Видобуток бокситів та їх переробка на глинозем

Боксити - це основна сировина, що використовується для виробництва алюмінію. Цей глинистий мінерал складається з алюмогідроксидів, таких як гіббіт, беміт і діаспор, що утворилися в результаті інтенсивних процесів латерального вивітрювання.

Бокситову руду спочатку подрібнюють і промивають, а потім розчиняють у гарячому розчині каустичної соди, відомому як "зелений розчин". Після того, як цей зелений розчин переливають у високі відстійники з додаванням насіння гідроксиду алюмінію для осадження твердого гідрату глинозему в міру зниження температури, відстійники можуть також використовуватися для прискорення процесу затвердіння.

Процес Байєра

На великих промислових підприємствах вся магія полягає в процесі Байєра. Саме тут промислова хімія набуває форми, перетворюючи сировину на продукти, які приносять користь суспільству. Цей багатоетапний процес використовує різноманітне обладнання для фільтрації та сепарації, а також передбачає турботу про навколишнє середовище; його побічні продукти, такі як червоний шлам, потребують обережного поводження перед утилізацією.

Бокситову руду обробляють за допомогою розчину каустичної соди і розкладають при підвищених тисках і температурах для вилучення розчинного глинозему, утворюючи розбавлений розчин алюмінату натрію і нерозчинний їдкий залишок, відомий як червоний шлам. Цей вогнетривкий матеріал вимагає особливого поводження, оскільки може містити важкі метали, лужні та фенольні сполуки; тому місцеві регуляторні органи класифікують його як небезпечні відходи.

Потім розчин каустичної соди пропускають через серію шестиповерхових відстійників, куди додають зародкові кристали гідрату глинозему і дозволяють їм рости, притягуючи до себе всі молекули води в розчині, в результаті чого утворюється біла тверда речовина гідроксиду глинозему, яка згодом буде використана в процесі плавки Холла-Геруля для виробництва металевого алюмінію.

Відфільтрований і промитий глинозем далі обробляється для видалення залишків каустичної соди та інших домішок, після чого сушиться, а потім нагрівається для видалення надлишкової вологи, викликаної кристалізацією, шляхом прожарювання - важливого етапу.

Безводний глинозем, отриманий під час переробки, відразу готовий до використання, а потім формується в різні форми за допомогою таких методів, як сухе пресування, ізостатичне пресування, прокатка, лиття під тиском і/або лиття по виплавлюваним моделям. Після формування з нього можна виготовляти листові та стержневі заготовки, а також ізостатично пресовані ізоляційні та ущільнювальні матеріали, що використовуються в різних галузях промисловості, причому більша частина виробництва слугує металургійним цілям, тоді як решта знаходить застосування в спеціальних галузях або як похідні хімічні речовини.

Кріолітова ванна

Чарльз Мартін Холл почав досліджувати методи виробництва алюмінію в 1880 році. Він виявив, що пропускання електричного струму через глинозем призводить до його розпаду на кисень і металевий алюміній, а наступне відкриття Холла полягало в тому, що розчин кріоліту може розчинити цей матеріал і вивільнити його дорогоцінні властивості; таким чином, він створив електролітичний процес Холла-Герульта, який став основним способом виробництва первинного алюмінію до 1908 року.

Виплавка алюмінію вимагає постійного споживання великої кількості електроенергії. Кріолітова ванна повинна підтримувати ідеальну робочу температуру, щоб забезпечити безперервне виробництво, а надлишок алюмінію, що накопичується на катоді, періодично відкачується і направляється у великі печі, де можна видалити домішки, додати легуючі елементи, а потім розлити у злитки.

Щоб зробити цей процес економічно вигідним, дуже важливо, щоб швидкість подачі глинозему в кріолітову ванну регулювалася таким чином, щоб підтримувати постійну концентрацію в оптимальному діапазоні. На цей фактор може впливати багато факторів, включаючи розмір частинок і перемішування.

Проводячи рентгеноструктурний аналіз кріолітової ванни, можна легко контролювати вміст кальцію і магнію в ній. Однак, на жаль, цей рентгенівський метод має кілька недоліків, які обмежують його точність: до них відносяться складність аналізу структури порошку, а також перекриття піків аналізу напівморфного кріоліту NaCaAlF6 з аналітичними піками хіоліту і веберіту; важко відрізнити нейборит від нейбуриту лише за допомогою цього рентгенівського методу!

Металургійні підприємства використовують дифракційні системи високого тиску для точного моніторингу температури кріолітової ванни в режимі реального часу і прогнозування часу її замерзання, що є важливими компонентами їхнього технологічного процесу. Крім того, ця система може виявляти домішки вуглецю, які становлять небезпеку для здоров'я працівників шахт, ливарних цехів і заводів, а також мінеральні включення, такі як пірит або кальцит, що вказують на домішки в самому глиноземі.

