Алюминий первичный

 Кристаллическая решетка алюминия представляет собой  гранецентрированный куб, имеющий при 20 C параметр (размер стороны) 4.04 . Аллотропических превращений алюминий не имеет.

 Отличается  незначительным токсическим действием, но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в  растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела): ацетат алюминия — 0,2-0,4; гидроксид алюминия — 3,7-7,3; алюминиевые квасцы — 2,9. В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек.

Норматив  содержания алюминия в воде хозяйственно-питьевого  использования сотавляет 0,2 мг/л. При  этом данная ПДК может быть увеличена  до 0,5 мг/л главным государственным  санитарным врачом по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Технология  производства алюминия первичного  и его технико-экономическая оценка

    Основными промышленными рудами, содержащими  алюминий, являются боксит, нефелин, алунит и каолин.

    Качество  этих руд оценивают по содержанию в них глинозема Al O , который содержит 53% Al. Из других показателей качества алюминиевых руд наиболее важным является состав примесей, вредность  и полезность которых определяются применением руды.

    Б о к с и т является лучшим и во всем мире основным сырьем для получения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По химическому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al  O  nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов. Наиболее распространенными гидратами глинозема, входящими в состав бокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидраргеллит. Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении колеблется в очень широких пределах-от 35 до 70%.

    Входящие  в состав боксита минералы образуют очень тонкую смесь, что затрудняет обогащение. В промышленности в основном применяют сырую руду. Процесс  извлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и состоит из двух стадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него получают алюминий.

    Предметом мировой торговли является как сам  боксит, так и извлеченный из него или других руд глинозем.

    На  территории СНГ залежи бокситов распределены неравномерно, и бокситы разных месторождений неравноценны по качеству. Месторождения наиболее высококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы бокситов имеются также в Европейской части СНГ и в Западном Казахстане.

    Из  индустриально развитых стран ныне практически обеспечена лишь Франция, где впервые началась его разработка. Его достоверные и вероятные запасы в этой группе государств в 1975 г. оценивались в 4.8 млрд. т (в том числе в Австралии 4.6 млрд. т), тогда как в развивающихся странах в 12.5 млрд. т, в основном в Африке и Латинской Америке (самые богатые-Гвинея, Камерун, Бразилия, Ямайка).

    За  послевоенное время резко расширился круг стран, где ведется добыча боксита  и производится первичный алюминий. В 1950 г. боксит добывали лишь в 11 странах, не считая СССР, в том числе в трех в количестве свыше 1 млн. т (Суринам, Гайяна, США) и в четырех более по 0.1 млн. т (Франция, Индонезия, Италия, Гана). К 1977 г. обьем добычи возрос в 12 раз и резко изменилась  ее география (более половины добычи капиталистического мира приходилось на развивающиеся страны).

    В отличие от развивающихся стран, богатая топливом Австралия большую  часть добываемых бокситов (в основном на полуострове Йорк - в крупнейшем бокситовом месторождении мира) перерабатывает в глинозем, играя решающую роль в его мировом экспорте. Не пример ей, страны бассейна Карибского моря и западноафриканские вывозят преимущественно боксит. В этом сказывается как причины политического характера (мировым алюминиевым монополиям предпочтительнее производство глинозема за пределами бокситодобывающих, зависимых от них стран), так и чисто экономические: бокситы, в отличие от руд тяжелых цветных металлов, транспортабельны (содержат 35-65 % двуокиси алюминия), а глиноземное производство требует значительных удельных расходов, которым не располагает подавляющая часть бокситодобывающих стран.

    Стремясь  противостоять диктату мировых  алюминиевых монополий боксито­экспортирующие страны в 1973 г. создали организацию "Международная ассоциация бокситодобывающих  стран" (МАБС). В нее вошли Австралия, Гвинея, Гайана, Ямайка, а также Югославия; позднее к ней присоединились Доминиканская республика, Гаити, Гана, Сьерра-Леоне, Суринам, а Греция и Индия стали странами-наблюдателями. На год создания на долю этих государств приходилось примерно 85 % добычи бокситов в несоциалистических государствах.

    Для алюминиевой промышленности характерен территориальный разрыв как между  добычей боксита и производством  глинозема, так и между последним  и выплавкой первичного алюминия. Крупнейшие производства глинозема (до 1-1.3 млн. т год) локализованы как при алюминиевых заводах (например, при канадском заводе в Арвида в Квебеке, занимающем по производственной мощности-0.4 млн. т алюминия в год), так и в бокситоэкспортирующих портах (например, Паранам в Суринаме), а также на путях следования боксита от вторых к первым - например в США на побережье Мексиканского залива (Корпус-Кристи, Пойнт-Комфорт).

