Кимёвий технология Ўзбекистон республикаси олий ва ўрта махсус талим вазирлиги н. Каттаев, М. Мухаммадиев, Х. Мирзохидов

5.6 Алюминий ишлаб чиқариш.

Рангли металлар ичида қўлланиш кўлламининг кенглиги ва ишлаб чиқариш ҳажми жиҳатидан алюминий биринчи ўринни эгаллайди. Алюминий енгил ( р= 2,7 г\см³ ), осон суюқланувчи ( сt – 660⁰С ), кукунсимон оқ, юмшоқ, ялтироқ металл 2500 ⁰ С да қайнайди. Электр токини жуда яхши ўтказади. У жуда пластик бўлиб, ундан симлар, туника ҳамда юпқа алюминий қоғозлари (фолгалар) ясаш мумкин.

Олиниши. Алюминийни 1886- йилда Чарлз. М. Хол (АҚШ) ва Пол Эру (Франция) бир – биридан хабарсиз ҳолда Аl₂О₃ дан электролиз қилиб олиш усулини ишлаб чиқдилар. Шу усулга биноан алюминий, алюминий оксиди ( Аl₂О₃) билан криолит (Nа₃АlF₆) аралашмаси суюқланмасини электролиз қилиб олинади. Алюминий оксидини (глинозёмни) олиш учун алюминийнинг турли рудалари: боксит, нефелин, алунит, каолин ва бошқалар ишлатилади.
Боксит – тоғ жинси бўлиб таркибида 32-60 % (масса бўйича ) гача турлича гидратланган алюминий оксиди Аl₂О₃·H₂О; Аl₂О₃·3H₂О сақлайди, яна 2 – 20 % гача кремний оксиди – SiО₂ темир, титан марганец, калций, магний оксидлари ва бошқаларни сақлайди. Унинг йирик конлари Рассия ва Қозоғистонда жойлашган, Ўзбекистонда ҳам унинг коналари бор. Бокситли ионлар Фарғона водийсида, Бойсунда ва Кармана тоғларида жойлашган ( ўртача сифатли конларига Жалойир, Нурота, Қизилбулоқ, Қизилқумдаги Октов конларини кўрсатиш мумкин) Нефелин бу ишқорий алюмосилкат бўлиб, ( Nа,К)₂О.Аl₂О₃–2SiО₂ . 2HОН -минерали шаклида ёки аппатит – нефелинли рудалар шаклида учрайди. Кейингисидан фосфорли ўғит олиш учун қайта ишланиб апатитли концентрат олинади. Қолган чиқиндиси – қолдиғи флотацияланиб нефелинли концентрратга ( таркибида 30 % гача Al₂O₃ сақлайди ) айлантирилади.
Алунит – ( Na,K)₂SO₄ .Al₂( SO₄)₃ . 4Al (OH)₃ рудаси таркибида 20 % - гача Al2O3 сақлайди. Ўзбекистонда алунит кони Оҳангарондадир.
Каолин – Al ₂O₃ .2 SiO₂ . 2H₂O рудаси тоза ҳолда кам учрайди , таркибида асосан, қум ва бошқалар билан ифлосланган ҳолда кенг тарқалган сарғиш, қўнғир рангли бўлади. Каолин кони Ўзбекистонда; Ангеренда Олтинтов ва Буқатовдадир.
Руда таркибига қараб глиназёмни(Al₂O₃)ажратиб тозалаб олиш учун ишқорий, кислатали ва электротермик усуллардан фойдаланилади.
Ҳўл ишқорий усул. 1886 йилда Россияда К.И.Байер томонидан кашф этилган бўлиб, Байер усули ҳам дейилади. Бу усул руда таркибидаги Al₂O₃ни ишқор билан эритиб эритмани эритмайдиган қўшимчалардан ажратиб олишга асосланган. Бу усулда 5%гача SiO₂сақловчи бокситни қайта ишлаш иқтисодий жиҳатдан самарали бўлиб, бундан ортиқ бўлса анчагина Al₂O₃ ва NaOH йўқотилади.