Процес виплавки

Алюміній можна видобувати (за нерентабельною ціною) з деяких глин, але більша частина виробництва походить від видобутку та переробки бокситів на глинозем (оксид алюмінію). Потім глинозем слугує сировиною для виробництва металевого алюмінію; цей енергоємний процес використовує велику кількість електроенергії. На сьогоднішній день світове виробництво глинозему швидко зростає з використанням варіацій технології Байєра (хоча більш складні боксити з високим вмістом діаспор можуть вимагати інших варіацій).

Дрібно подрібнений боксит змішується під тиском у реакторах з гарячими розчинами каустичної соди (NaOH) для розчинення алюмінієвмісних мінералів - гібситу, боміту та діаспори - у перенасиченому розчині алюмінату натрію, відомому як "вагітний розчин". Реактивний кремнезем, присутній у розчині, також має бути видалений шляхом подальшої обробки, щоб утворилася червона грязьова суспензія, яку також називають "глиноземним шламом", перед закачуванням у герметичні дамби, які містять непроникні матеріали для запобігання витоку і забрудненню навколишнього середовища.

У відновлювальних горщиках глинозем (із залишками каустичної соди) поєднується з вуглецем, утворюючи розплавлений електроліт, через який проходить електричний струм, розриваючи хімічні зв'язки між алюмінієм і киснем в глиноземі, вивільняючи кисень, і алюміній осідає на дно як анодний метал, тоді як вуглекислий газ піднімається вгору як катодний метал.

У високих осаджувачах розчин гідрату глинозему додатково відокремлюють від каустичної соди шляхом додавання невеликої кількості дрібнокристалічного порошку глинозему в рідкий розчин, що призводить до його осадження у вигляді твердих алюмосилікатних твердих частинок гідрату глинозему, які потім можна відфільтрувати, промити і висушити до білого порошку, відомого як "кальцинований глинозем".

З цього глиноземного порошку можна формувати різні вироби за допомогою різних технологій - сухого, ізостатичного та гарячого пресування, лиття під тиском або стрічкового лиття, наприклад, - з додаванням або без додавання додаткових матеріалів (зв'язуючих речовин або термопластів) для полегшення виготовлення та виробничих процесів, таких як лиття під тиском або виготовлення тонких підкладок для мікроелектронних схем. Крім того, його використання як наповнювача допомагає покращити ізоляційні властивості кераміки.

Процес розрахунку

Бокситові залишки можна додатково переробляти за допомогою прожарювання, яке передбачає подачу в обертову піч, де вони піддаються впливу високих температур для видалення залишків води та хімічно зв'язаних елементів, утворюючи продукт у вигляді порошку глинозему, придатного для формування у форми або використання як сировини в кераміці.

Реакції, що генерують тепло, каталізуються гарячою каустичною содою (NaOH). Реагенти, що відрізняються за складом, наприклад, поєднання діаспори з гіббсом, також можуть додаватися для контролю температурних профілів і виробництва різних сортів глинозему.

Хоча більша частина виробництва глинозему йде на виплавку алюмінію, існує значний ринок спеціальних глиноземів, що використовуються як вогнетривкі матеріали та технічна кераміка. Ці спеціальні продукти мають тонку кристалічну структуру з дуже високою питомою поверхнею, що дозволяє їм протистояти корозійному впливу; крім того, вони володіють ізоляційними властивостями, високим рівнем міцності і термічної стабільності, що робить їх безцінними компонентами проектів будівництва печей.

Інші сфери застосування глинозему включають виробництво кераміки, наприклад, вогнетривів, абразивів і опор для каталізаторів. Зв'язувальні речовини часто можуть додаватися до порошку; наприклад, термопласти для лиття під тиском нагріваються і змішуються з глиноземом перед випалюванням під час охолодження. Ще одне застосування стрічкового лиття - змішування з органічною рідиною для отримання тонких підкладок для мікроелектронних схем.

На відміну від інших керамічних матеріалів, які, як правило, м'які та крихкі, а тому не витримують ударних навантажень або розтягування під час експлуатації, електрокорунд твердий, міцний і має низький коефіцієнт розширення - ідеальні якості для підшипників та ущільнень. На жаль, його тонка структура може призвести до ослаблення дефектів, таких як розтріскування і руйнування під впливом ударних навантажень або надмірного розтягування.

Кальцинація - це промисловий метод нагрівання, який використовується для досягнення хімічного розділення твердих матеріалів шляхом випаровування води, випаровування забруднюючих речовин і розкладання окислювальних частин маси. Кальцинація здавна використовується як ефективний спосіб виробництва безводного глинозему; виробництва гіпсокартону з гіпсових відходів; вилучення рутилу високої чистоти з анатазу для виробництва рутилу високої чистоти, а також для інших промислових цілей.