Ispitivanje metala

2. Metalurgija aluminijuma

Zbog svoje visoke hemijske aktivnosti, aluminijum se u prirodi nalazi u obliku svojih jedinjenja. Po svom sadraju u Zemljinij kori zauzima prvo mjesto meu metalima, a posle kiseonika i silicijuma najrasprostranjeniji je element.

Aluminijum se u industrijskoj proizvodnji poeo dobijati relativno skoro. Prvo industrijsko postrojenje za dobijanje aluminijuma datira iz sedamdesetih godina 19. vijeka u Francuskoj.

2.1. Osobine aluminijuma

Aluminijum se nalazi u IV grupi periodnog sistema elemenata sa radnim brojem 13. Obino je trovalentan, a u odreenim uslovima moe biti jednovalentan. Topi se na 933 K, a kljua na 2773 K. Gustina mu je 2700 kg/m3.

Aluminijum ima veliki afinitet prema kiseoniku i na vazduhu gubi svoj sjaj zbog toga to se prekriva tankim slojem oksida. Ovako stvorena opna od oksida je kompaktna i neporozna, usled ega daje aluminijuma veliku otpornost na koroziju.

Aluminijum se lako rastvara u alkalijama (bazama), hlorovodoninoj i sumpornoj kiselini, dok se u azotnoj i organskim kiselinama ne rastvara.

Posjedovanje istovremeno takvih svojstava, kao to su: mala specifina masa, visoka elektroprovodljivost, dovoljna mehanika vrstoa i visoka koroziona postojanost prema nizu hemijskih agenasa, inilo je da aluminijum dobije iroku primjenu u razliitim granama savremene tehnike.

2.2. Primjena aluminijuma i njegovih legura

Velike koliine aluminijuma koriste se u obliku njegovih legura kao konstrukcioni materijali. Jedna od najvanijih legura aluminijuma je duraluminijum u iji sastav ulaze sledee komponente: 3.4 4% Cu; 0.5 % Mg; 0.5 % Mn i ostatak je aluminijum. Duraluminijum ima specifinu masu 2850 kg/m3, dobro se podvrgava mehanikoj obradi, i po svojim mehanikim svojstvima se pribliava nekim vrstama mekog elika.

Najrasprostranjenija legura aluminijuma je silumin, koji sadri 12 13 % Si i po svom sastavu odgovara eutektikumu u sistemu Al-Si. Silumin ima specifinu masu neto manju od 2600 kg/m3, a upotrebljava se za veoma sloene odlivke gdje se zahtijevaju istovremeno znaajna mehanika vrstoa i mala specifina masa.

Legure aliminijuma, kako u obliku odlivaka tako i u obliku odreenih obraenih detalja, nale su iroku primjenu u konstrukciji aviona, automobilskoj industriji, mainskoj industriji itd. Aluminijum je naao iroku primjenu u elektrotehnici za izradu kablova, kondezatora, inskih prevodnika, ispravljaa struje itd. Mala specifina masa provodnika od aluminijuma dozvoljava u izgradnji dalekovoda vee rastojanje izmeu stubova, zbog smanjene opasnosti od ruenja usled sopstvene teine provodnika. U novije vrijeme aluminijum se iroko koristi u graevinarstvu kao zamjena drvetu i kamenu zatim za ambalau itd.

Visoka koroziona postojanost ini aluminijum u pojedinim sluajevima nezamjenjivim kao materijal za hemijsku industriju (na primjer za izradu aparata za proizvodnju azotne kiseline organskih materija i prehrambenih artikala).

ist aluminijum se takoe koristi za nanoenjetankih prevlaka preko drugih metala, inei ih na taj nain otpornim na koroziona dejstva u agresivnim sredinama.

2.3. Sirovine za dobijanje aluminijuma

Zbog svoje visoke hemijske aktivnosti aluminijum se u zemljinoj kori ne nalazi u samorodnom obliku, ve u obliku hemijskih jedinjenja sa ostalim elementima. Aluminijum obrazuje preko 250 minerala, od toga su vie od 40 alumosilikati (sadre osim oksida aluminijuma i oksid silicijuma). Najvaniji minerali aluminijuma prikazani su u sledeoj tabeli.

Tabela 1.

Da bi neka ruda mogla da slui za proizvodnju glinice, treba da zadovolji sledee zahtjeve:

da ima dovoljno visok sadraj glinice (Al2O3),

da se u prirodi nalazi u obliku velikih nalazita

da sadri Al2O3 u obliku koji je pogodan za dobijanje iste glinice.

U dananje vrijeme u najvanije rude aluminijuma ubrajaju se: boksiti, nefelini, alumiti i kaolimi.

Boksiti: Najvanija ruda za dobijanje aluminijuma u dananje vrijeme je boksit (naziv potie od mjesta gdje su naene prve naslage ove rude, les Baux u Francuskoj). Boksit je stijena sloenog mineralokog sastava tako da u sebi sadri ak i do 42 razliita elementa. Aluminijum se u boksitu nalazi u obliku minerala hidrargilita, bemita ili dijaspora. U zavisnosti od toga u kom je mineralokom obliku aluminijum sadran u boksitu, boksiti se dijele na tri osnovne vrste: boksiti hidrargilitnog tipa,

Boksiti bemitnog tipa i

boksiti dijasporovog tipa.

Najee se u prirodi u boksitima ovi minerali nalaze zajedno, a naziv i osobine boksita odreuje mineral aluminijuma koji je najvie zastupljen u konkretnom boksitu.

Pored minerala aluminijuma, u boksitu su sadrane sledee komponente: minerali eljeza (oksidi, hidroksidi i karbonati), silicijum u obliku kvarca, opala i kaolinita titan u obliku rutila itd. Od primjesa koje najee prate boksit treba istai sledee: Na, K, Cr, Zn, P, V, Ga, organske materije i pirit.

Hemijski sastav boksita, u zavisnosti od mineralokog oblika aluminijuma i koliine primjesa varira u irokim granicama u jednom istom leitu. Kvalitet boksita kao rude aluminijuma odreuje prije svega sadraj Al2O3 i SiO2 u njemu. Ukoliko je nii sadraj SiO2 a vii Al2O3 utoliko je pri neizmjenjenim ostalim uslovima kvalitet boksita vii. Teinski odnos Al2O3 prema SiO2 u boksitu naziva se modul boksita, koji slui kao pokazatelj kvaliteta boksita. Ukoliko je modul boksita vii, utoliko je boksit bolji.2.4 Postupci za dobijanje aluminijuma

Dobijanje aluminijuma se u svijetu danas uglavnom vri iz boksita, mada se neznatne koliine dobijaju iz nefelina, alunita, kaolina i silimanitnih ruda, koje se sve zajedno nazivaju neoboksitne sirovine.

Dobijanje aluminijuma iz boksita obuhvata dva nezavisna tehnoloka postupka i to: dobijanje aluminijum oksida g l i n i c e i

dobijanje metalnog aluminijuma iz aluminijum oksida.

U mnogim sluajevima glinica se proizvodi na jednom mjestu, obino u blizini rudnika boksita ili se boksit transportuje do pogona za proizvodnju glinice, a dobijena glinica se prerauje ili neposrednio na mjestu dobijanja ili se transportuje do pogona za proizvodnju metalnog aluminijuma, obino u blizini izvora elektrine energije.

Od vie predloenih postupak za dobijanje glinice iz boksita danas su praktinu primjenu nali samo neki od njih. S obzirom da glinica ima amfoterni karakter, mogue je za njeno izvlaenje iz boksita koristiti kisele i bazne postupke.