Бу усулда алюминий оксидини олиш тўрт босқичда амалга оширилади. Биринчи босқичи хом ашёни тайёрлаш. Бунда боксит дағал майдаланади ва шарли майдалагичда ишлатилган ишқор эритмаси иштирокида яна майдаланади (суюқликда майдаланади) кукун ҳолга келтирилиб суспензия ҳосил қилинади. Иккинчи босқич бокситни эритиш. Бу босқичда боксит суспензияси ишлатилган натрий алюминатли эритмада (алюминатли эритмада оксидга ҳисобланганда 300 г/л Na₂O бўлади). 4-6 соат мобайнида автолавда 0,4-1,5 МПа босимда иссик сув билан 150-200 ⁰С киздирилади. Боксит ишкор таъсирида эрувчан бирикмага айланади. Реакция жараёнида боксит таркибидаги глинозём ва кремнезём эритмага утади:
Al ( OH )₃ nH₂O + 2NaOH = NaAlO₂ + (n+1) 2 H₂O
SiO₂ + 2NaOH = NaSiO₃ + H₂O
Пульпа автоклавдан олинади, ювувчи сув билан суюлтирилади. (Na₂O нинг конц си 150г\л булгунча суюлтирилади). Натижада эримай колган кушимчалар кизил шлам ( кушимчалар таркибидаги темир оксиди унга кизил ранг беради) таркибига кириб унинг чукишини тезлаштиради. Бундан ташкари, хосил булган натрий алюминатнинг NaAlO₂ бир кисми натрий силикат- NaSiO₃ билан узаро таъсирлашиб эримайдиган натрий алюмосиликатга айланади:
2NaAlO₂+2NaSiO₃ +4 H₂O = Na₂O* Al₂O₃*2 SiO₂*2 H₂O+4 NaOH
Алюмосиликат чукмаси кизил шлам билан бирга тиндиргичларда сунгра фильтр эритмаларидан ажратилади. Чукма сув билан ювилади, фильтрат (ювувчи сув) эса пульпани суюлтиришга юборилади.
Баъзан бокситни ишкорда эритишдан олдин бойитилади, масалан, боксит таркибидаги кум , тупрок каби аралашмалар сув билан ювилади. Натижада боксит таркибидаги бегона аралашмалар анча камаяди. Учинчи боскич, кайириш дейилиб унда тухтовсиз аралаштириб турган холда, 60-90 соат мобайнида суюлтирилган натрий алюминат эритмасининг секи наста 60⁰ дан 40^О гача совутиш йули билан парчалантрилади. Эритмадан натрий алюминатнинг гидролизи реакцияси натижасида алюминийнинг 50% га яқин қисми Al ( OH )₃ кўринишида чўкмага тушади.
NaAlO₂ + 2H₂O = Al ( OH )₃ + NaOH
Қайириш олдидан эритмага тоза чўктириб олинган киристалларидан қўшилади. У қўр вазифасини ўтайди, яьни Al(OH)₃ яхши фильтирланадиган шаклида тез чўкишини таьминлайди. Пульпа тиндиргичда тиндирилади ва барабанли вакуум – фильтрда фильтрланади. Таркибида гидролизланмай қолган NaAlO₂ ва NaOH сақловчи фильтрат –кўр эритма (маточный раствор) буғлантирилади. Бошланғич концентратцияга (таркибида Na₂O нинг миқдори 30г/л бўлгунча) келгунча NaOH қўшилади ва бокситни суюқликда майдалаш ва эритиш учун юборилади.
Тўртинчи босқич қўйдириш – калцинатция бунда олинган Al(OH)₃ чўкмаси айланувчи барбанли печларда суюқ ёки газ ёқилғилар ёқилиб 12000С ҳароратда куйдирилади-кальцинациялади.
2Al(OH)₃ =Al₂O₃+3H₂O
Натижада таркибида 0,06-0,15% гача SiO₂ сақловчи жуда тоза алюминий оксиди-гилинозём олинади. Қуруқ ишқорий усул. Aмалда ҳар қандай миқдорда ва ҳар қандай бирикма шаклидаги алюминий сақловчи ашёларни қайта ишлашга яроқли ҳисобланади. Шу жумладан таркибида SiO₂ кўп бўлган боксит ва нефелин рудаларини ҳам қайта ишлашга яроқли. Бу усулда боксит оҳактош ва таркибида сода сақловчи қўр эритма ҳамда оқ шлам (алюмосиликат) билан аралаштирилади. Улар шундай нисбатларда аралаштириладики, бунда 1моль Al₂O₃ ва бир моль Fe₂O₃ га бир моль Na₂CO₃ , ҳамда бир моль SiO₂ га икки моль CaCO₃ тўғри келади. Шундай нисбатларда аралаштириб тайёрланган шихта шарли майдалагичларда яхшилаб майдаланилади. Сўнгра ҳосил бўлган суюқ пульпа форсунка орқали айланувчи барабанли куйдириш печига (печнинг узунлиги 150 м, диаметри 5м) солинади. Шихта навбат билан печни қуритиш, парчалаш, заррачаларнинг бир-бирига ёпишиб яхлитланиш ва ниҳоят совуш зоналари орқали ўтади. Яхлитланиш (ёпишиш) жараёни асосий босқич бўлиб, 1000-1200⁰С ҳароратда боради.
