Металлургия цветных металлов

кий алюминий, извлеченный из ванны. Ковш ставят под колпак, опускают в металл графитовую трубку и проду­ вают хлор, который окисляет небольшое количество алю­ миния по реакции

2А1 + ЗС12 —^ 2А1С13-

Во время хлорирования температура металла в ков­ ше около 750° С.

Хлорид алюминия получается в виде паров: темпера­ тура кипения его 180° С. Лузыри хлорида всплывают

вметалле, вынося с собой неметаллические включения

ирастворенные газы.

Для отстаивания и усреднения состава путем смеши­ вания металла нескольких выпусков алюминий залива­ ют в электрические печи, ванна которых нагревается под­ вешенными на своде нихромовыми спиралями до темпе­ ратуры 690—730° С. Печь работает периодически, через 7—10 суток металл из нее разливают, а ванну тщательно очищают от шлака и окислов.

Для ’разливки алюминия пользуются конвейерными разливочными машинами длиной 9—10 м. Вдоль маши­ ны со скоростью 1 —1,5 м/мин движутся бесконечные це­ пи, на которых укреплены, изложницы. Чтобы металл быстрее застывал, изложницы обдувают воздухом, в раз­ грузочном конце они ударяются об упор и опрокидыва­ ются, выбрасывая чушку алюминия.

Металл разливают также в слитки особой формы — вайербарсы, предназначенные для изготовления проволо­ ки, и в слитки для прокатки. Весьма производителен и экономичен полунепрерывный способ разливки.

Электролитический алюминий соответствует маркам (ГОСТ 11069—64), содержащим 99,0—99,85% А1.

§ 50. Экономика производства алюминия

Главные задачи усовершенствования производства алюминия: повышение производительности ванн и сни­ жение себестоимости металла.

Производительность ванны зависит от ее размеров, плотности тока и выхода по току.

Увеличение размеров ванн и их мощности, например замена ванн на 65000 а ваннами на 130000 а, требует из­ менения режима электролиза. Тепловые потери большой

кие анодные эффекты. Выгодно улавливать фториды из отходящих газов ванны. Примеси щелочи, влаги и дву­ окиси кремния в глиноземе вызывают потери фторидов вследствие-их разложения по реакциям, которые приво­ дились выше.

§ 51. Получение алюминия повышенной чистоты

Для некоторых отраслей новой техники нужен алю­ миний, содержащий минимальные количества примесей; он соответствует маркам А99—А999 ГОСТа. Такой чистый металл обладает повышенной электропровод­ ностью, стойкостью против коррозии, а также способ­ ностью хорошо отражать свет. Он идет на изготовление особой химической аппаратуры, электролитических кон­ денсаторов и отражателей света. Алюминий чистотой 99,999—99,9999% используют в радиолокационных прибо­ рах, в производстве атомной энергии и промышленности полупроводниковых материалов.

Особо чистый алюминий получают из обычного метал­ ла, удаляя примеси железа, кремния, титана, меди и дру­ гих элементов. Для этого применяют разные способы в зависимости от требований к чистоте металла.

Электролитическое рафинирование в трехслойной ванне

По этому способу алюминий подвергают электроли­ зу при 760—800° С в расплаве, содержащем 55% ВаСЬ; 24% NasAlFe; 16% AIF3 ; 5% NaCl. Плотность расплава этого состава около 2700 кг/м3. Чистый алюминий, имею­ щий в условиях электролиза плотность 2300 кг/м3, в нем всплывает. Исходный загрязненный металл должен то­ нуть в электролите, для этого его сплавляют с медью, добавляя ее около 30% по массе; плотность сплава 3000—3500 кг/м3.

Схема расположения жидких слоев в ванне показа­ на на рис. 102. Нижний слой поляризуют анодно, а верх­ ний— катодно: к первому присоединяют положитель­ ный, а ко второму — отрицательный полюсы источника постоянного электрического тока.

Как обычно при электролизе, на аноде металлы рас­ творяются— переходят в состояние ионов, а на катоде

ионы разряжаются, образуя атомы металлов. Из анод­ ного сплава в ионное состояние переходят наиболее электроотрицательные элементы — щелочные, щелочно­ земельные металлы и алюминий. Элементы более поло­ жительные, чем алюминий, — кремний, железо и медь остаются в сплаве. Распространяясь в электролите,

Рис. 102. Ванна для электролитического рафинирования алюмини*.