U savremenoj industrijskoj proizvodnji glinice iz boksita poznati su sledei postupci:

bazni,

kiseli i

elektrotermijski.

U industrijskoj proizvodnji najiru primjenu dobio je bazni postupak poznat kao Bajerov postupak, koji se sastoji u luenju boksita rastvorom NaOH i kasnijem izdvajanju izluenog oksida aluminijuma. Mogue je dobijanje glinice i po tzv. suvom postupku, koji se koridti za preradu boksita sa vidokim sadrajem SiO2. Ovaj postupak se sastoji u termikom tretiranju boksita sa sodom pri emu se stvaraju aluminati u vrstom stanju koji se kasnije lako rastvaraju u vodi.

Kod baznog postupka odstranjivanje primjesa sadranih u boksitu Fe i Ti je dosta jednostavno jer idu u neizlueni ostatak koji se naziva crveni mulj. Silicijum reaguje sa bazom i kod veeg sadraja u rudi, javljaju se odreene tekoe koje dovode do gubitka glinice, pa su iz tog razloga za ovaj postupak pogodnije sirovine koje imaju mali sadraj silicijuma.

U sadanje vrijeme se za proizvodnju glinice koristi uglavnom bazni Bajerov postupak i to iz sledeih razloga:

potreba za potpunim ienjem glinice od primjesa eljeza kod Bajerovog postupka se lako prtevazilazi jer je eljezo pri ovim uslovima nerastvorno, aparatura treba da bude otporna na koroziju, to se kod baznog postupka lako izvodi zbog toga to su, za razliku od koselina, alkalni rastvori, manje agresivni. i regeneracija kiseline je vezana sa velikim tekoama, a samim tim i sa gubicima lunog agensa, dok je kod baznog postupka regeneracija baze dosta jednostavna.

2.5. Bajerov postupak za dobijanje glinice

Bajerov postupak je osnovni postupak za dobijanje glinice u svijetu. Osnovni zahtjev koji se postavlja da ispuni boksit da bi se mogao ekonomski opravdano preraivati po ovom postupku, je nizak sadraj SiO2 u granicama 5 8%. Osnovna tehnoloka ema Bajerovog postupka prikazana je na sledeoj slici.

Slika 1. Tehnoloka ema Bajerovog postupka

Boksit se najprije podvrgava pripremi koja se sastoji u homogenizaciji njegovog sastava, drobljenju, mljevenju i klasiranju. Posle pripreme, boksit se lui u autoklavima rastvorom NaOH u cilju izdvajanja glinice iz boksita u obliku rastvora natrijumaluminata. Luenjem se dobija pulpa sa ratvorom natrijumaluminata i nerastvornog ostatka crvenog mulja. Pulpa se razblauje povratnim rastvorom iz sistema protivtonog pranja crvenog mulja, a zatim se upuuje na odvajanje vrste od tene faze. Nerastvorni ostatak se zatim ispira u cilju potpunijeg izdvajanja aluminatnog rastvora, a rastvor se filtrira u cilju odstranjivanja zaostalih estica crvenog mulja. Bistar rastvor natrijumaluminata se mijea sa dijelom ranije istaloenog aluminijumhidroksida da bi se ubrzalo izdvajanje aluminijuma iz aluminatnog rastvora. U ovoj operaciji aluminijum se izdvaja u obliku hidroksida koji se ispira u cilju potpunijeg odvajanja od alkalnog rastvora. Isprani Al(OH)3 se kalcinie na temperaturi oko 1400 K, pri emu se dobija krajnji proizvod koji se naziva kalcinirana glinica. ovratni rastvor posle izdvajanja i pranja Al(OH)3 se uparava u cilju udaljavanja vika vode i poveanja koncentracije NaOH. Upareni rastvor se ponovo vraa u proces luenja.2.5.1. Priprema boksita

U zavisnosti od mineralokog sastava boksita i njegovih fiziko hemijskih svijstava, priprema boksita moe biti razliita. Priprema boksita ukljuuje obogaivanje, usitnjavanje (drobljenje i mljevenje) suenje, prenje i homogeniziranje.

Jedan od naina obogaivanja boksita je pranje protonom vodom u cilju otkljanjanja finog mulja koji sadri organske materije i glinu. Ovaj proces se vri na mjestu dobijanja boksita.

U veini sluajeva, boksiti se na rudnicima ne obogauju ve direktno idu na preradu. Nekad se vri njehovo suenje u cilju otklanjanja vlage, to je jako vano da se sprijei njegovo smrzavanje kod transporta u toku zime.

U pogonima glinice koji nisu u neposrednoj blizini rudnika, formiraju se skladita boksita, koja imaju za cilj da obezbijede rezerve za bezbijedan rad pogona glinice i da se njima izvri homogenizacija ulaznog boksita. Njaee su ova skladita tipa beding, koja su u veini sluajeva otkrivena.

Homogenizovani boksit sa skladita uvodi se u tehnoloki proces njegove prerade. Prva operacija kojoj se podvrgava boksit je drobljenje. Boksit se drobi na drobilicama sa ipkama, a ovako izdraobljena sirovina transportuje se transportnim trakama do prihvatnog bunkera iz koga se vri dodavanje boksita za sledeu operaciju, koja u ovom sluaju predstavlja drugi stepen usitnjavanja tj. operaciju mljevenja. Izdrobljeni boksit se melje u cilindrinim mlinovima sa ipkama ili sa kuglama na mokro, tako da se u procesu mljevenja istovremeno priprema pulpa za narednu operaciju luenje. Posle mljevenja pulpa se upuuje u klasifikatore gdje se odvajaju krupnije estice koje nisu dovoljno samljevene i iste se vraaju ponovo u proces mljevenja. Samljeveni boksit u obliku pulpe, s obzirom da je mljevenje vreno na mokro, upuuje se na luenje u cilju prevoenja korisne komponente aluminijumoksida u rastvor.2.5.2. Luenje boksita

Proces luenja sastoji se u tretiranju samljevene pulpe rastvorom NaOH, na visokim temperaturama i pritiscima u autoklavu. Osnovne komponente koje su prisutne u boksitu u procesu luenja ponaaju se na sledei nain:

Oksid aluminijuma koji je sadran u boksitu prisutan je u obliku minerala hidrargilita, bemita ili dijaspora. U procesu luenja ovi minerali sa rastvorom NaOH reaguju na taj nain to se aluminijum prevodi u rastvor u obliku natrijumaluminata:

Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O

AlOOH + NaOH = NaAlO2 H2O Oksid eljeza koji je posle oksida aluminijuma najzastupljenija komponenta u boksidu, najee se nalazi u obliku hematita, u procesu luenja se ne rastvara sa rastvorom NaOH ve u cjelosti ostaje u ostatku od luenja koji se naziva crveni mulj.Silicijumdioksid koji je u boksitu prisutan u obliku kvarca, opala i kaolinita, reaguje sa rastvorom NaOH razliito, u zavisnosti od njegovog mineralokog oblika.

Teorijski svaki procenat SiO2 sadran u boksitu vezuje 8.5 kg Al2O3 i 6.65 kg Na2O na tonu boksita koji se prerauje. Zbog toga se u Bajerovom postupku prerauju boksiti koji sadre SiO2 5 8%. Tehnoloki je mogua prerada i boksita sa veim sadrajem SiO2, meutim, ekonomika prerade takvih boksita nije povoljna.