Na₂CO₃+Al₂O₃=2NaAlO₂+CO₂
2CaO+SiO₂=2CaO·SiO₂,
Na₂O(K₂O)Al₂O₃·2SiO₂+2CaO=2Na(K)AlO₂+2(CaO·SiO₂)
Бу реакцияларнинг тезлиги юқори ҳароратда кальций алюминат ва алюмосиликатлар ҳосил бўлиши реакцияси тезлигидан анча каттадир. Кремнезёмнинг озроқ қисми Na₂SiO₃ шаклида, темир оксиди эса Na₂O ·Fe₂O₃ шаклида боғланади. Ҳосил бўлган спёк (суюқланиб бир-бирисига ёпишган аралашма) майдаланилади ва ишлатиладиган кучсиз ишқор эритмаси билан аралаштирилиб турган ҳолда ишлов берилади. Натижадла натрий алюминат ва қисман натрий силикат эритмага ўтади. Кремнийни бутунлай йўқотиш учун (кремнийсизлаш учун) эритмага оҳакли сув қўшилади ва автоклавда 150-160⁰С ҳароратда қиздирилади.
2Na₂SiO₃+2NaAlO₂+Ca(OH)₂+4H₂O=CaO·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O+6NaOH
Ҳосил бўлган оқ шлам (алюмосиликат) чўкмага тушади. Чўкма тиндириш ва филтрлаш йўли билан ажратиб олинади. Фильтрат (эритма) эса спеклаш вақтида ҳосил бўлган таркибида 10-14% СО₂ сақланган тутун гази билан ишлов берилади. Бунда натрий гидроксиди нейтралланганлиги учун, натрий алюминати гидролизланади. Ҳосил бўлган Al (OH)₃ чўкмага тушади.
2NaOH(KOH)+CO₂=Na₂CO₃(K₂CO₃) +H₂O
NaAlO₂+2H₂O=Al(OH)₃↓+NaOH
Бу усулда NaOH (KOH) ни тўхтовсиз нейтраллаб турилиши сабабли эритма ҳолдаги алюминатни парчалаш, Байер усулига қараганда анча тез ва тўлиқроқ бўлади.
Ёпишиш усулида глинозём- Al₂O₃ нинг унуми 80% га етади. Ишқорий ҳўл усулда эса 55% бўлади. Бундан ташқари анча арзон реагентлар: Na₂CO₃ ва CaO қўлланилади. Глинозёмнинг тан нархини чиқиндиларини қайта ишлаш йўли билан янада арзонлаштириш мумкин. Бунинг учун алюминий гидроксид чўкмаси фильтрлаб олингач, қолган фильтрат таркибида агар хом-ашё сифатида нефелин минерали олинган бўлса натрий ва калий карбонатларини сақлайди. Уларни кристаллаб фильтратдан ажратиб олинади. Қолган қисмига шламга оҳактош қўшиб қайта ишлаш йўли билан уни портланд-цементга айлантирилади.
1т Al₂O₃ олганда чиқиндисидан қўшимча 1 тоннага яқин сода ва поташ, 7-8тонна цемент олинади.Ишлаб чиқаришда бирор хил чиқиндининг бўлмаслиги бу усулни жуда самарали усул эканлигидан далолат беради бу усул хом ашёни комплекс фойдаланишга яққол мисол бўла олади.
Алюминий оксидини водород ёки бирор металл билан қайтариб олиб бўлмайди. Углерод эса 2100⁰С ҳароратдагина қайтара бошлайди, аммо бундай ҳароратда у алюминий карбид ҳосил қилади. Тоза алюминий оксиди электр токини ўтқазмайди. 2050⁰С ҳароратда суюқланади. Шунинг учун ҳам Al₂O₃ суюқланиш ҳароратсини пасайтирувчи ҳамда электр ўтказувчанлик хоссасини оширувчи қўшимчалар қўшмай туриб амалда электролиз қилиб бўлмайди. Al₂O₃ ни яхши эритадиган ва унинг суюқланиш ҳароратсини кескин камайтирадиган модда сифатида криолитдан Na₃AlF₆(3NaF·AlF₃) фойдаланилади. Криолит табиатда кам тарқалган. Шунинг учун ҳам уни алюминий гидроксидига плавик кислотаси ва сода қўшиб сунъий йўл билан олинади.
Al(OH)₃+6HF=H₃AlF₆+3H₂O
2H₃AlF₆+3Na₂CO₃=2Na₃AlF₆+3H₂O
Криолит 1000⁰С га яқин ҳароратда суюқланади. Унда 8-10% алюминий оксиди эрийди. Назарий жиҳатдан уларнинг эвтектик аралашмаси таркиби 10% Al₂O₃ ва 90% Na₃AlF₆ бўлиб, бундай аралашма 962⁰С да суюқланади. Ишлаб чиқариш шароитида эса шихта яъни аралашма таркиби 8-10% Al₂O₃ ва 90% -92%Na3AlF6 дан иборат булади. Шихтанинг суюкланиш харорати 980⁰-1000⁰ С.бундай аралашманинг электр утказувчанлигини ошириш хамда криолит таркибидаги диссоциланган AlF₃ нинг урнини тулдириш, яъни компенсациялаш учун электролитга AlF₃, СаF₂ ва МgF₂ лар кушилади.