ионы достигают катода и здесь разряжаются наиболее положительные из них — ионы алюминия, а более отри­ цательные остаются в электролите.

В промышленности эксплуатируются ванны с зара­ нее обожженными угольными катодами. Подина ванн выложена из угольных блоков, а стены — из магнезит0_ вого кирпича. Алюминий, идущий на рафинирование заливают в боковой карман. Он поступает в ни>^нюк^ часть ванны и смешивается с анодным сплавом.

Загрузку регулируют так, чтобы толщина ни>^него слоя была около 250 мм. Рафинированный металл ^0 би-

рается над электролитом, откуда его периодически вы­ гружают, поддерживая толщину слоя около 1 0 0 мм.

Рафинированием в трехслойной ванне из алюминия обычной чистоты (99,5—99,7%) получают металл чи­ стотой до 99,9965%, потребляемый электротехнической, химической и пищевой промышленностью. Рафинирова­ ние обходится дорого: напряжение на ванне высокое (6 — 7 б), поэтому велик и расход энергии.

Зонная плавка

Подвергая зонной плавке алюминий, ранее очищен­ ный электролизом, можно получить металл чистотой 99,9999%.

Рис. 103. Схема рафинирования алюминия зонной плавкой:

производителен. Зонной плавкой очищают лишь очень небольшие количества металла, необходимого для изго­ товления полупроводников и других ответственных нужд.

После рафинирования электролизом алюминий отли­ вают в прутки диаметром 15—20 мм и длиной около 300 мм. В лодочку из очень чистого графита кладут один пруток.

Лодочку помещают в кварцевую трубу, где создают вакуум с остаточным давлением порядка 133,3 • 10- 4 н/м2 (10~ 4 мм рт. ст.). Вакуум предупреждает окисление ме­ талла (рис. 103).

На трубу свободно надевают подвижный кольцевой индуктор — виток медной трубки, соединенный с источни­ ком тока высокой частоты. Когда виток окружает стер­ жень алюминия, в части стержня, находящейся против нитка, индуктируется ток (токи Фуко).

От тепла, выделяемого током, алюминий против вит­ ка плавится, а остальная часть стержня остается твер­ дой. Виток индуктора движется вдоль стержня со ско­ ростью, например, 1 мм/мин; вместе с ним перемещается и расплавляется зона длиной 10—15 мм. Примеси кон­ центрируются в расплаве и вместе с ним передвигаются к концу слитка.

После 10—15 прогонов стержень извлекают и конец его на длину 8—10 см отрезают. Оставшаяся часть со­ стоит из алюминия высокой чистоты.

Вопросы для самопроверки

1. Какие виды алюминиевого сырья перерабатывают способами Байера и спекания?

Нефелины, кианиты, бокситы, высококремнистые бокситы, алуниты, каолины и глины.

2. При какой температуре проводится автоклавное выщелачивание А120 3 щелочью и спекание с содой?

60, 375, 160, 2 0 0 , 600, 1000, 1200° С.

3. Какие реагенты расходуются в больших количест­ вах при производстве глинозема способами Байера и спе­ кания?

Щелочь, сода, известь, известняк.

4. Назовите основные составляющие электролита для получения алюминия и добавки к нему.

A1F3, MgF2, CaF2, А120 3, Na3AlF6, NaF, NaCl.

5. Назовите причины снижения выхода по току и по­ вышения напряжения на ванне.

Увеличение межполюсного расстояния, снижение тем­ пературы электролиза, образование A1F, присутствие

ний не загорается, однако при плавлении он может вспыхнуть. Чтобы предупредить возгорание, металл плавят с флюсом из смеси КС1, NaCl и др. солей.

Окись магния тугоплавка — температура плавления се 2500° С. Как уже указывалось, окись магния получен­ ную прокаливанием природного магнезита MgC03 ши­ роко применяют для производства огнеупорного кир­ пича.

Вследствие большого сродства к кислороду окись

к кислороду. Сульфид его растворим в воде и легко ги­ дролизуется:

MgS + 2HzO -> Mg (ОН) 2 + H2S.

