БАҒдарламасы (Syllabus) mlm 3301 «Жеңіл металдар металлургиясы»

Құрастырушылар: _________ аға оқытушы Бакиров А.Г.

(қолы)
_________ оқытушы Маженов А.Е.

(қолы)

MLM 3301 – «Жеңіл металдар металлургиясы»

Металлургия кафедрасының отырысында ұсынылған 20___ж. «____» ________

хаттама №____
Кафедра меңгерушісі _____________ Сүйіндіков М.М.
Металлургия, машина жасау және көлік факультетiнiң оқу-әдістемелік кеңесі қолдады 20____ ж. «____» ________

хаттама №____,

(қолы)

Барлығы – 3 кредит

Курс: 3

Семестр: 6

Дәрістер – 30 сағат

Тәжірибелік сабақтар- 15 сағат

СӨЖ –90 сағат

Жалпы еңбек сыйымдылығы – 135 сағат

Бақылау түрі

Емтихан – 6 семестр

Бұл пəнді оқып үйрену студенттердің: «Жалпы химия», «Физикалық химия», «Металлургия өндірісіндегі процестер мен аппараттар», «Металлургиялық процестердің теориясы» сияқты тиісті курстардан алған білімдеріне негізделген.

Студент алған білімін курстық, дипломдық жұмыстары мен жобаларды орындау кезінде, əрі қарай өндірістік қызметтерде, мамандық бойынша магистратурада оқуын жалғастырғанда, ғылыми зерттеу жұмыстары кезінде оқыған кезде пайдаланады.

Дәріс сабақтары - Бакиров Алтынсары Газизович, аға оқытушы

Тәжірибелік сабақтар, СӨЖМ – Маженов Адильбек Ерболович, оқытушы

«Металлургия» кафедрасы, Б–224

телефон: 8 (7182) 673623

Е–mail: altynsary @mail.ru

«Жеңіл металдар металлургиясы» пəні металдар жəне олардың қосындыларының физика-химиялық қасиеттерін, шикізат көздерін, қолдану аймақтарын, өңдеу жəне оларды тазалау тəсілдерін, технологиялық процестерді аппараттық жабдықтауды оқытады. Пəнді оқытудың мақсаты студенттерге жеңіл металдар өндірудің технологиялық процестерін, өңдеу тəсілдерінің теориясы мен тəжірибесін, жеңіл металдар жəне олардың химиялық қосындылары кездесетін шикізат көздері, процестер мен аппараттар жөніндегі қажетті металлургиялық есептерді шығара білу үшін білім негіздерін меңгеруге мүмкіндіктер жасау.

– кенді материалдарды, шоғырларды өндірістік өнімдерді ашудың негізгі заңдылықтары жəне металдардың таза қосындыларын алу, оларды қалпына келтіру тəсілдері, металдарды тазалау жəне жоғары тазалықтағы металдар алу, процестер мен аппараттардың құрылымдық, энергетикалық, жылулық есептерін жасай білуіне студенттердің білімін тереңдету үшін.

• 
  Сазбалшық өндірудің əдістері, металдар алу жəне олардың химиялық қосындыларын тазалау, əртүрлі орталарда төменгі жəне жоғары температураларда сілтісіздендіру тəсілдері туралы;
  

• 
  Əртүрлі реагенттер қолдана отырып өңдеу, пиро- жəне гидрометаллургиялық тəсілдермен алғашқы өнімдерді ашу туралы;
  

маңыздысы кальций жəне барий, ал сілтіліден – литий жəне натрий. Жеңіл металдар химиялық активті эрекеттеседі оттегімен, галоидтармен, күкіртпен жəне көміртегімен; кернеу қатарында олар электртеріс элементтер орынында орналасқан. Сондықтан, электролитте электроң қоспалары бар элементтер болмауға тиісти, себебі олар бірінші катодта шөгеді де алынатын металдың сапасың төмендетеді. Жеңіл металдарды алу үшін əр түрлі күрделі технологиялық схемалар қолданылады. Бұл технологиялар химиялық жəне электрохимиялық процестермен байланысты. Сондықтан, əр технологияны жеке өндіріске шығаруға болады. Мысалы, алюминий металлургиясы төрт өндірістен тұрады:

сазбалшық, фтор тұздар, электродтар өндірісі жəне эектролиттік жолмен алюминийді алу.

Техникалық əдебиеттерде жеңіл элементтің негізгі белгісі болып, оның қолданыстағы жаңалықтары саналады. Жеңіл элементті техникалық анықтау нəтижелері, геохимиялық мəліметтермен əрқашанда үйлесе бермейді. Жеңіл металдардың, периодтық элементтер жүйесінің əртүрлі топтарына орналасуы жəне əртүрлі керемет қасиеттері, оларды біріңғай физика-химиялық белгілері бойынша классификациялауға мүмкіндік бермейді. Осыған

байланысты жеңіл металдарды техникалық классификациялау, олар əдетте топқа бөлшектенеді, олардың əрқайсысында, əр топтар үшін ерекше белгілері бойынша бір біріне жақын элементтер орналасқан. Жеңіл металдарды техникалық классификациялау 1-кестеде келтірілген.
Кесте 1 - Жеңіл металдарды техникалық классификациялау

Техникалық классификациялау топтары	Элементтер	Периодтық жүйенің топтары
Жеңіл	Li, Rb, Sг, Be, Al, Mg, Ва, Са, К, Νа, Ті	І, ІІ, ІІІ,1V

