Получение глинозема из бокситовых руд

Сырьё и материалы для производства алюминия

Самый распространённый металл на земле - алюминий находится в природе в виде окисла Al₂O₃, в земной коре содержится в различных соединениях, которые делятся на две группы:

- первичные минералы, образованные при кристаллизации магмы, это в основном алюмосиликаты: ортоклаз, альбит, лейцит и нефелин. Меньше распространены дистен, силлиманит, андалузит, шпинели MeO*Al₂O₃ и свободный оксид алюминия – корунд;

- вторичные минералы, образовавшиеся в результате выветривания части элементов из первичных, имеют более высокое содержание оксида алюминия (таблица 1.1). Широко распространённые гидросиликаты алюминия – каолинит и его разновидности; гидроксиды и оксигидроксиды алюминия – гиббсит (гидраргиллит), бемит и диаспор являются главной составной частью бокситов. Природные бокситы в основном смешанного типа гиббсит-бемитовые или бемит - диаспоровые. К этой же группе относится и алунит.

Таблица 1.1 – Содержание основных компонентов в некоторых минералах алюминия

Размеры в % (масс.)

Алюминиевая промышленность является крупнейшим потребителем глинозёма и фтористых солей. При электролитическом получении алюминия расплавленный криолит является электролитом и растворителем для глинозема, а фтористые соли добавляют для улучшения свойств электролита. Для электролиза глинозёма необходима электроэнергия с большой силой тока, подводимой углеродными электродами.

Глинозём

Промышленное производство алюминия основано на применении глинозёма – обогащённой алюминиевой руды. Свойства глинозема влияют на его расход, на расход анода и фторидов, на затраты электроэнергии, запыленность атмосферы в рабочей зоне, качество улавливания фтора и др.

Около 95 % всего глинозема для производства алюминия в мире получают из бокситовых руд. Боксит (фр. bauxite) получил название по местности Baux на юге Франции. Химический состав бокситов и их физические свойства весьма разнообразны:

- содержание Al₂O₃ от 35 до 60% и выше; SiO₂ – от десятых долей до 25%; Fe₂O₃ – от 2 до 40%;

- содержание TiO₂ – от следов до 11%; ванадия 0,025-0,15%, галлия 0,001-0,007%;

- по содержанию оксидов железа различают бокситы маложелезистые до 10%, железистые 10-18% и высокожелезистые более 18%;

- в зависимости от содержания СО₂, бокситы делятся на малокарбонатные до 0,6%, карбонатные 0,6–2% и высококарбонатные более 2%;

- по содержанию серы, до 0,35% S относят к малосернистым, от 0,3 до 0,8% – к сернистым, и более 0,8% – к высокосернистым бокситам.

На сегодняшний день главными поставщиками бокситов в мире являются: Австралия, Гвинея, Центральная Америка (Гайана, Ямайка, Суринам, Бразилия. В Европе все месторождения истощены, в Греции есть бокситы низкого качества. В России немногочисленные месторождения бокситов на северном Урале, Ямале и в Забайкалье.

Получение глинозема из бокситовых руд

Качество бокситов определяется кремниевым модулем, который представляет собой массовое отношение содержания Al₂O₃/SiO₂, и чем выше модуль, тем выше качество боксита.

Наибольшее распространение имеет щелочной способ - метод К. И. Байера, разработанный в России в конце 19 века и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5–6 %) кремнезема. Сущность способа: содержащие алюминий растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор щёлочи NaOH может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1. Подготовка боксита: дробление и последующее измельчение в мельницах с добавлением едкой щелочи и извести, которые улучшают выделение Al₂O₃. Полученную пульпу подают на выщелачивание.

2. Выщелачивание боксита заключается в его химическом разложении при взаимодействии с водным раствором щелочи. Гидраты окиси алюминия переходят в раствор в виде алюмината натрия

AlOOH+NaOH→NaAlO₂+H₂O и Al(OH)₃+NaOH→NaAlO₂+2H₂O

Выщелачивание происходит в автоклавах круглой формы или трубчатых при температуре 230 – 250 °С.

3. Полученный алюминат натрия разбавляют раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100 °С. Содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия

SiO₂+2NaOH→Na₂SiO₃+H₂O

Затем силикат натрия взаимодействует с раствором алюмината натрия и образует нерастворимый натриевый алюмосиликат - красный шлам, красный цвет ему придают окислы титана и железа.

4. Отделение алюминатного раствора от красного шлама осуществляют в специальных сгустителях, алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия образуется 0,6 – 1,0 т сухого красного шлама.

5. Отфильтрованный алюминатный раствор перекачивают в декомпозёры - большие емкости с мешалками. При охлаждении до 60 °С и постоянном перемешивании раствор становится пересыщенным, происходит его разложение (декомпозиция) и кристаллизация гидроокиси алюминия.

NaAlO₂+ 4H₂O → Al(OH)₃↓+ 2NaOH

Так как процесс декомпозиции протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов Al(OH)₃ имеют большое значение при дальнейшей обработке, в декомпозёры добавляют твердую гидроокись – затравку.

6. Пульпа поступает в гидроциклоны и вакуум-фильтры, где отделяют осадок, содержащий 50 – 60 % Al(OH)₃. Часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затравочный материал. Фильтрат концентрируют в выпарных аппаратах при 170 °С и интенсивном перемешивании и возвращают в оборот для выщелачивания новых бокситов. Остаток гидроокиси промывают водой и отправляют на кальцинацию.

7. Завершающая операция производства глинозема - обезвоживание гидроокиси алюминия (кальцинация) осуществляется в трубчатых вращающихся печах или в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150 – 1300 °С. Сырая гидроокись алюминия высушивается и обезвоживается, при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

20 °C → 200 °C → 950 °С → 1200 °С

Al(OH)₃ → AlOOH → γ-Al₂O₃→ α-Al₂O₃

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30–50 % α-Al₂O₃, остальное γ-Al₂O₃.