Поэтому в природе MgS не встречается.

Магний обладает также высоким сродством к гало­ генам — фторид и хлорид магния весьма прочные со­ единения. В металлургии этим пользуются для метал­ лотермического восстановления галогенидов металлов, например фторида урана и хлорида титана.

§ 53. Сырье для производства магния

Магний значительно распространен в земной коре, кларк его 2,35%. Существенная доля запасов магния находится в воде морей и океанов, содержащей в сред­ нем 0,3%MgCl2, 0,04% MgBr2, 0,18%MgSO4. По ориен­ тировочным подсчетам, в гидросфере имеется 1,85 • 1015 т магния, однако из-за малой концентрации добыча его из морской воды обходится дорого и применяется толь­ ко в странах, бедных другими видами сырья (США, Норвегия, Англия).

Некоторые соленые озера, например у нас Евпато­ рийское, Сасык-Сивашское, Сакское и др., а также во­ ды морских заливов, таких как Кара-Богаз-Гол и Си­ ваш, содержат магний в больших концентрациях, но и здесь добывать его менее выгодно, чем из месторож­ дений ископаемых солей.

Пригодные Для производства ископаемые соедине­ ния магния — карналлит КС1 • MgCl2 • 6Н20, магнезит MgC03 и доломит MgC03-CaC03 в изобилии находят­ ся в недрах нашей страны. В СССР около 80% магния получают из карналлита и 20% из магнезита.

Карналлит — гигроскопическая ископаемая соль, со­ держащая наряду с магцием калий, а также примеси хлористого натрия и бормидов. Руду, добытую из недр, называют карналлитовой породой или естественным

скому обогащению, основанному на меньшей раствори­ мости NaCl по сравнению с КС1 и MgCl2. Дробленую породу растворяют при 110° С в оборотном растворе хлористого магния (~32% MgCl2). Основное количе­ ство NaCl остается в виде кристаллов и отделяется на ситах. Раствор направляют в вакуум-кристаллизаторы. Из полученной здесь пульпы кристаллов искусственный карналлит выделяют в отстойниках, а затем центрифу­ гируют. Он имеет примерно следующий состав: 32% MgCl2; 25% КС1; 6% NaCl, 37% Н20.

Извлечение магния в искусственный карналлит не превышает 75%, поэтому не прекращаются поиски дру­ гих, более выгодных процессов, в частности основанных на механическом обогащении.

Вакуумную кристаллизацию в отличие от обычной осуществляют в вакуумных кристаллизаторах. Она более производительна, но да­ ет сравнительно мелкие кристаллы.

Пересыщение раствора достигается здесь в результате одновре­ менного испарения растворителя и охлаждения раствора.

Как известно, точка кипения зависит от внешнего давления, с уменьшением которого она понижается. Так, например, зависимость температуры кипения воды от давления выражается следующими цифрами:

Растворы кипят при несколько более высоких температурах, чем вода, однако эта разница обычно выражается единицами градусов В вакуумном кристаллизаторе на интенсивное испарение воды затра­ чивается скрытая теплота испарения. Теряя ее, раствор'охлаждается.

В современной промышленности применяются вакуумные кри­ сталлизаторы периодического и непрерывного действия, во многих случаях они .производительнее и экономичнее обычных кристаллиза­ торов.

§ 54. Способы получения магния

Металлический магний впервые получил Деви в 1808 г. Он подвергал электролизу с ртутным катодом

ненного примесями.

Позднее Бунзен (1852 г.) выделил магний электро­ лизом расплавленного хлорида, и на основе этого в 1908 г. было начато промышленное производство маг­ ниевых сплавов.

Электролиз расплавленного хлорида

Способ электролиза расплавленного хлорида MgCl2 или расплава MgCl2 и КС1 стал теперь основным в ми­ ровой практике. Схема применяемой для этого ванны показана на рис. 104.

# Хлор Магний

Рис* 104Схема устройства

3—стальные катоды; 4—диа­

фрагмы

В середине ванны установлен графитовый анод, а по бокам два стальных катода. Хлористый магний плавится при 718° С, расплав его состоит из ионов M g2+ и С1~.

Ионы Mg*+ разряжаются на катоде: Mg2+ + 2е Mg.