Жеңіл металдарды (А1, Мġ ) электролиз арқылы алынады. Сондықтан, қуатты электростанция жəне энергиясы арзан болуға тиісті. Металдардың қолданылатын саласы жəне «таза» заттар жөніндегі түсініктер. ХХ-шы жүз жылдықтың басынан жеңіл металдар өскелең мағынаны иемдене бастады. Қазір жеңіл металдар, олардың қорытпалары немесе əртүрлі қосындылары қолданылмайтын жаңа техникаларды атап шығу қиын. Атом энергетикасы, радиоэлектроника, авиациялық, космостық жəне ракеталық техникалар, машина жасау, прибор жасау, химиялық өнеркəсіп, міне осылар қолданатын сирек металдардың номенклатурасын үздіксіз кеңейтіп жəне олардың тазалығына деген талаптар жоғарылатылуда. Таза зат дегеніміз – бұл физикалық жəне химиялық жағынан біртекті жай дене немесе бір анықталған атомдар (иондар) түрінен тұратын немесе өзіне ғана тəн комплексті тұрақты қасиеттерге ие қосындылар. Тазалаудың ең тиімді тəсілдерімен жүргізілетін қайталау операциясы, таза заттың қасиетін өзгерте алмайды. Мүлде таза затты тек теориялық жағынан көзге елестетуге болады. Шет елдерде металдар тазалығын белгілеу үшін көп жағдайда N символы пайдаланылады. Мысалы, 2 N металдың _ﾖn3___тазалығын білдіреді, яғни 99 пайызға тең, 2 N5=99,5%, 5 N8=99,9998%, 6 N=99,9999% жəне т.б.. Дегенмен металл тазалығы көрсеткішінің мəнін белгілеу немесе жартылай өткізгішті материалдағы, «тоғыздықтар» белгісі қарапайым өнеркəсіптік бұйымдарда да сақталады.

Өте таза материалдар үшін тазалықты көрсетудің мұндай тəсілі енді жеткіліксіз. Соңғы кездері металл тазалығын көрсетудің мынадай түрлері кең етек алуда, бірлік санмен ppm-parts per million – деген (негізгі металдың бір миллионды бөлігіндегі қоспа бөлігінің санын көрсетеді), сондай ақ ppb бірлік саны parts per billion – деген (негізгі металдың бір миллиард немесе бір миллион бөлігіндегі қоспа бөлігінің санын көрсетеді). Бір ppm 1·10-40%-ға сəйкес, ал бір ppb – бірлігі 1·10-7%-ға сəйкес. Мына ppm жəне ppb бірліктерін атомдық үлестермен немесе масса бойынша саналатын үлестермен көрсетуге

болады. Сондықтан, концентрациялы материалдың атомдық үлестерін көрсету

кезінде, ppm-ға тең қоспалардың мөлшері негізгі заттың 10-6 атомдарына 1 атом

қоспа келеді. Сондай ақ, өте таза металдармен жартылай өткізгішті материалдардың

тазалық көрсеткішін белгілеу үшін, əдетте 1 см3 материалдағы қоспаның атомдар санының түрімен көрсетілген мөлшерлерге сүйенеді, мысалы 10-16 атомдар/см3. Химиялық қосындылар жəне металл еместер, жоғары тазалықтағы заттарға жатады, егер олардағы қоспалардың лимиттік қосындылары аз жəне тиісті «хч» маркасынмен салыстырғанда бір санға (қоспалардың мөлшері 5·10- 6%-дан 0,5%-ға дейін), «Чда» маркасы үшін екі санға (қоспалардың мөлшері 1·10-5%-дан 0,4%-ға дейін) жəне «Ч» маркасы үшін үш санға (қоспалардың мөлшері 2·10-5%-дан 1%-ға дейін) кем емес болуы шарт. Металдар жəне жартылай өткізгішті материалдар, егер олардағы əр лимитталған қоспалар мөлшері (масса бойынша) 1·10-4%-дан, газдар – егер олардағы лимитталатын

қоспалар мөлшері (көлемі жағынан) 1·10-3%-дан аспаса жоғарғы – тазалықтағы заттарға жатады. Жоғары тазалықтағы заттарға лимитталатын қоспалар санымен мөлшеріне байланысты белгілі таңбалар (маркалар) қосып жазылады.Жеңіл металдарды талдау жəне технологиясы. Жеңіл металдарды өнеркəсіпте қолданудың технологиялық əдістері, бастапқы шикізаттың сипатына жəне дайын өнімнің сапасына қойылатын талаптарға байланысты бірқатар ерекшеліктерге ие.

Бұл ерекшеліктерге:

1) табиғи шикізаттарда немесе өнеркəсіптік қалдықтарда жеңіл металдар

концентрациясының төмендігі;

2) олардың құрамының күрделілігі;

3) көптеген жеңіл металдар минералдарының химиялық беріктігі жəне

соңғы өнімдердің тазалығына қойылатын өте жоғары талаптар.

Сондықтан, кендерден жəне басқа шикізат түрлерінен жеңіл металдар

өндіру технологиясы əрқашан да көп сатылы сипатқа ие жəне əдетте мынадай

негізгі кезеңдерден тұрады:

1) кендерді немесе əртүрлі қалдықтарды байыту;

2) шоғырларды (ашу) ыдырату;

3) таза химиялық қосындылар алу;

4) оларды металл түріне дейін қалпына келтіру;

5) металды тазарту (рафинерлеу);

