ma on postać białego proszku o gęstości 2,95 g/cm 3. Powinien posiadać dużą czystość (max. zawartość domieszek nie powinna przekraczać 3,5%), gdyż z zanieczyszczonego pierwiastkami bardziej elektrododatnimi (Fe, Si) wydzielą się one podczas elektrolizy wraz z aluminium na katodzie. Odczyn kriolitu określa liczba kriolitowa tzn. stosunek zawartości NaF do AlF 3. Kriolit jest kwaśny gdy stosunek zawartości NaF : AlF 3 3 lub zasadowy gdy NaF : AlF anody i płyty węglowe - o dużej odporności na wysoką temperaturę, dobrej przewodności elektrycznej, odpowiednich właściwościach mechanicznych, jak najmniejszej porowatości. Obecnie stosowane są głównie anody ciągłe.

11 Schemat wanny elektrolitycznej z ciągłą anodą i górnym doprowadzeniem prądu: 1 cegła szamotowa, 2 bloki katodowe, 3 pręty katodowe, 4 boczne płyty węglowe, 5 tlenek glinu, 6 warstwa zakrzepłego elektrolitu, 7 ciekły elektrolit, 8 aluminium, 9 układ odciągu gazów, 10 anoda, 11 sworznie doprowadzające prąd do anody

12

13 Rafinacja aluminium hutniczego I Przepuszczenie chloru przez stopiony metal powstałe w ten sposób chlorki zanieczyszczeń wypływają na powierzchnię metalu w postaci żużla. II - Elektroliza Al stopionego z Cu. Elektrolit w tej metodzie składa się z chlorku baru (BaCl 2 ), fluorku glinu (AlF 3 ) i fluorku sodu (NaF). Gęstośd elektrolitu jest mniejsza od gęstości właściwego stopu aluminium z miedzią, a większa od gęstości aluminium. Z tego powodu w elektrolizerze tworzą się trzy warstwy Dno elektrolizera jest anodą. U góry (lub z boku) wanny w specjalnym kanale umieszczona jest katoda na której wydziela się oczyszczone aluminium. Aluminium rafinowane elektrolitycznie zawiera do 0,1% zanieczyszczeo ( w skrajnych wypadkach do 0,01%) Aluminium hutnicze, jak i, rafinowane odlewa się w płyty lub bloki przeznaczone do obróbki plastycznej.