2.5.3. Uslovi luenja

Na proces luenja uslovi luenja pokazuju veliki uticaj tako da od njih uglavnom i zavisi stepen prevoenja glinice iz boksita u aluminatni rastvor. Najvaniji od tih uslova su sledei:1) vrijeme luenja

2) koncentracija alkalnog rastvora

3) kaustini odnos alkalnog rastvora

4) temperatura luenja

5) prisustvo krea

6) veliina zrna i drugo.

1) Vrijeme luenja bitno utie na koliinu glinice koja iz boksita prelazi u aluminatni rastvor. Koncentracija Al2O3 u rastvoru u poetku luenja brzo raste, a zatim se asimptotski pribliava jednoj konstantnoj vrijednosti. (zavisnost prikazana na sledeoj slici). Sadraj SiO2 u rastvoru u poetku brzo raste sa poveanjem vremena luenja boksita, dostie maksimum posle ega ponovo brzo opada.

Slika 2. Uticaj vremena luenja na izluenje Al2O3 i SiO2 iz boksita2) Koncentracija alkalnog rastvora koji se primjenjuje za luenje boksita, ima bitan uticaj na proces luenja. Sa poveanjem koncentracije rastvora raste stepen izluenja glinice, a poveava se i koncentracija dobijenog aluminatnog rastvora.

3) Kaustini odnos, odnosno molski odnos Na2O/Al2O3 u rastvoru povratnog alkalnog rastvora u zatvorenom Bajerovom ciklusu, ima bitan uticaj na brzinu luenja boksita. Brzina luenja raste sa poveanjem kaustinog odnosa alkalnog rastvora i obrnuto, smanjuje se sa njegovim smanjenjem.4) Temperatura luenja ima veliki uticaj na proces luenja boksita. Pri ostalim istim uslovima sa poveanjem temperature raste izluenje glinice iz boksita i skrauje se vrijeme luenja. Drugim rijeima, visok stepen izluenja moe se postii pri vrlo kratkom vremenu luenja. Optimalna temperatura luenja boksita se za svaki boksit odreuje eksperimentalno, tako da za hidrargilit iznosi 423 K a za bemit i dijaspor do 523 K.5) Prisustvo krea u malim koliinama (3 4%) u praksi je pokazaloda se kod luenja dijasporovog boksita poveava stepenizluenja glinice. 2.5.4. Tehnologija luenja boksita

Boksit se najee lui u autoklavima u kojima se potrebna temperatura postie zagrijavanjem pulpe pomou zagrijane vodene pare u ureajima koji se zovu autoklavi (konstrukcija dva tipa autoklava data je na sledeoj slici)

Slika 3. Autoklavi; a) mehaniko mijeanje, b) mijeanje vodenom parom

Pulpa posle luenja u autoklavu je zagrijana na temperaturi vioj od temperature kljuanja, tako da je i pritisak vii od atmosferskog. Luna pulpa pri ovakvim uslovimase iz autoklava isputa u ureaje koji se zovu ekspanderi u kojima se vri sniavanje pritiska do atmosferskog, pri emu se vri isparavanje, a dobijena vodena para se koristi za zagrijavanje pulpe u autoklavima. Ekspanderi su zatvoreni cilindrini sudovi sa sferinim vrhom i konusnim dnom. Na sredinu sferinog vrha zavarena je cijev kroz koju se dovodi pulpa iz autoklava. Pulpa izvodi iz ekspandera kroz konusno dno, a para se skuplja u parovodu koji je pridodat na vrhu sferinog dijela samouparivaa.

Uporedo sa autoklavima (za sluaj indirektnog zagrijavanja) nalaze se tzv. kondezlonci koji slue za sakupljanje kondezovane vodene pare od zagrijavanja autoklava.

Iskorienje Al2O3 iz boksita pri luenju kree se oko 85%, pri emu, ukoliko boksit sadri manje SiO2, izluenje je vee i obratno.

Pogon za proizvodnju glinice po Bajerovom postupku snadbjeven je serijom meusobno povezanih autoklava, pri emu se proizvodnost svakog od njih pri periodinom dejstvu moe izraunati na sledei nain:

gdje je: V zapremina autoklava, m3 t vrijeme luenja, h

specifina masa pulpe t/m3 koeficijent iskorienja autoklava (odnos koliine radnih asova autoklava u godini prema ukupnom broju asova u godini).

Proizvodnost autoklava se znatno poveava pri kontinuiranom luenju boksita, jer pri tome se skrauju gubici vremena koji se odnose na punjenje i pranjenje autoklava, a takoe i na prethodno zagrijavanje pulpe u samom autoklavu. Proizvodnost baterije autoklava sa kontinuiranim radom moe se izraunati na sledei nain:

gdje je: n broj autoklava u bateriji t/ - vrijeme zadravanja pulpe u autoklavu.

Neprekidno kontinuirani luenjeboksita u bateriji autoklava, pored ostalih prednosti, omoguuje automatsku regulaciju procesa, Osnovni parametar koji utie na proces kontinuiranog luenja je temperatura pulpe u autoklavu. Automatsko odravanje temperaturnog reima u bateriji autoklava omoguuje povienje proizvodnosti baterije, smanjuje potronju pare i runi rad opsluivanja operacije luenja boksita.2.5.5. Tehnologija procesa u autoklavima

Na sledeoj slici prikazana je jedna baterija autoklava sa ekspanderima i kondez loncima za kontinuirano luenje boksita.

Slika 4. ematski prikaz serije autoklava za luenje boksita

Suspenzija u lunom rastvoru pod pritiskom reda veliine 3.5 MN/m2 se uvodi u prvi autoklav (A1), u kojem ispunjava svu zapreminu oko grejnih cijevi i mjealice. Kroz grejne cijevi cirkulie para iz ekspandera (E1) i kondezlonca (K1). Pulpa kontinuirano prelazi iz jednog autoklava u drugi, s timto se sve di autoklava (A6) grije u svakom autoklavu parom osloboenom u odgovarajuem ekspanderu i kondezloncu. Autoklavi od 1 do 6 nazivaju se predgrijai. Temperatura ulazne pulpe u autoklav A1 je reda veliine 333 K, a temperatura na izlasku iz autoklava A6 je reda veliine 453 K. dakle ukupan porast temperature u predgrijaima je oko 120 K.

Sledei autoklavi se griju parom iz energane da bi se dostigla temperatura luenja reda veliine 493 K do 523 K. Kondezat od pare iz energane se sabira i ponovo vraa u energanu. Autoklavi koji se griju parom iz energane nazivaju se reakteri (po konstrukciji su isti autoklavima predgrijaima). Iz poslednjeg autoklava A9 pulpa ide u seriju ekspandera, i to prvo u ekspander E6. U ekspanderima se pritisak sniava od oko 3.5 MN/m2 na pritisak ravan atmosferskom. Pulpa iz ekspandera E6 ide i ekspander E5 i tako redom do ekspandera E1. U svakom od ovih ekspandera pritisak opada tako da je u prvom ravan atmosferskom. Usled ovih promjena pritiska u svakom ekspanderu se izdvaja nova koliina pare koja grije odgovarajui autoklav.

U autoklavu A6 izdvojeni kondezat ide u kondezlonac K6 iz ovog kondezata se izdvaja dio zaostale pare koja se dodaje pari iz ekspandera E6. Cio sistem grejne pare u autiklavu A6, kondezloncu K6 i ekspanderu E6 nalazi se pod istim pritiskom.