6) металдар мен қорытпалардың компакті кесектерін алу.
Кендерді байыту. Көптеген жеңіл металдар үшін, зерттеліп жəне өнеркəсіпке енгізілген əдістерге, гравитациялау, флотациялау, магнитті, электростатикалық жəне əртүрлі байытудың құрастырылған тəсілдері жатады. Соңғы жылдары жеңіл металдар кендерін байыту металлургиялық переделдармен байланысы күшейді. Байыту фабрикаларының байыту схемаларында, жоғары сапалы шоғырлар алу мен шығару үшін, күйдіру мен гидрометаллургиялық процестерді өте жиі қолданады. Жеңіл металдарды (ашу) ыдырату. Əртүрлі қышқылдарға, тұздарға, хлорларға негізделген реагенттерді қолдана отырып, пирометаллургиялық, сондай ақ, гидрометаллургиялық процестермен атқарылады. Жеңіл металдарды электрлі пештерде қалпына келтіріп балқыту арқылы оның ферроқорытпасын алу ірі ғалымдар мен инженерлердің жұмыстарына арналған. Жеңіл металдардың мол мөлшердегі шоғырларын ашудың гидрометаллургиялық əдістері де аса толық зерттелген. Металға дейін қалпына келтіру. Химиялық қосындыларды металға дейін қалпына келтірудің əртүрлі əдістері көптеген жеңіл элементтер үшін əбден

зерттелген.Тотықтардан хлоридтар мен фторидтар арқылы рубидий,берилий,титанды қалпына келтірудің металлотермиялық процестері ашылды. Техникалық рубидий алу үшін, вакуумде кальциймен металлотермиялық калпына келтіру əдісі енгізілді. Электролиттік əдіспен жеңіл металдар алуды үйрену бойынша көптеген зерттеулік жұмыстар жүргізілді. Алюминий, магний, литий жəне берилий үшін балқытылған ортада электролиздеу зерттелді. Металдарды тазалау. Өнеркəсіптің үздіксіз қойып отырған талаптары, ұнтақты металлургия мен жеңіл металдарды балқытып тазалау бойынша кең

Ион алмасу мен хроматографиялы экстракциялау жолымен қоспаларды концентрирлеу əдістері ашылды, оның анықтаумен сай келушіліктің оптико- спектралдының соңы - 10-5%-ға дейінгі, ал сай келушіліктің нейтронды-активациялық соңы - сезімталдықты (чувствительность) қамтамасыз етті. Бір уақытта тазалық негіздері 10-6% болатын элементтер алынған. Талдаудың рентгенді спектралды əдістері дамуда. Химиялық талдаулар саласындағы ғалымдардың салмақты жетістіктерінің бірі радиоактивационды əдісті тауып қолданысқа енгізулері болып саналады. Бұл əдістің физикалық негізі, оның көмегімен радиоактивті жəне жоғары шешулік қабілетті спектрометрлерді қоздыру үшін, сəулеленудің əртүрлі көздерін пайдалану кезінде, оны тіркеу үшін кез-келген элементтерді, кез-келген сай келушілікте, басқа талдау əдістерінің қолы жетпейтін дəлдікпен жəне сезімталдықпен анықтауға мүмкіндік бере алады. Жеңіл металдардың газдарын сезімталды жəне дəлдік əдістермен талдау, осы күнгі масспектралды, анықтауға мүмкіндік беретін құралдарды пайдалану арқылы жүргізіледі.

1 [5-328];

2 [5-322];

3 [29-438].

1. Таза заттар деген не;

2. Өте таза заттар үшін тазалықты көрсетудің тəсілдері;

3. Жеңіл жəне сирек металдар өндірісіндегі негізгі технологиялық

переделдары;

4. Сирек элементтердің негізгі белгілері;

5. Жеңіл элементтерді талдаудың физика-химиялық тəсілдері.

2-ші дəріс. Алюминий металлургиясы. Алюминийдің физика-химиялық қасиеттері
Алюминий – Д.И. Менделевтің Периодтық жүйелер элементтерінің үшінші топтың химиялық элементі(катар№ 13; атомдық салмағы 26,9815). Алюминийде түрақты изотоптар жоқ. Валентность 3, қайнау температурасы 25000С, балқу температурасы 6600С, тығыздығы 2,7 г/см3.Тазалығы 99,5% алюминийдің электрөткізгіштігі мысқа қарағанда 62% құрайды. Алюминий жеңіл механикалық өңделеді: соғылады, созылады,

прокатталады. Алюминийдің амфотерлық қасиеттері бар, ол ериді сілтіде, тұз жəне күкірт қышқылдарда.Концентрациялы азот қышқылы жəне органикалық қышқылдар алюминийге əсер етпейді. Алюминий мен оның қорытпаларын қолдану жəне қасиеттері. Алюминий жеңіл металдарға жатады жəне олардың арасында ең жоғарғы маңызға ие, сондай-ақ жер қойнауында өте көп таратылған. Алюминий өндірілу көлемі жағынан темірден кейінгі екінші орында жəне біршама төменгі бағаға ие. Алюминийдің өнеркəсіптік өндірісі 1890 жылдан басталады. XIX ғасырдың аяғына дейін алюминий өте қымбат болды жəне бағасы бойынша тек алтыннан кейін тұрды. Алюминий оттегімен үлкен ұқсастыққа ие. Алюминийдің ұнтағы қыздыру кезінде тұтанады жəне ауада жанады. Бірақ əдеттегі атмосфералық жағдайда алюминийден жасалған заттар коррозияға аз ұшырайды. Бұл алюминийдің бетінде (қалыңдығы 0,01-0,1 мкм) жұқа қабыршық, металды əрі қарай тотығудан қорғайтын тығыз қабыршық Al2O3 оксидінің құрылуымен түсіндіріледі. Алюминий, оксидті қабыршығын бүлдірмейтін орталарда тұрақты. Ол теңіз суларында да коррозияға тұрақты, əртүрлі концентрацияланған минералды қышқылдармен (күкірт, азот) əлсіз əрекеттеседі, бірақ қышқыл ерітінділері жəне сілтілер оны қарқынды ерітеді. Алюминий көптеген органикалық қышқылдарға (сірке, лимонды, плавикті, алма жəне басқа қышқылдарға) өте тұрақты. Келтірілген қаситтер техникалық