Суюкланмада криолит ионларига диссоциланади. Шунинг учун хам у электрни яхши утказади :
Na₃AlF₆ ↔3Na⁺+ AlF₆^3-
Хосил булган AlF₆^3- иони Al³⁺ва F^- ионларига кисман ажралади. Электролиз инерт электродларда (углеродли) олиб борилади. Электрлизёрнинг остида пресланган кумир блоклар куйилган булиб катод вазифасини бажаради. Алюминийдан ясалган ичи кумир брикети билан тулатилган каркаслар элетролизёрнинг юкори кисмига урнатилган булиб, анод вазифасини бажаради. Суюк Al₂O₃ ионларга ажаралади.
Al₂O₃ ↔ Al³⁺ + AlО₃^3-
катодда биринчи навбатда Al³⁺ кайтарилади (нормал потенциали -1.66 В) :
Al³⁺+3е^-→ Al⁰
Анода эса AlO ^2- ва AlO 3^3- ионлари зарядсизланади.
2AlO ₃^3— -6е^-→Al₂O₃ +1.5 О₂
2AlO ^2—-2е^-→Al₂O₃ +0.5 О₂
Ажаралган О₂ анод кумири билан биркиб кушимча реакцияларга сабаб булади. Натижада аноддан чикадиган газ тарбида О₂ дан ташкари СО ва СО₂ хам булади. Катодда ажралган Al металининг зичлиги (ρ=2.73г/см³)сукланманикидан (ρ=2.35г/см³) ката булганлиги учун электролизёрнинг остида тупланади. Ишлаб чикаришда куйдирилган ёки узи куювчи анодли электролизёрлар кулланилади (89- расм). Эни 3 м ,калинлиги 1 м булган пулат кожухга (копламага ) урнатилган анод (1) юкори кимсми анод ромига (2) махкамланган. Кожух кутаргичга (домкрат) (3) уланган, унинг ёрдамида юкорига кутариш ёки пастга тушиш мумкин. Кожухга чуян кунгирок (4) хам урнатилган. Электролиз пайтида ажралиб чиккан газлар глинозём ва криолит чанглари вентиляция курилмаси ёрдамида унда йигилади. Сунгра СО гарелкада (5) ёкилади. Анодли кожухга юкори кисмига ярим суюк холдаги пластик анод массаси (6) солинади ( анод массаси кулсиз нефт кокси ёки пёк коксига пёк кушиб тайёрланади). Аноднинг остки кисми ёниб камайиши билан у пастга тушаверади ва ярим суюк масса юкори харорат таъсирида коксланиб электрни яхши утказувчи каттик углеродли анод массасига (7) айланади. Ток утказиш учун анодга пулат стержен (8) кокилади. Электролизёр ташки томони пулат билан копланган кожухдан (11), унинг устига чидамли гиштдан килинган деворлардан (10) иборат. Электролизёрнинг остки ва ён томонлари кумир блоклар ва плиталардан (9) иборат.
Ток бериш учун блоклар орасидан пулат стержин урнатилади. Электролизёр девори якинида ва электролит устида электролитнинг котган пуслоги (13) хосил булади. Бу пуслок хам иссикликни изоляциялайди (утказмайди) ва деворни электролитнинг емирилишдан химоя килади. Алюминий оксиди хар икки сонияда солиниб турилади. Бунинг учун пустлок тешилади ва кунгирок (4) остидан тарнов оркали Al₂O₃ солинади. Захарли газлар атмосферага чикариб юборишдан илгари тозаланади, фтор бирикмалари эса ушлаб колинади. Суюк алюминий суткада бирмарта электролизёрдан олинади. Бунинг учун пуслок тешилиб у тешикка кувур тушурилади ва манна шу кувур оркали тортиб олинади ва турли шаклларда колипларга куюлиб, куймалари олинади.
Шундай электролизёрларда ток кучи 150 минг А булиб, 1 суткада 1100 кг алюминий ишлаб чикарилади. 1 тонна алюминий ишлаб чикариш учун 16-20 минг кВт.с. электр энергияси сарфланади. Кучланиш 4,2-4,5 В. Ток буйича унуми 85-90% .Олинган алюминий 99,5-99,8% ли булади, унинг таркибида асосий бегона кушимча темир ва кремнийдир. Замонавий алюминий заводларида электролизёрлар сериялар шаклида урнатилади. Хар бир серия 150 та электролизёрдан иборат булади.

VI БОБ