Kondezat iz kondezlonca K6 ide preko regulacionog ventila u kondezlonac K5 u kojem vlada nii pritisak. Usled manjeg pritiska kondezat izdvajaparu i hladi se na temperatuti koja odgovara pritisku koji vlada u ovom dijelu sistema. Izdvojena para iz kondezlonca K5 se sjedinjuje sa parom iz ekspandera E5 i slui za zagrijavanje autoklava A5.

Kod svih autoklava predgrijaa postoji identian odnos sa odgovarajuim ekspanderom i kondezloncem kao u sluaju autoklava A6. Cjelokupni kondezat se izdvaja iz kondezlonca K1. Konano, suspenzijanakon prelaska kroz sve ekspandere ima zapreminu umanjenu, usled isparavanja za oko 23% u odnosu na poetnu zapreminu i temperaturu oko 393 K, sa kojom izlazi iz ekspandera E1.

Ovako dobijena pulpa predstavlja izlaz iz procesa luenja u kojoj se korisna komponenta (Al2O3) nalazi u tenoj fazi u obliku natrijumaluminata, a vrsta faza je neizlueni ostatak crveni mulj.2.6. Razblaivanje autoklavne pulpe

Pulpa koja izlazi iz serije ekspandera se razblauje sa povratnim rastvorom iz sistema protivtonog pranja crvenog mulja. Razblaivanjem se poveava odnos :T do odnosa 1:20 pri emu se istovremeno smanjuje i koncentracija aluminatnog rastvora. Operacija razblaivanja vri se u posudama sa mjealicom. Razblaivanje pulpe se vri iz nekoliko razloga: obezbjeuje se bolja efikasnost odvijanja procesa razlaganja aluminatnog rastvora u narednoj fazi tehnolokog procesa,

omoguuje se izdvajanje SiO2 rastvorenog u procesu luenja,

olakava se zgunjavanje crvenog mulja,

smanjuje se filtraciona povrina za vrijeme bistrenja aluminatnog rastvora.

Dakle, razblaivanje autoklavne pulpe vri se u cilju obezbjeivanja bolje efikasnosti odvijanja narednih operacija u Bajerovom procesu. Svakako jedan od najvanijih razloga zbog koga se vri razblaivanje autoklavne pulpe je smanjivanje sadraja rastvorenog SiO2 u aluminatnom rastvoru tj. desilifikacija aluminatnog rastvora. Sa snienjem koncentracije Al2O3 u aluminatnom rastvoru, smanjuje se i odgovarajua ravnotena koncentracija SiO2, to je prikazano na sledeoj slici.

Slika 5. Zavisnost ravnotene koncentracije SiO2 u aluminatnom rastvoru od koncentracije Al2O3Ukoliko se u operaciji razblaivanja aluminatnog rastvora ne bi izvrila potrebna desilifikacija, izdvajanje SiO2 u obliku alumosilikata vrilo bi se u operaciji razlaganja aluminatnog rastvora to bi dovelo do zaprljanja glinice sa poveanim sadrajem SiO2. Ovo bi dovelo kasnije do elektrolitikog dobijanja aluminijuma i do zaprljanja metalnog aluminijuma.2.7. Odvajanje faza

Razblaena pulpa sa odnosom :T=1;20 upuuje se na odvajanje aluminatnog rastvora kao korisne komponente od nerastvornog ostatka crvenog mulja koji predstavlja jalovinu.

Odvajanje aluminatnog rastvora od crvenog mulja, vri se kao to je ematski prikazano na sledeoj slici.

Slika 6. ematski prikaz odvajanja aluminatnog rastvora od crvenog mulja

Razblaena luna pulpa se podvrgava zgunjavanju u jednom stepenu pri emu se dobija otok zgunjivaa sa odnosom :T=1:3.5 koji u tenoj fazi sadri jo uvijek znatnu koliinu korisnih komponenti (Na2O i Al2O3).

Ovako dobijeni otok zgunjivaa upuuje se na protivtono pranje u seriji zgunjivaa, da bi se postiglo iskorienje korisnih komponenti od najmanje 98%. Obino se ovo iskorienje postie u 5 do 6 stepena pranja. Protivtono pranje crvenog mulja nije mogue vriti filtriranjem zog toga to vrsta faza u ovoj pulpi ima malu sposobnost za filtriranje.

U sistemu protivtonog pranja nastoji se da se temperatura pulpe odri u granicama 368 400 K, da ne bi dolo do razlaganja aluminatnog rastvora i gubitka Al2O3 sa crvenim muljem. Iz tog razloga su ovi zgunjivai pokriveni da bi gubitak toplote u okolinu bio manji, a u nekim sluajevima se koriste i vieetani zgunjivai.

Dimenzije zgunjivaa koji se koriste u metalurgiji aluminijuma su prilino velike, i u zavisnosti od kapaciteta pogona glinice mogu da se kreu i do 200m u preniku.

Da bi se brzina sedimentacije crvenog mulja poveala, obino se dodaju flokulanti koji stvaraju flokule koje se bre taloe. Kao flokulanti u industrijskoj praksi koriste se: tirak, raeno ili kukuruzno brano pri emu se potronja ovih tzv. prirodnih flokulanata kree do 3.5 kg po toni glinice. U nekim sluajevima se koriste i sintetiki flokulanti poliakrilamidnog tipa. Njihova potronja je daleko manja i iznosi do 100gr po toni glinice, mada je i njihova cijena kotanja vea od cijene kotanja prirodnih flokulanata.

Isprani crveni mulj se alje na jalovite i predstavlja i predstavlja jalovinu U Bajerovom procesu za proizvodnju glinice.

Aluminatni rastvor dobijen u prelivu prvog zgunjivaa iz sistema protivtonog pranja, koristi se za razblaivanje novih koliina lune pulpe.

Aluminatni rastvor dobijen zgunjavanjem razblaene pulpe u sebi sadri jo uvijek najfinije estice crvenog mulja, pa se iz tog razloga prije razlaganja vri njegovo bistrenje. Bistrenje aluminatnog rastvora u cilju izdvajanja zaostalih najfinijih estica crvenog mulja vri se filtriranjem ovog rastvora kroz sloj kalcijumhidroksida koji zadrava sitne sitne estice vrste faze to ne bi bilo mogue ukoliko bi se filtriranje vrilo direktno kroz filterski medijum. Zbog toga to se ovom filtracijom vri odstranjivanje estica zaostalog crvenog mulja, u pogonskim uslovima ova operacija se naziva crvena filtracija.

Ovako izbistreni aluminatni rastvor je zagrijan na temperaturi oko 368 K, pripremljen je za narednu operaciju koja predstavlja razlaganje ovog rastvora u cilju izvlaenja Al2O3.2.8. Razlaganje aluminatnog rastvora

Aluminatni rastvor moemo posmatrati kao prave rastvore metaaluminijumove kiseline. Zahvaljujui tome to je ova kiselina slaba, aluminatni rastvor se podvrgavahidrolizi uz izdvajanje kristalnog taloga aluminijumhidroksida:

NaAlO2 + 2H2O NaOH + Al(OH)3

Ubrzavanje odvijanja procesa razlaganja aluminatnog rastvora moe se ostvariti na nekoliko naina: mehanikim mijeanjem aluminatnog rastvora i dodavanjem svjee istaloenog Al(OH)3.

Operacija razlaganja aluminatnog rastvora je sloen proces i u osnovi se sastoji iz dva stadijuma: hidrolize aluminatnog rastvora i kristalizacije Al(OH)3 pri emu se drugi stadijum ubrzava dodavanjem svjee istaloenog Al(OH)3 koji slui kao centar za kristalizaciju.