алюминийді пайдаланудың негізгі бағыттарын анықтайды. Оның иілгіштігі фольгаға соғуға жəне одан жоғары штампты бұйымдар шығаруға мүмкіндіктер береді. Жоғары электр өткізгіштігі алюминийді электротехникалық мақсаттарға пайдалануға болатыны көрсетеді (электр желілерін өндіру үшін). Коррозияға тұрақтылығы себепті жəне əсіресе органикалық қышқылдар ортасында, азық түлік ыдыстарын жасау үшін, алюминий тұрмыста да кең қолданыс табуда. Алюминийдің оттегіне үлкен ұқсастығы себепті металлургияда ашытқы ретінде сондай-ақ бірқатар металдар (хром, ванадий, кальций литий жəне басқалары) жəне олардың оксидтерін алюмотермиялық əдіспен қалпына келтіру жолымен металдар алуға қолданады. Тауарлы алюминийдің тазалығы ГОСТ-қа сəйкес болуы керек. Алюминийдің аса таза маркасы А999 құрамында 99,999% алюминий бар жəне негізінен ғылыми-зерттеу жұмыстарында пайдаланылады. Халық шаруашылығында алюминийдің жоғары тазалықтағы маркалары А995, А99, А95 (99,995-99,95% Al) жəне техникалық тазалықтағы маркалар А85, А8, А7, А6, А5 жəне А0 (99,85-99,0% Al). Халық шаруашылығының кейбір салаларында жəне техникаларда ең кең қолданысты, негізі алюминий-мыспен, кремниймен, мырышпен, марганецпен жəне басқалармен қосындыланған қорытпалар алуда. Өнеркəсіпте алюминийдің 60 аса қорытпалары белгілі. Дайындамалар мен бұйымдарды өндіру тəсілдеріне байланысты алюминді қорытпалар екі топқа бөлінеді:формасын өзгерткіш (деформаланғыш) жəне құйылатын қорытпалар. Формасын өзгерткіш алюминді қорытпаларды əуелі кесекке құйып алады, кейін кесектен жарты өнім жəне қысып-соғу, тығыздау, қызыдру жəне басқа да əдістермен өңделген бұйым алынады, (қысыммен өңделетін алғашқы дайындама (заготовка) сондай-ақ ұнтақты металлургия əдісімен алыну мүмкін). Құйылатын қорытпаларға, олардан дайындалатын бұйымдар үлгі түріндегі (фасон) əдістерімен құйылып жасалатындар жатады. Алюминий жəне оның қорытпалары қолданылады: ғарышта, металлургияда, химияда, автоөндірісте, авиаконструкцияларда, теміржол транспортында, машинажасауда; электротехникада кабель, шинопровод, конденсатор жасау үшін; құрылыста, көпірлерде, металдық конструкцияларда; ядролық энергетикада, радиоэлектроникада, радиолакацияда; алюминді бояу; ыдыс-аяқ жасауда; əскері техникада, кеме жасауда;бронемашиналарға, танктерге, ракеталарға деталь жасау үшін; авиабомбада,снарядтарда. Кеннің сипаттамасы жəне жалпы алюминий өндірудің схемасы.

Алюминийдің жер қойнауындағы ең кең тараған түрі оттегімен жəне кремниймен қосындылары. Бұл қосындылар, алюминді кен – бокситтер, нефелиндер, алунидтер жəне басқалардың құрамына кіреді. Алюминий өндіру үшін бүгінгі күнге дейін негізінен бокситтер саналады, олар тау жыныстары түрінде де кездеседі. Негізгі массасын алюминийдің гидрооксидтары, кремнийдің, темірдің, титанның жəне басқалардың гидрооксидтері құрайды. Бокситтерде барлығы 40 астам химиялық элементтер табылған. Алюминий гирооксидтері минералдар түрінде қатысады: гиббсит Al2O3ּ 3H2O, бемит жəне диаспор Al2O3ּ H2O. Соған сəйкес бокситтерді гиббситті, гиббситті-бемитті, бемит-диаспорлы жəне диаспорлы деп бөледі. Бокситтер құрамындағы сазбалшық Al2O3 жəне кремнеземмен SiO2 болып сипатталады. Құрамында сазбалшық көп болып кремнийлі оксиді аз болса, соғұрлым бокситтің сапасы жоғары, сондықтан олардың сапасын Al2O3 мен SiO2 мөлшерінің ара қатынасымен бағалау алынған, оны кремнийлі модуль деп атайды. Бокситтердегі орташа сапа 40-45% Al2O3 жəне олардың кремнийлі модулі 5-8. Жоғары сапалы бокситтердегі Al2O3 мөлшері 50% асады, ал олардың модулі 10-12 тең. ТМД-да ең белгілі бокситтердің кен орындары Тихвинский Ленинград облысында, Солтүстік жəне Оңтүстік Оралда, Торғайда жəне бірқатары Солтүстік Қазақстанда деп есептеледі. Көптеген бокситтердің сапасы біршама жоғары емес (кремнийлі модулі 3-4). Жоғары сапалыға (модулі11-12) ие бокситтер Солтүстік Орал кен орындарында.