    У нас в стране все добываемые бокситы  разделены на десять марок. Основное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента-глинозема и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема (Al O  SiO ). Кремниевый модуль является очень важным показателем качества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и технология переработки.

    Бокситы одних и тех же марок используют для различных назначений, так например, боксит марки Б-1 может использован для производства глинозема, плавленых огнеупоров и глиноземистых цементов. Однако в зависимости от назначения к бокситу одной и той же марки при одинаковых основных показателях качества (содержание Al O и кремниевом модуле) предъявляют разные требования по содержанию примесей серы, окиси кальция и фосфора.

    Содержание  влаги в бокситах любых  марок установлено в зависимости от их месторождения: наименьшая влажность (не более 7 %) установлена для бокситов южно-уральских месторождений, а для северо-уральских, каменск-уральских и тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%. Показатель влажности не является браковочным признаком и служит только для расчетов с потребителем.

    Боксит  поставляют в кусках размером не более 500 мм. Перевозят его навалом на платформах или в гондолах.

    Н е ф е л и н Na(AlSiO )-минерал  светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O . Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также  в химической, стекольной и кожевенной промышленности.

    А л у н и т (квасцовый камень) KAl (SO ) (OH) -минерал белого, серого или  красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O .

    Служит  для получения квасцов, глинозема  и калиевых солей.

    К а о л и н Al O 2SiO 2H O-распространенная горная порода. По внешнему виду это белая землянистая масса, являющаяся продуктом разрушения кристаллических пород-гранитов, гнейсов и др. Твердость около 1, содержит 37.5 % Al O . Каолин применяют для производства фарфоровых и фаянсовых изделий, изоляторов, а также как наполнитель в резиновой промышленности.

    Г л и н о з е м Al O является концентратом, получаемым из различных  алюминиевых руд. Его поставляют в виде белого кристаллического порошка.

    Глинозем  является основным сырьем для получения  металлического алюминия. Кроме того, его используют и в других отраслях промышленности абразивной, радио и др. У нас в стране производят глинозем восьми марок, физико-химическим составом и назначением.

    Для производства первичного алюминия предназначен глинозем марок ГА85, ГА8, ГА6 и ГА5. Буквенная часть марок указывает на область применения глинозема, а цифры - на степень чистоты получаемого алюминия: это сотые и десятые доли процента сверх 99 %. Например, марка ГА85- глинозем для получения алюминия со степенью чистоты 99.85 %, а марка ГА5-то же, но со степенью чистоты 99.5 %.

    Для производства белого электрокорунда применяют  глинозем марки ГЭ5, высокоглиноземистых  огнеупоров-ГО, электроизоляционных  изделий-ГК и для электровакуумной промышленности и специальных видов радиокерамики-ГЭВ.

    В глиноземах всех назначений нормируются  потери при прокаливании(в разных марках от 0.4 до 1.2 %), содержание кремнезема (от 0.03 до 0.5 %), окиси железа (от 0.035 до 0.1 %) и окиси щелочных металлов(от 0.1 до 0.6 %).

    Влага, удаляемая при 120 C,  не нормируется.

    Как уже сказано, по физическому состоянию  глинозем имеет вид порошка. Особенно строгие требования по гранулометрическому  составу предьявляют к глинозему  марки ГЭВ, в котором частицы  должны иметь округлую форму и  их размер не должен превышать 3 мкм.

    Глинозем  марок ГК и ГЭВ при поставке обязательно упаковывают в многослойные бумажные мешки или в сухие  мешки из плотной ткани. Перевозят  их в закрытых железнодорожных вагонах  и трюмах. Глинозем остальных шести  марок можно упаковывать в мешки, но чаще его перевозят без тары навалом в специальных (цементовозах, цистернах и т.д.).

    Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводимых этапов - сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него получают алюминий.

    Схема производства алюминия приведена на рисунке

          

          1 – смешивание бокситов с содой; 2 – выщелачивание водой;

          3 – обработка известью; 4 – обработка углекислым газом;

          5 – сушка, прокаливание; 6 – электролитическое разложение;

          7 - рафинирование

    Известные в настоящее время методы получения глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили щелочные методы.

    В одних разновидностях щелочных методов  боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

    Al O  + Na CO  = Al O Na O + CO  .

    Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит в раствор.

    В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают  в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината  в воде.

    В обоих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

    В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию-CaSiO  уходит в  осадок, образуя белый шлам. Очищенный  от кремния раствор после отделения  его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

    Al O Na O + 3H O + CO  = 2Al(OH)  + Na CO  .

    Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию  глинозема:

    2Al(OH)  = Al O  + 3H O .

    Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита-около 80%.