Kinetika procesa razlaganja aluminatnog rastvora odreena je brzinom kristalizacije Al(OH)3 kao sporijim stadijumom od brzine procesa hidrolize. Na taj nain brzina hidrolize moe biti koliko god hoemo velika, ali brzina kristalizacije Al(OH)3 e ipak limitirati ukupnu brzinu procesa razlaganja aluminatnog rastvora.

Na brzinu razlaganja aluminatnog rastvora utiu i drugi faktori, koje u proizvodnim uslovima treba sjediniti da bi se obezbijedila mogunost veeg iskorienja i dobijanje aluminijumhidroksida zadovoljavajueg kvaliteta. Od ovih faktora prije svega treba istai sledee: kaustini odnos aluminatnog rastvora

koncentracija aluminatnog rastvora

temperaturske uslove procesa

koliina dodatog Al(OH)3 u obliku klica

kvalitet klica

karkter mijeanja i

istoa aluminatnog rastvora.

a) Kaustini odnos utie na proces razlaganja aluminatnog rastvora na taj nain to ako je k polaznog rastvora manji u odnosu na kaustini odnos ravnotenog rastvora, utoliko je potpunije izdvajanje Al(OH)3 a i brzina njegovog izdvajanja je vea. Ovo ukazuje da se smanjenjem kaustinog odnosa polaznog rastvora razlaganje aluminatnog rastvora ubrzava. ( k=Na2O/Al2O3). Iskorienje Al2O3 iz aluminatnog rastvora u procesu razlaganja moe se moe se preko kaustinog odnosa, polaznog i krajnjeg rastvora, izraunati na sledei nain: a = (1 1/2) . 100

gdje je: a iskorienje Al2O3 iz aluminatnog rastvora (%)

1 kaustini odnos polaznog aluminatnog rastvora i

2 kaustini odnos rastvora poslije razlaganja.

b) Koncentracija rastvora utie na proces njegovog razlaganja na taj nain to sa poveanjem koncentracije Al2O3 pri konstantnom kaustinom odnosu sniava se stepen njihovog presienja, to za sobom povlai smanjenje brzine razlaganja. U praksi se pokazalo da je najpogodnije da se kod ulaznog rastvora u operaciju razlaganja ide sa koncentracijom od 120 125 g/l pri kaustinom odnosu 1.6 1.8.

c) Temperatura aluminatnog rastvora pri neizmjenjenim ostalim uslovima pokazuje uticaj kako na brzinu razlaganja tako i na kvalitet dobijenog aluminijumhidroksida. Sa anienjem temperature proces se znatno ubrzava i poveava se disperznost dobijenog taloga. U praksi se obino radi do temperature aluminatnog rastvora od 303 K.

d) Karakter mijeanja. Sa poveanjem inteziteta mijeanja do odreenne granice rast kristala Al(OH)3 se ubrzava a samim tim i proces razlaganja aluminatnog rastvora u cjelini. Pri veim brzinama mijeanja od optimalne, dolazi do usitnjavanja istaloenog Al(OH)3 to smanjuje brzinu kristalizacije.e) istoa aluminatnog rastvora ima izraen uticaj na tok procesa njegovog razlaganja na taj nain to prisutne primjese u rastvoru ( SiO2 i organske materije ) usporavaju rast kristala aluminijumhidroksida a samim tim i brzinu procesa razlaganja aluminatnog rastvora u cjelini.2.8.1. Tehnologija procesa razlaganja aluminatnog rastvora

Aluminatni rastvor se posle bistrenja uvodi u ureaje gdje se vri njegovo razlaganje. Ovi ureaji se zovu dekompozeri. Dekompozeri su cilindrini sudovi velike zapremine (i preko 1000 m3) u kojima se vri razlaganje aluminatnog rastvora. Pulpa koja se sastoji od aluminatnog rastvora i Al(OH)3 dodatog u vidu klica mijea se mehaniki ili pneumatski pomou vazduha, pa se iz tog razloga dekompozeri dijele na dekompozere sa mehanikim i dekompozere sa vazdunim mijeanjem. ematski prikaz dekompozera sa vazdunim mijeanjem prikazan je na sledeoj slici.

Slika 7. Dekompozer sa vazdunim mijeanjem za razlaganje aluminatnog rastvora

Dekompozeri su sifonski sudovi sjedinjeni redno u seriji do 10 komada. Proces razlaganja aluminatnog rastvora je kontinuirani proces, tako da se posle formiranja pulpe sa dodatnim klicama rastvor kontinuirano kree iz jednog u drugi dekompozer sniavajui temperaturu rastvora prosjeno 2-3 K u svakom dekompozeru. Temperatura ulazne pulpe u seriji dekompozera iznosi oko 330-340 K, a na izlazu iz serije oko 300K. Vrijeme zadravanja pulpe u u seriji dekompozera kree se oko 80-100 asova. Uprocesu razlaganja kaustini odnos rastvora se poveava sa 2 na oko 4 s odnos : T se smanjuje sa oko 7:1 na oko 4:1. Hidratna pulpa iz zadnjeg dekompozera se upuuje u jedan zgunjiva gdje se vri odvajanje aluminatnog rastvora od Al(OH)3 Isprani Al(OH)3 se dalje upuuje na kalcinaciju, a rastvor od pranja se upuuje na uparavanje u cilju dobijanja rastvora dovoljne koncentracije da bi isti mogao da se upotrijebi za luenje nove koliine boksita.2.9. Uparavanje aluminatnog rastvora

Rastvor od pranja Al(OH)3 dobijenog razlaganjem aluminatnog rastvora i rastvor dobijen zgunjavanjem Al(OH)3 posle razlaganja aluminatnog rastvora je dosta zarblaen vodom od pranja. Iz tog razlog ovaj rastvor ne moe direktno da se upotrijebi za luenje nove koliine boksita. Koncentracija Na2O u rastvoru posle izdvajanja Al(OH)3 je oko 140 g/l to je veoma malo s obzirom da je za luenje potrebna koncentracija Na2O oko 220-300 g/l.

Uparavanje se vri u uparivakim baterijama pri emu se udaljuje viak vode koji je u sistem uveden kod ispiranja Al(OH)3. Uparavanjem se poveava koncentracija Na2O do koncentracije 300-310 g/l i k = 3.8. Na ovaj nain se vri regeneracija sode kao lunog agensa, koja se na taj nain koristi za luenje novih koliina boksita.

Za nadoknaivanje nepovratnih gubitaka NaOH, usled stvaranja nerastvornih alumisilikata pri luenju boksita, a takoe i usled drugih gubitaka koji se javljaju u Bajerovom postupku (gubitak u crvenu mulj, taloenje u cijevima itd.) uparavanjem povratnog alkalnog rastvora nije mogue izvriti potpunu regeneraciju NaOH, ve je nuno da se za luenje nove koliine boksita upotrijebi izvjesna koliina svjee kaustine sode.2.10. Kalcinacija aluminijumhidroksida

Proces kalcinacije aluminijumhidroksida je zavrna operacija u tehnologiji proizvodnje glinice kako po Bajerovom postupku, tako i po bilo kom drugom postupku za proizvodnju glinice. Proces kalcinacije aluminijumhidroksida se vri na povienim temperaturama u cilju dobijanja nehigroskopnog oksida aluminijuma, pogodnog za elektrolitiko dobijanje aluminijuma iz rastopa soli. Maksimalna temperatura kalcinacije iznosi oko 1600K.