Алюминий өндірудің маңызды шикізаты болып нефелиндер саналады. Нефелинді жыныстардың кен орындары Кольский түбегі, Краснояр өлкесі мен Кемеров облысында, сондай-ақ Арменияда, Қырғызыстанда жəне басқа аудандарда. Кеннің құрамына (Na, K)2Oּ Al2O3ּ 2SiO2 нефелин (негізгі минерал), апатит, далалық шпаттар жəне басқа да минералдар кіреді. Апатит мөлшері жоғары кен нефелинді жəне апатитті шоғырлар құрай отырып, флотацияға ұшырайды. Нефелинді кендерде жəне шоғырларда Al2O3 мөлшері 25-30% жəне сазбалшық сондай-ақ сода, поташ жəне цемент өндірудің шикізат көздері

болып табылады. Апатитті шоғырлардан фосфоритті тыңайтқыштар алынады. Алунидтар минералдардың сульфатты класына жатады. Онымен бірге алунидтің негізгі минералдары (Na, K)2SO4ּ Al2(SO4)3ּ 4Al(OH)3, алунитті кендерде кварц, каолинит, жəне басқа да минералдар қатысады. Оларда Al2O3 –тің мөлшері жоғары емес (20-22%), бірақ олар комплексті шикізаттар ретінде қызығушылық тудырып отыр, өйткені олардан тек сазбалшық қана емес, сондай-ақ күкіртті ангидрид жəне сілті алуға мүмкіндік болады. Алунитті кеннің кен орындары Өзбекістанда, Закарпатьеде, Азербайджанда бар. Алюминий жоғары химиялық активті металдарға жатады, сол себептен ол табиғатта байланыс түрінде кездеседі. Алюминий оттегінен жəне кремнийден кейін ең коп таралған химиялық элемент. Академик А.Е.Ферсманның мəліметтері бойынша алюминийдің 250-ге

жуық минералдары бар,олардың ішінде 40% астам алюмосиликаттар. Алюминийдің оттегімен жəне кремниймен қосылыстары ең коп жердің қыртысында таралған. Алюминий өндірісінде негізгі шикізат ретінде бокситтер саналады. Ол қатты кеуекті тау жынысы, оның негізгі массасы алюминийдің гидроксиды, кремнийдің, темірдің, титанның оксидтері жəне басқа қосындылары. Бокситтің құрамында 40 химиялық элементтер табылды.Бокситтің түстері: ақ, қара-қоныр, қызыл-қоныр, қызғылт. Гидроксид алюминийдің минералдары: гиббсит (гидраргиллит) А12О3·3Н2О, бемит жəне диаспор А12О3·Н2О. Осыған сəйкес бокситтердің түрлері: гиббситті, гиббсит-бемитті, бемит- диаспорлы жəне диаспорлы.
Кен орындары: Тихвинск Ленинград облысында, Северо- жəне Южноуральское, Торғай жəне Солтүстік Қазақстан. Бұл бокситтердің сапасы жоғары емес, олардың кремнийлі модулі 3-4 тен. Североуральскийдегі кен орындағы бокситтердің сапасы жоғары болып келеді, олардың кремнийлі модулі 11-12 тен. Нефелин – маңызды шикізат алюминий өндірісінде.Кен орындары: Кольский түбегі, Краснояр аумағы, Кемеров облысы, Армения, Киргизия. Кеннің құрамында нефелин(негізгі минерал), апатит, далалық шпат жəне басқа минералдар бар. Құрамында жоғары мөлшерде апатиті бар кенді флотация арқылы нефелин мен апатитті концентратті бөліп алады. Нефелинді кендерде

жəне концентратта 25-30% А12О3 бар, ол шикізат ретінде қолданылады алюминий өндірісінде. Алунит – сульфат класс минералдарына жатады. Негізгі минералы алунит,

бірақ та алунит кендерінде кварц, каолинит жəне басқа минералдар бар. Кендегі А12О3 мөлшері жоғары емес (20-22%). Кен орындары: Узбекистан, Закарпатье

жəне Азербайджан. Кен орындары шет елдерде: АҚШ, Аргентина, Бразилия, Румыния,

Югославия, Индия, Греция,Австралия, Африка, Корея. Нефелинді өндеген кезде алады: сазбалшық, сода(Νа2СО3), поташ (К2СО3) жəне цемент. Апатитті концентьраттан фосфорлы тынайтқыш алады. Алунитті өндеген кезде алады: сазбалшық, кукірт ангидридін жəне сілті. α-корунд - сирек кездеседі, одан асыл тастар жасайды: рубин, сапфир.

Əдебиеттер

1 [7-250];

7 [7-263].

Бақылау сұрақтары:

1.Алюминийдің негізгі қасиеттері жəне оны қолдану салалары;

2.Алюминийдің маңызды кендерімен минералдары;

3.Алюминий өндірісіндегі кендердің сипаттамасы;

4.Алюминий қорытпаларының бұйымдары жəне оларды дайындау әдістері;

5.Алюминді кендерді өңдеу кезіндегі галлийдің таратылуы.

Алюминий өндіру үшін пайдаланылатын сазбалшық жеткілікті түрде таза болуы керек. Ондағы қоспалардың рұқсат етілген мөлшері көп болмауы, % (масса бойынша): SiO2 0,02-0,2; Fe2O3 0,03-0,08; Na2O 0,4-0,6 керек, қыздыру кезінде оның жоғалуы 0,8-1,1%, сазбалшықтың əртүрлі маркалары үшін, көрсетілгеннен аспауы керек. Сазбалшықтың тазалығына қойылатын мұндай жоғары талаптарды былай түсіндіруге болады, бірқатар қоспалар (кремний, темір жəне басқалар) электролиздеу кезінде алюминиймен бірге бөлініп катодта, оны ластайды. Кейбір қоспалар (сілтілі металдардың оксидтары, су) жүргізіліп жатқан элетролиздегі фторлы тұздардың қосымша шығынына

апарады. Өнеркəсіпте сазбалшық алудың əртүрлі тəсілдері қолданылады, мұндайда бастапқы шикізаттың құрамына жəне алдымен ондағы кремнезем мөлшеріне байланысты.

Сілтілі автоклавты тəсіл (Байер тəсілі)

Байер тəсілін бокситтерді өңдеу үшін қолдану, құрамында аз мөлшерде кремнезем бар, яғни кремнийлі модулі 6-7 кем емес сəтте орынды. Бұл əдіс, К.Н. Байермен Ресейде ХІХ ғасырдың аяғында ашылған. Бокситтерді сілтісіздендіруге дайындау операциясы оларды ұсақтау мен ұнтақтаудан тұрады. Ұсақтау дəрежесі (немесе ұнтақ түріне) шамамен 1,5-нан

0,05 мм дейін, бұл оксидтердің қасиетіне байланысты. Ылғалды ұнтақ тəсілмен жүреді, ол үшін диірменге айналмалы ерітінді жəне сілті жіберіледі. Осылай алынған пульпаны Байер тəсілінің негізгі операцияларының бірі – бокситтерден сазбалшықты сілтісіздендіруге жібереді. Əдетте сілтісіздендіруді, қысымның 3 мПа дейінгі жəне температураның 100-2400С кезінде жүргізеді, мұнда да бокситтердің типіне байланысты:

гиббситті бокситтер үшін төменгі температура мен қысым, ал диаспорлы бокситтер үшін көбірек мөлшерлер қолданылады. Байер əдісі тұйықты жəне үздіксіз циклде жүргізіледі.Байер əдісінің негізінде мынадай қайтарымды реакция жүреді:

А1(ОН)3 + ΝаОН ↔ ΝаА1(ОН)4.

Сонымен бірге кремнезем ерімейтін тұнбаға өтеді. Басында ол улы натрмен реакцияланады:

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O.

Кейін пайда болған натрий силдикаты натрий алюминатымен əрекеттесіп, реакция бойынша ерімейтін натрийдің гидроалюмосиликаты – пермутит алынады:

2Na2SiO3+2NaAlO2+4H2O=Na2Oּ Al2O3ּ 2SiO2ּ 2H2O+4NaOH.

Реакцияда көрсетілгендей кремнеземнен тазарту сілті мен сазбалшықтың жоғалуымен бірге жүреді. Сондықтан классикалық Байер тəсілі құрамында кремнезем мөлшері жоғары бокситтерді өңдеу үшін ұсынылмайды. Бокситтерде қатысатын темір мен титан оксидтары оларда тұнбаға өтеді, біріншісі оған қызыл қоңыр түс береді сондықтан оны қызыл шламдар деп атайды. Бокситтерді сілтісіздендіру автоклаваларда жүргізіледі, ол өзі жоғары температура кезінде жоғары қысымға төзімділік ету қабілеті бар, болаттан жасалынған ыдыс. Сазбалшық өндіру кезінде 8-11 тізбектеле қосылған автоклавалардан тұратын батареяларда бокситтерді үздіксіз сілтісіздендіру кең қолданылады.

Боксит

Ұсату
Біркелкілеу

Ерітінділеу

Қоюландыру Әктас Жаңа сода

Сүзілу Шикіқұрамды дайындау бөлімі (Күйежентектелу сұлбасы)

Алюминат ерітіндісін суыту

Күйежентектелу

Декомпозиция

Төл ерітінді Алюминий гидрокисі

Шламды бөлу және жуу

Буландару Гидрокисті жуу Қор

Айналымдағы сілтілі ерітінді Кальциндеу Алюминат ертіндісі Қызыл шлам

Тауарлық алюминий тотығы Кремниден ажырату

Оксалаттар Na₂CO_3*H₂O Үйінді

(сары сода) Ақ шламды жуу және бөлу

Таза конденсат Кремниден бөлінген және Ақ шлам

сүзілген алюминат ерітіндісі

ЖЭО

схемасы.
Пульпаны автоклаваларға түсуден бұрын, бірінші сатыдағы сепаратордың құбырлы қыздырғыштарынан шығатын бумен шамасы 1500С дейін қыздырылады. Пульпаны қысымның 2,5-3,5 мПа кезінде, керекті температураға дейін соңғы қыздыру бірінші автоклавада жүргізіледі, оған күшті бу жібереді. Пульпаның басқа қалған автоклавалармен жылжуы кезінде, онда жоғарыда атап көрсетілген сілтісіздендіру процесі жүреді. Батареяның соңғы автоклавасынан пульпа тізбектеліп қосылған екі сепараторға (немесе өзі булағышқа) түседі. Бұл– болатты ыдыстар, мұнда қысымның төмендеуі жүреді, мысалы біріншіде 20 шамамен 0,8 мПа дейін жəне екіншіде – 0,15 мПа дейін. Қысымның тым жылдам төмендеуі себепті, сеператорға түскен пульпа қайнайды жəне салқындатылады. Мұндайда (1- сатыдағы сепаратордан) пайда болған буды пульпаны қыздыруға жəне (екінші сатыдағы сепаратордан) шыққан суды шламды шаюға пайдаланады. Сілтісіздендіру нəтижесінде, натрий алюминаты ертіндісі мен қызыл шлам

бөлшектерінен тұратын, автоклавты пульпа алынады. Қызыл шламның бөлінуін жақсарту үшін, оны шаятын сумен сұйылтады жəне ерітіндінің кремнийсіздендіру жағдайында қойылтуға жібереді, яғни қызыл шламды тұндыруға. Əдетте операцияны көп ярусты қойылтқыштарда жүргізеді.
Қойылтқыштарда ажыратылған қызыл шламды біренше рет шаяды жəне үйіндіге жібереді. Алынған алюминатты ерітінді мөлшері шамамен Al2O3 - 130- 150 г/л сүзгіленеді жəне келесі операцияға жіберіледі. Ол декомпозиция (немесе бұрау) деп аталады.

Декомпозициялау процесі, анықталған жағдайлар кезінде ыдырайтын алюминатты ертініділердің қасиеттеріне негізделген: NaAl(ОН)4 = Al(OН)3 + NaОН.