U toku procesa kalcinacije polazni Al(OH)3 trpi niz faznih transformacija pri emu se na temperaturama preko 1300K dobija alfa modifikacija Al2O3, koja predstavlja najpogodniji oblik za elektrolitiko dobijanje aluminijuma. Transformacije koje se deavaju u toku kalcinacije Al(OH)3 mogu se prikazati na sledei nain:Al(OH)3 ---- AlOOH ---- .... ---- Al2O3

Osnovni pokazatelji kvaliteta dobijene kalcinirane glinice svode se na sledee: gubitak pri arenju ne vie od 1 1.5% vie od 50% Al2O3 odgovarajui nasipni ugao.

Po jednoj toni kalcinitane glinice se obino troe (za sluaj rotacionih pei) sledee koliine materijala:

1.75-1.80 t aluminijumhidroksida sa oko 20 % vlage

mazuta oko 120kg i

elektrine energije oko 125 kWh

U industrijskoj praksi za izvoenje procesa kalcinacije koriste se rotacione pei koje se loe mazutom ili generatorskim gasom. Obino pei za kalcinaciju Al(OH)3 imaju sledee dimenzije:

duina pei do 100 m,

prenik pei 2.5 3.5 m

duina hladnjaka 20 30m

prenik hladnjaka 1.5 2m.

Pe i hladnjak su postavljeni pod nagibom od oko 2-3% od svoje duine, da bi se omoguilo kretanje kroz ureaj, a broj obrtaja je oko 1 obrtaj/minuti.

2.10.1. Tehnologija procesa kalcinacije

Aluminijumhidroksid se arira u gornjemdijelu pei preko odgovarajueg sistema za ariranje, i usled obrtanja pei kree se polako prema zoni viih temperatura, tj. prema drugom kraju pei gdje je ugraen gorionik. Gasovi se kreu u suprotnom smjeru i sa sobom nose znatnu koliinu oksida aluminijuma u obliku praine. Sadraj praine u gasovima na izlazu pei za kalcinaciju kree se oko 80 g/m3 i zbog ne mogu direktno da se isputaju u atmosferu. Gasovi na izlazu iz rotacione pei uvode se u sistem za otpraivanje gasova koji se sastoji iz komore za otpraivanje i serije elektrofiltera. Gasovi na izlazu iz komore sadri oko 15 g/m3 praine, a na izlazu iz elektrofiltra oko 0.5 g/m3 koji se u tom obliku isputaju kroz dimljak u atmosferu. Na sledeoj slici dat je ematski prikaz pei za kalcinaciju, hladnjaka i ureaja za otpraivanje.

Slika 8. ematski prikaz pei za kalcinaciju:1-ariranje pei, 2-komoa za otpraivanje, 3-elektrofiltri, 4-pe za kalcinaciju, 5-hladnjak, 6-kalcinirana glinica, 7-dimnjak

Kalcinirajua glinica zagrijana na temperaturi preko 1300K se uvodi u hladnjak koji se hladi vodom ili vazduhom u kome se vri hlaenje glinice do temperature od oko 350K. Ovako ohlaena glinica se lageruje i upuuje na dalju preradu u cilju dobijanja metalnog aluminijuma. 2.11. Proizvodnja kriolita

U metalurgiji lakih metala dosta se troi soli fluora, a od njih najvie kriolit (3NaF.AlF3 ili Na3AlF6) pa se proizvodnji ovih soli mora posvetiti posebna panja jer bez njih ne bi se mogla zamisliti proizvodnja lakih metala.

Kriolit se koristi kao komponenta elektrolita kod elektrolitikog dobijanja aluminijuma iz rastopa soli, pa je zbog toga vrlo znaajan za metalurgiju aluminijuma. Da bi kriolit mogao da se koristi kao elektrolit za elektrolizu aluminijuma, mora da ispuni uslov u pogledu njegove istoe: potrebno je da sadri to manje elektropozitivnijih elemenata od aluminijuma (Fe2O3 + SiO2 maksimalno 0.45%) i to manje vlage (ispod 1%).

U prirodi se nalaze male koliine prirodnog kriolita, a poznata nalazita koja se eksploatiu nalaze se na Grenlandu, zbog ega je dobio naziv ledeni kamen. U ovim leitima on je sadran u koliini do 80% a ostatak je jalovina koja se izdvaja runim odabiranjem, magnetnom separacijom ili flotacijom. Meutim, s obzirom da su rezerve kriolita male a da su potrebe za njim velike u metalurgiji aluminijuma, kriolit se uglavnom dobija vjetakim putem.

Sintetiki kriolit se danas uglavnom proizvodi na dva naina i to: kiselim postupkom i alkalnim (baznim) postupkom.

2.12. Proizvodnja elektroda

U metalurgiji aluminijuma kod elektrolitikog dobijanja aluminijuma iz rastopa soli, koriste se elektrode koje su dobijene presovanjem i arenjem ugljeninih materijala. Takoe su i elije za elektrolizu obloene ugljeninim blokovima. Zbog potrebe za veim kojiinama ove vrste ugljeninih materijala, najei je sluaj da se u svim pogonima za proizvodnju aluminijuma pored pogona za proizvodnju glinice i pogona za elektrolitiko dobijanje aluminijuma nalaze i pogoni za proizvodnju ugljeninih materijala (anoda) i blokova za oblaganje elije.

U metalurgiji aluminijuma postoje dvije vrste anoda koje se koriste i to:

presovane i arene i

kontinuirane elektrode.

Presovane i arene anode se dobijaju na taj nain to se ugljenini materijal (koks, antracit, koks iz nafte itd.) mijea sa vezivnim sredstvima katranom kamenog uglja koji sadri asfaltene, maltene i karbonide, a ovako dobijena mjeavina se posle homogenizacije presuje u kalupima odreenog obima. Dobijeni ispresovani komadi se nazivaju presovane elektrode ili zelene elektrode. Ovako dobijeni blokovi nemaju dovoljnu vrstou pa se isti are na odreenim temperaturama pri emu dolazi do ovravanja ugljeninog materijala i dobijanja vee vrstoe elektroda. Na ovaj nain dobijene elektrode nazivaju se peene ili arene elektrode. Na sledeoj slici prikazana je tehnoloka ema dobijanja arenih elektroda.

Slika 9. Tehnoloka ema dobijanja arenih elektroda

Ukoliko se arenje presovanih elektroda vri na dovoljno visokim temperaturama, dolazi do prekristalisavanja zrna ugljenika pri emu se isti pretvara u kristalnu modifikaciju, koja se naziva grafit a ove anode nazivaju se grafitne elektrode.2.13. Elektroliza glinice

Cjelokupna koliina aluminijuma u svijetu dobija se elektrolizom iz rastvora glinice u kriolitu koji igra ulogu elektrolita, a kao elektrode koriste se blokovi od ugljenika. Istopljeni kriolit ispunjava sve uslove koji su potrebni za ovaj proces: i kriolit i glinica ne smiju da sadre u sebi elektropozitivnije elemente od aluminijuma da ne bi dolo do zaprljanja katotnog aluminijuma;

u istopljenom stanju kriolit vrlo dobro rastvara glinicu;

rastop glinice i kriolita predstavlja smjeu ija je temperatura topljenja (1243-1373), koja je relativno bliska temperaturi topljenja aluminijuma (933K);

istopljeni aluminijum koji se izdvaja na temperaturi elektrolize od 1223K ima veu gustinu nego rastop kriolita i glinice, to omoguuje razdvajanje ovih faza pri emu aluminijum pada na dno elije;

rastop kriolita i glinice je dovoljno tean, to omoguuje izdvajanje gasova uz istovremeno mijeanje i ujednaavanje sastava elektrolita;

rastop kriolita i glinice ima dobru elektroprovodljivost, tako da postoji relativno mali pad napona kroz elektrolit; rastop kriolita i glinice je inertan u odnosu na ozid, katodu i anodu koje su od ugljeninih materijala; na temperaturi elektrolize od 1223 K isparljivost kriolita je mala, i

rastop kriolita i glinice je nehigroskopan.