Натрий алюминатының келтірілген ыдырату реакциясы жүру үшін, ерітіндінің температурасын 65-450С дейін төмендету қажет жəне сұйытылып «затравка» қосу керек. Процесті жылдамдату үшін ерітіндіге мол мөлшерде жаңа тұндырылған алюминий сулы тотығы – «затравка» қосады. Реакцияның жүру барысын анықтайтын маңызды фактор болып, сондай ақ сілтілі ертінідегі натрий алюминатының құрамына кіретін жəне бос мөлшерінің жиынтығы саналады. Осы сілтінің мольдік концентрациясының ерітіндідегі сазбалшыққа қатынасы – каустикалық модуль деп аталады. Процестің басындағы ерітіндідегі каустикалық модульдің ыдырауы шамамен 1,6-1,7 құрауы керек, ал каустикалық модуль 3,4-3,7 жеткенде процесс аяқталады. Процестің ұзақтығы 50-70 сағат. Декомпозицияны декомпозер деп аталатын аппараттарда жүргізеді.. Декомпозициялаудан кейін пульпа ерітіндіден гидроксидті бөлу үшін, қойылтқышқа түседі, алынған гидроксид класталады, былайша айтқанда тұнбаның өнімдік бөлігі, ол негізінен 50 мкм ірілеу бөлшектерден тұрады. Оны жуады, сүзеді, сосын ақырғы операция кальцинациялауға жіберіледі. Ал гидрооксидтің ұсақ фракциясын алюминатты ерітіндіні декомпозициялау кезінде «затравка» ретінде пайдаланады. Кальцинацияны алюминий гидрооксидін сусыздандыру жəне сазбалшық алу үшін жүргізеді. 1,5 сағат гидрооксидті 11000С дейін қыздырады. Мұндай кезде мынадай процестер жүреді:

Al(OН)3→ AlOОН→γ-Al2O3→α-Al2O3.

Алюминий гидрооксидінің сусыздануы температуралардың 500-9000С аралығында аяқталады. Ұсақ көлемімен жəне жоғары гигроскопиялары кристалдарымен ерекшеленетін γ-модификациясындағы Al2O3 құрайды. Əрі қарай 950-12000С аралығындағы қыздыру кезінде бұл модификация жарым жартылай (30-40%) α-модификациясын Al2O3 (корунд) айналады. Мұндайда сазбалшық кристалдарының іріленуі жүреді жəне ол тіпті гигроскопиялы емес. Кальцинациялау үшін барабандары кірпіштермен футерленген, ұзындығы 50 м жəне диаметрі 2,5-5 м дейін болаты айналмалы құбырлы пештер қолданылады. Барабанның айналу жылдамдығы 1-2 айн. мин.

Пісіру тəсілі. Тəсілдің мəні алғашқы материалдарды жоғару температурада пісіру жолымен пісіріндіні алу, онда натрийдің алюминаты қатты фаза түрінде, оны əрі қарай сілтісіздендіруге жіберу. Осы тəсіл бойынша жоғары кремнийлі бокситтерде (кремнийлі модулі 6 кем) жəне жоғары мөлшердегі Fe2O3 бар нефелиндерде өңдейді.

Пісіруге кететін шығын, алынатын сазбалшықтың өзіндік құнының 50% дейін құрайды. Нефелинді əктаспен пісіру диаметрі 3-5 м жəне ұзындығы 190 м дейінгі айналмалы құбырлы барабанды пештерде жүргізеді. Пешке пульпаны құю арқылы газдағы шығатын жағынан беріледі, мұндағы температура шамамен 200-3000С пулпа жылдам кебеді жəне біртіндеп 1250-13000С дейін қыздырылады. Шихталардың қызу барысына қарай реакция жүреді, яғни нефелин əктаспен əрекеттеседі:

(Na, K)2O* Al2O3*2SiO2+4СаСО3=(Na, K)2O* Al2O3+2(2СаО*SiO2)+4СО2.

Осы реакция нəтижесінде нефелиннің құрамына кіретін Na2О жəне K2О сазбалшықтың алюминатқа өтуін қамтамасыз етеді, ал кальцийдің оксиді кремнеземмен байланысып аз еритін екі кальцийлі силикат құрайды. Алынған пісіріндіні тоңазытқыштарда салқындатады, бөлшектейді жəне сілтісіздендіруге жібереді. Пісіру пешінен шыққан газдар шаңнан тазартылады, сосын пісіруге қайтарылады, ал газдардың қалған бөлігі құрамында СО2 бар қосымша тазалаудан кейін карбонизациялау тəсілімен алюминатты ерітіндіні ыдыратуға жібереді. Пісіріндіні ыстық сумен сілтісіздендіру процесі, онда алюминаттарды ерітумен жүреді. Екі кальцийлі силикаттың мол бөлігі шламға түседі. Бірақ алюминаттармен əрекеттесу себепті ол біршама ыдырайды жəне бөлінетін кремнезем ерітіндіге гидросиликаттар түрінде өтеді. Сонымен қатар, ерітіндідегі каустикалық модульдің жеткіліксіз кезінде алюминаттардың ыдырауы жүруі мүмкін, бұл Al2O3 жоғалуына əкеліп соғады. Ерітіндінің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін, сілтісіздендіруге шайынды судың қоспасын 65-700С кезінде декомпозициялаудан алынған сода сілтілі ертінді жіберіледі. Əдетте нефелинді пісіріндіні сілтісіздендіру, оны ұнтақтаумен қатар жүргізіледі жəне сондықтан мұны шарлы немесе өзекті диірмендерде жүргізеді. Сілтісіздендіру нəтижесінде алынған алюминиатты ерітіндіні кремнийден тазалудың бірінші сатысана ал бемитті шлам шайылғаннан кейін цемент өндірісіне жіберіледі.