Svi pokuaji da se umjesto kriolita koristi neka druga materija nisu dali pozitivne rezultate, te je iz tog razloga kriolit jedini zadovoljavajui elektrolit za elektrolitiko dobijanje aluminijuma.

U praksi se obino u rastop elektrolita pored kriolita dodaju jo neke komponente koje imaju za cilj da poboljaju fiziko-hemijska svojstva elektrolita, kao to su AlF3, CaF2 i MgF2. Najznaajniji od svih dodataka je AlF3.

Odnos NaF:AlF3 u elektrolitu naziva se kriolitski odnos (K.O.), koji u industrijskim uslovima za korieni elektrolit iznosi oko 2.6-2.8, a K.O. u kriolitu je 3.

2.13.1. Konstrukcija elije za elektrolizu

Prve elije za elektrolizu aluminijuma konstruisane su 80-toh godina prolog vijeka. Savremene elije za elektrolizu aluminijuma pretrpjele su znatna poboljanja u odnosu na prve elije koje su se koristile, to je dovelo da se smanji utroak elektrine energije od oko 40 000 kWh/t aluminijuma na oko 13500 kWh/t aluminijuma, sa tendencijom daljeg smanjenja.

elija za elektrolizu aluminijuma sastoji se iz elinog omotaa koji je sa unutranje strane ozidan vatrostalnom opekom a zatim ugljeninim blokovima. Ugljenino dno slui kao katoda, a anoda od ugljenika uronjena je sa gornje strane u elektrolit. Elektroliza se vri jednosmjernom strijom koja zagrijava aru do radne temperature na osnovu osloboene Dulove toplote. U toku procesa elektrolize na zidovima elije stvara se kora od ovrslog elektrolita koja slui kao zatita zidova elije.

Postoje dvije vrste elija za elektrolizu aluminijuma u zavisnosti od vrste anoda koje se koriste, i to:

elije sa arenim elektrodama i

elije sa kontinuiranim anodama.

Dovod struje na anodu kod prvobitnih elija za elektrolizu aluminijuma vreno je runo, a u novije vrijeme se skoro sve operacije automatizuju. Dodavanje glinice u eliju vri se uglavnom mehaniki preko pokretnih kranova, podizanje i sputanje elektroda vri se automatski pomou elektromotora, probijanje kore elektrolita pneumatskim ekiima, isputanje aluminijuma iz elije vakuum loncima itd.

Uvoenjem mehanizacije i automatizacije pri opsluivanju elija za elektrolizu aluminijuma, dovelo je do smanjenja normativa meterijala i poveanja kvaliteta gotovog proizvoda.

2.13.2. Tehnologija elektrolitikog dobijanja aluminijuma

Kod savremenih postrojenja za proizvodnju aluminijuma elektrolizom iz rastopa soli, kao izvor jednosmjerne struje koriste se ivini ispravljai koji imaju visok stepen korisnog dejstva kod napona na eriji 600-800 V, zbog ega ove serije sadre 120-160 elija.

U novije vrijeme na istim postrijenjema postepeno se uvode ispravljai na bazi Si i Ge koji imaju 3-4% vei stepen korisnog dejstva u odnosu na ivine.

U normalnoj eksploataciji elije za elektrolizu aluminijuma postoji nekoliko vanih operacija:

dodavanje glinice odravanje anoda

pranjenje metala

podeavanje sastava elektrolita.

Dodavanje glinice se vri na taj nain to se odmjerena koliina glinice koja ulazi u sastav are, stavlja na koru elektrolita da bi se osuila a istovremeno slui i kao izolacioni materijal.

Kada elektroliz osiromai na glinici, pojavljuje se anodni efekat to se manifestuje u poveanom naponu na eliji na skoro 50 V. U ovakvoj situaciji kora na elektrolitu se probija pneumatskim ekiem i glinica upada u elektrolit. Pri tome anodni efekat nestaje, a napon se normalizuje u granicama 4 5 V. Kada se na elektrolitu stvori dovoljno vrsta kora, ponovo se na nju dodaje svjea glinica. Pri normalnom radu elije anodni efekat se javlja u prosjeku jednom za 24 asa, to znai da se u svakoj eliji vri dodavanje glinice u prosjeku jednom u 24 asa.

Razmatra se mogunost kontinuiranog dodavanja glinice da bi se anodni efekat potpuno eliminisao, to bi istovremeno omoguilo stalno odravanje konstantnog sastava.

Odravanje anoda. Kod elija sa arenim elektrodama, koje se danas najire koriste, odravanje se svodi na podeavanje i povremenu zamjenu.

Podeavanjem se postie odreeno rastojanje izmeu povrine anode i povrine rastopljenog aluminijuma koje iznosi u prosjeku oko 3.5 5 cm.

Od rastojanja elektroda zavisi toplotni reim cijele elije. Kada se rastojanje povea dolazi do prekomjernog zagrijavanja, i obrnuto, ako se smanji, onda se hladi zbog osloboene toplote usled proticanja struje kroz elektrolit. Kakvo je rastojanje izmeu elektroda moe se utvrditi mjerenjem napona izmeu katode i anode, ukoliko je napon vei rastojanje je vee i obrnuto.

Zamjena anoda vri se onda kada se one istroe i ostanu oko 10 mm. Obino se zamjena vri posle anodnog efekta, da bi se izbjeglo hlaenje elektrolita zbog slabe zagrijanosti nove anode. S obzirom da u svakoj eliji postoji oko 14 anoda, dinamika njihove zamjene je podeena na taj nain da istovremeno ne dolazi do zamjene veeg broja veeg broja anoda, ve jedne po jedne. Na taj nain se omoguuje da se zavri zamjena anode bez zaustavljanja elije za elektrolizu.

Kod kontinuiranih anoda podeavanje je jednostavnije, jer je konstrukcijom elije omogueno automatsko sputanje anode za veliinu koja se potroi, na primjer 2 cm za 24 asa.

Pranjenje metala: aluminijum koji se izdvaja elektrolizom sakuplja se na dno elije. S obzirom da se aluminijum izdvaja kontinuirano potrebno je da se u odreenim vremenskim intervalima izdvajaju odreene koliinemetala iz elije da ne bi dolo do smanjenja rastojanja anode i katode.

Vaenje aluminijuma se vri svaka 2 3 dana pomou vakuum lonca, pri emu se pod uticajem vakuuma teni metal usisava u lonac. U eliji pri radu sa jainom strije od 100 000 A za 24 asa, istaloi se oko 700 kg aluminijuma, meutim, pri pranjenju se ne vadi cjelokupna koliina metala iz elije, ve se ostavlja izvjesna koliinana dno elije koja titi dno elije od razaranja.

Ovako izvaeni teni aluminijum vakuum loncem se transportuje u livnicu gdje se lije u ingote odreenih dimenzija.Podeavanje sastava elektrolita: najvaniji zadatak podeavanja sastava elektrolita je odravanje konstantnog kriolitskog odnosa u toku cjelokupnog procesa elektrolize.

Promjena sastava elektrolita uglavnom zavisi od dvije vrste uzoraka:

selektivna adsorpcija komponenata elektrolita opd strane ugljeninih blokova kojim je ozidana elija, i

razlaganje elektrolita pod uticajem razliitih primjesa iz okoline.

Ugljeniniozid nove elije upijaelektrolit, pri emu se adsorbije prvenstveno NaF. U trenutku zaustavljanja elije, produkat u porama ugljeninih blokova ima sledei sastav: 70-75% NaF, 20-25% Al2O3 i 5-7% AlF3.

Navedene pojave uslovljavaju da neposredno posle poetka rada elije, elektrolit sadri AlF3 u viku to zahtijeva dodavanje odreene koliine NaF.

U toku daljeg odvijanja procesa, elektrolit poinje sve vie da gubi AlF3 djelimino usled isparavanja, a u najveoj mjeri usled reagovanja sa primjesama kao to su: Na2O, H2O, SiO2 i SO42-.

U praksi se nastoji da dodavanjem odreenih komponenata odri konstantankriolitski odnos elektrolita, koji treba da varira u granicama 2.6 2.8.

Nepravilnosti u toku rada elije za elektrolizu. U toku normalnog rada elije za elektrolitiko dobijanje aluminijuma, javljaju se odreene smetnje koje treba otkloniti da bi potronja elektrine energije bila to manja. Najee se javljaju sledee smetnje: topli hod elije

hladni hod elije

neprekidni anodni efekat i zaprljanje elektrolita aluminijumkarbidom.Topli hod elije karakteristian je pri visokoj temperaturi elektrolita i javlja se usled sledeih razloga: velikog rastojanja izmeu elektroda, obogaenja elektrolita sa NaF i male koliine aluminijuma u eliji. Kod poviene temperature smanjuje se proizvodnost elije a normativi materijala rastu. Ova smetnja u radu elije otklanja se podeavanjem sastava elektrolita dodatkom AlF3, dodaje se ponekad i ist aluminijum u eliju ako je njegova koliina smanjena, ili se smanjuje rastojanje izmeu elektroda.Hladni hod elije posledica je malog rastojanja izmeu elektroda, smanjenja jaine struje, prekida struje i velike koliine metala na eliji.

Spoljanji znaci praznog hoda su: kora na povrini elektrolita je debela, snieni nivo elektrolita i rea pojava isplivavanja aluminijuma. Radi uklanjanja hladnog hoda elije, poveava se rastojanje izmeu elektroda u cilju zagrijavanja elektrolita i izvjesno vrijeme se odrava maksimalni napon u eliji.

Neprekidni anodni efekat govori o ozbiljnim smetnjama u radu elije. Ova pojava nastaje usled velike koliine glinice u elektrolitu u lebdeem stanju. Da bi se ovo otklonolo, anoda se podie, a elektrolit mijea uz dodatak svjeeg kriolita i metalnog aluminijuma. Ponekad se ide i na smanjenje jaine struje obino za polovinu, pri emu je kod ponovnog ukljuenja struje na normalnu jainu, anodni efekat se obino ne javlja.

Oneienje elektrolita aluminijumkarbidom je najozbiljnija smetnja u radu elije za elektrolizu aluminijuma. Aluminijumkarbid se obino stvara pri toplom hodu elije. Ako se stvori na jednom mjestu elektrolitu, u vidu lanane reakcije stvara se po cijeloj zapremini elektrolita. Pri ovome napon na eliji raste, elektrolit se razlae pri emu postaje bogatiji na NaF zbog toga to AlF3 isparava. Znak za ovu pojavu je pojava utog plamena oko anode ispod koje se karbid najvie stvara. Da bi se ova pojava otklonila, pristupa se djeliminoj zamjeni elektrolita, a esto puta je potrebno zamjeniti cjelokupnu koliinu elektrolita.2.14. Rafinacija aluminijuma

Elektrolizom rastopa soli dobija se aluminijum tehnike istoe sa 99.5 % Al. Ovako dobijeni tehniki metal sadri niz primjesa koje mu pogoravaju osobine. Primjese koje su sadrane u aluminijumu mogu se podijeliri u tri grupe:

nemtalne ili mehanike primjese nastale usled povlaenja elektrolita pri usisavanju metala u vakuum lonac pri vaenju metala iz elije za elektrolizu;

metalne primjese: Fe, Si, Na, Mg koje su iz sirovine u procesu elektrolize prele u katodni metal i gasovite primjese (H2) koji se rastvara u tenom metalu.

U mnogim oblastima primjene metalnog aluminijuma primjese koje su sadrane u njemu pogoravaju njegove osobine, pa se iz tog razloga vri rafinacija.

Gasovi, metalne primjese, Na i Ca mogu se odstraniti pretapanjem ili ako se kroz metal produvava gasoviti hlor. Elekrtopozitivnije metalne primjese se uklanjaju elektrolitikom rafinacijom.

Rafinacija hlorom je postupak za rafinaciju aluminjiuma koji koriste meka preduzea. Postupak se sastoji u uvoenju gasovitog hlora u lonac sa rastopljenim aluminijumom. Pri ovome jedan dio aluminijuma reagije se hlorom obrazujui aluminijumhlorid. Nemetalne primjese apsorbuju pare aluminijumhlorida i isplivavaju na povrinu pri emu se sa povrine skidaju i uklanjaju. Pri ovome mogu se ukloniti i druge primjese to zavisi od tempereture hlorovanja i isparljivosti pojedinih hlorida. Hlorovanje se vri na temperaturi od 973 do 1043 K, pri emu dolazi do hlorovanja Na, Ca i Mg.

Produvavanje lonca sa 300 kg Al vri se za 10 15 minuta, a utroak hlora iznosi oko 1 %.

Posle hlorovanja aluminijum se lije u blokove ili se vraa u elektro pe na ponovno pretapanje. Pri rafinaciji aluminijuma hlorovanjem, troi se oko 600 kWh elektrine energije za rsfinaciju jedne tone metala.

Elektrolitika rafinacija se koristi ako se eli dobiti metal istoe 99.997 %Al. Pri elektrolitikoj rafinaciji aluminijuma, koriste se elije koje rade sa tri sloja i to: prvi na dnu elije rastop anodne legure koja sadri 25 %Cu, zatim sloj elektrolita (BaCl2 + AlF3 + NaF) i na vrhu elije trei sloj metalni aluminijum koji ini katodu. Strujno kolo se zatvara preko ugljeninih elektroda.

Proces se izvodi na temperaturi od 1000 1100 K, pri jaini struje od preko 45000 A i naponu na eliji 4 V. elije su obloene magnezitnim opekama. Ukoliko se eli dobiti aluminijum veeg stepena istoe, strujno kolo se ne zatvara preko ugljeninih blokova, ve preko aluminijumskih ina. Sa ovom promjenom mogue je dobiti aluminijum istoe 99.999 %Al.

Za dobijanje aluminijuma visokog stepena istoe koriste se kao metode za rafinaciju: zonalna rafinacija i destilacija.

Zonalna rafinacija aluminijuma se koristi u sluaju korienja aluminijuma u industriji poluprovodnika i u nuklearnoj tehnici gdje se zahtijeva visok stepen istoe.

EMBED Equation.DSMT4

EMBED Equation.DSMT4

_1249915705.unknown

_1249914983.unknown