Күйежентек

Күйежентекті ұсату

Ерітінділеу

Кремниден ажырату Үйінді

Қойюландыру және сүзу

Ақ шлам Алюминат ерітіндісі

Карбондау
Қоюландыру және сүзу
Содалы ерітінді Гидрат
Буландыру Жуу Су

Al(OH)₃

Өндіріс сулары

Кальциндеу

Алюминий тотығы

Сурет 2 - Бокситті пісіру əдісімен өндеудің принципті технологиялық схемасы.

бойы қыздырылады. Мұндай өңдеудің нəтижесінде кремнеземнің ерімейтін қосындысы алюмосилика түрінде құрылады, ол тұнбаға отырады жəне ақ шламдар деп аталдаы. Мұндай кезде, ерітіндінің кремнийлі модулі 25-35 тен 250-400 дейін жоғарылайдлы. Алюминатты ерітінді кремнийсіздендірудің бірінші сатысынан ақ шламды бөлгенне кейін бұл ерітіндіні ек ібөлікке бөледі. Бір бөлігін карбонизацияға келешекте декомпозицияға бағыттайды. Алюминатты ерітіндінің екінші бөлігін кренийсіздендірудің екінші сатысан

бағыттайды. Онда 90-950С кезінде 1,5-2 сағат аралығында араластырғышта əктас қосып кремнийден тазалау жүргізеді. Алюминатты ерітініді мұндайда кремний модулі -1000-на аса болғанша кремнийсіздендіріледі. Бұлай ерітіндіні терең кремнийсіздендіру келешекте одан алюминий гидрооксидінің жоғары сапасын бөлу үшін, ал қалған ерітіндіден Na2CO3 кальцийланған тауарлы сода мен К2CO3 поташ бөлуге қажет. Алюминатты ерітіндіден карбонизациялау тəсілімен алюминийдің гидрооксидін бөлу былай жүреді. Ерітінді арқылы құрамында СО2 бар, тазаланған пеш газдары үрленеді. Карбонизация екі сатыда жүреді:

2NaОН + СО2 = Na2CO3 + Н2О,

ΝаА1(ОН)4 ↔ А1(ОН)3 + ΝаОН.
Осының нəтижесінде алюминатты ертінідінің каустикалық модулі азаяды, тұрақтылығы төмендейді жəне антрий алюминатыныңм ыдырау процесі жылдамдатылады. Процестің ұзақтығы 7-8 сағатты құрайды. Карбонизацияны цилиндрлі шынжырлы араластырғыштары бар карбонизаторларда жүргізеді. Бокситтерді пісіру тəсілімен өңдеу. Бокситтердің құрамында сілтілі металдар болмауы себепті, əктасты бокситтермен жəне ақ шламдармен жаңа сода енгізеді. Ылғалды шихталарды айналмалы құбырлы пештерде пісіреді, нефелинді пульпаларға қарағанда бокситті пульпалар едəуір сұйығырақ, сондықтан оны пештерге форсункалардың көмегімен шашыратып жібереді.
Пештегі шихта 1150-12500С дейін қыздырылады жəне онда оксидтар содамен,

əктаспен əрекеттесіп мына төмендегі реакция жүреді:

Na2CO3 + А12О3 = Nа2О · А12О3 +CO2;

Na2CO3 + Ғе2О3 = Nа2О · Ғе2О3 + CO2;

2CaCO3 + SiО2 = 2СаО · SіО2 + CO2.

Пісіру нəтижесінде кеуекті (ұсақ саңылаулы) кесек пісірінді мен пештік газдар алынады, оны шаңнан тазалап нефелиндерді дəл осылай өңдеу кезіндегі карбонизациялау процесіне пайдаланады. Алынған пісірінді ыстық сумен сілтісіздендіру процесінде натрий

алюминатының ерітіндісімен бірге жəне бір уақытта натрий ферритінің гидролизі кезінде сілті құрылады:

Νа2О·А12О3 + 4Н2О = 2ΝаА1(ОН)4

Улы натр ерітіндіге өтеді ал темір оксиды тұнбаға отырады. Бірақ егер бұл сілті қажетті модульді алу үшін жеткіліксіз болса онда сода қосады. Ерітіндіге натрий алюминаты жəне сілтімен бірге біршама мөлшерде Na2SiO3- натрий силикаты түрінде кремнезем өтеді, сондықтан нефелинді өңдеген сияқты ерітіндіні кремнийсіздендіру қажет.

Құрастырылған тəсілдер

Сазбалшық алудың бұл тəсілі Байер тəсілімен пісіру тəсілін құрастыруға негізделген. Құрастырудың негізгі мақсаты Байер тəсілі цикліндағы жоғалған сілтінің орынын пісіру тəсілімен алынатын алюминатты ертіндідегі сілтімен толтыруға негізделген. Осының нəтижесінде жоғары мөлшерде кремнезем бар бокситтерді өңдеу үшін автоклавты сілтілі сілтісіздендіруді пайдалану мүмкіндік екені белгілі болды. Бірақ Fe2O3 мөлшері орташа болуы шарт. Автоклавты процестің пісіру процесімен үйлесуі екі вариантта іске асуы

мүмкін: қатарлы жəне тізбектелген.

Құрастырылған тəсілдің қатарлы варианты кезінде төменгі құрамдағы SiO2 (4-5%) тұратын жоғары сапалы бокситтерді Байер тəсілімен өңдейді, ал жоғары кремнийлі бокситтер 12-16% SiO2 немесе нефелиндер пісіру əдісімен өңделеді. Мұндай кезде өндірістің бірқатар тармақтарында жекелеген операциялар болмауы мүмкін. Мысалы пісіру тармағында карбонизациялау жəне кальцинациялау операциялары алынып тасталуы мүмкін, ал алюминатты ерітініділер келешекте өңдеу үшін Байер тармағына жіберілуі мүмкін. Бұл кезде Байер тармағындағы сілтінің жоғарылауы пісіру тармығынан алынатын

кальцийланған содамен орынын толтырады.