Электролиз химических процессов на примере производства алюминия КрАЗ РУСАЛ

Введение

Основной химический процесс который используется в металлургии для получения ценных металлов  является электролиз.

Электролиз – это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании  через него электрического тока. Электролиз является одним из важнейших направлений  в электрохимии. 
Электрохимия принадлежит к числу тех немногих наук, дата рождения которых может быть установлена с высокой точностью. Это рубеж XVIII и XIX веков, когда благодаря знаменитым опытам итальянского физиолога Л. Гальвани и созданию итальянским физиком А. Вольта в 1799 г. "вольтова столба" - первого в истории человечества химического источника тока -были сформулированы проблемы, решение которых определило основные задачи электрохимии. "Без химии путь к познанию истинной природы электричества закрыт" - сказал М.В. Ломоносов. И, действительно, как бы следуя словам великого ученого, создавалась и развивается наука – электрохимия.

Электролиз нашел широкое  применение в технике, например в  металлургии, химической промышленности и т. д. 
Технический или прикладной электролиз характеризуется сложностью протекающих в промышленных условиях электролитических процессов, различными видами электролиза, их зависимостью от природы электролита, типа электролитической ванны, оптимизации самих электролизных процессов.

Цель курсовой работы: рассмотреть  химизм процесса электролиза алюминия на примере Краснояского  алюминиевого завода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать научно-методическую литературу по проблеме исследования.
2. Ознакомиться с историей производства алюминия в России.
3. Изучить химизм электролиза на аллюминиевом заводе             г.Красноярска.
4. Ознакомиться с основными направлениями применения электролиза.
5. Выявить новые технологии электролиза.

 

1 История развития алюминиевой промышленности в России

Алюминий сравнительно недавно  стал промышленным металлом. Впервые  металлический алюминий получил  датский физик Г. Эрстед в 1825 г.. восстановив хлористый алюминий амальгамой калия. В дальнейшем способ Эрстеда был улучшен:, амальгаму калия заменили металлическим калием, а затем—более дешевым натрием; нестойкий и гигроскопичный хлористый алюминий заменили двойным хлоридом алюминия и натрия (AlCl₃-NaCI).

В 1865 г. русский ученый Н. Н. Бекетов  предложил получать алюминий вытесненном  его из фтористых соединении магнием. Этот способ нашел применение .о ряде стран Западной Европы. Производство алюминия “химическими” методами осуществлялось примерно в течение 35 лет (с 1854 до 1890 г.). За это время было получено около 200 т алюминия. В конце 80-х годов прошлого столетия химические способы производства алюминия были вытеснены электролитическим[1].

Основоположниками электролитического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США, которые в 1866 г. независимо друг от друга заявили аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема (А1₂0₃), растворенного в расплавленном криолите (Na₂AIF₆). С открытием электролитического способа началось быстрое развитие алюминиевой промышленности. Если в 1900 г. выпуск алюминия во всем мире составил 5,7 тыс. т, но уже к 1930 г. он приблизился к 270 тыс. т, в 1950 г. составил (без стран социализма) около 1,3 млн. т, а в 1980 г.-более 12 млн. т. 
В капиталистическом мире основными производителями алюминия являются США, Япония, Канада, ФРГ, Норвегия.

В дореволюционной России не было собственной алюминиевой промышленности. Однако в конце прошлого и начале настоящего столетия русские ученые (Н. Н. Бекетов, П. П. Федотьев, Н. А. Пушин, Д. А. Пеняков, Е. И. Жуковский и другие) выполнили ряд исследований, сыгравших  большую роль в развитии мировой  алюминиевой промышленности. Под  руководством П. П. Федотьева были проведены  глубокие исследования теоретических  основ электролитического способа  получения алюминия, в частности  были исследованы двойные системы  фторид алюминия-фторид натрия, криолит-глинозем, явления растворимости алюминия в электролите, анодный эффект, а также ряд других процессов, связанных с электролизом криолито-глиноземных расплавов. Результаты этих исследований получили мировую известность[11].

В 1882—1892 гг. химик К. П. Байер разработал в России щелочной способ получения  глинозема, который до настоящего времени  является основным в мировой алюминиевой промышленности. В 1895 г. Д. А. Пеняков предложил способ получения глинозема из бокситов спеканием с сульфатом натрия в присутствии угля, а А. Н. Кузнецов и Е. И. Жуковский в 1915 г.-способ получения глинозема из низкосортных руд путем восстановительной плавки их на шлаки алюминатов щелочноземельных металлов. Н. А. Пушин с сотрудниками в 1914 г. впервые в нашей стране получил алюминий “русского происхождения”, т. е. Из отечественных сырья и материалов.

Условия для создания в нашей  стране алюминиевой промышленности, являющейся крупным потребителем электроэнергии, появились только после Великой  Октябрьской социалистической революции. Решающую роль в этом сыграл разработанный  в 1920 г. по инициативе и под руководством В. И. Ленина план ГОЭЛРО, положивший начало созданию прочной энергетической базы в нашей стране. Построенная в соответствии с этим планом в 1926 г. первая крупная гидроэлектростанция на р. Волхов явилась энергетической базой первого в СССР 
Волховского алюминиевого завода. В декабре 1927 г. XV съезд ВКП(б) принял решение о создании в нашей стране алюминиевой промышленности, а в августе 1929 г. Совет Труда и Обороны принял решение о строительстве в СССР Волховского и Днепровского алюминиевых заводов. В 1929 г. на Ленинградском опытном заводе “Красный Выборжец” под руководством П. П. Федотьева были проведены длительные производственные испытания по получению алюминия электролитическим путем из отечественных материалов[4].

В 1930 г. в Ленинграде был пущен  опытный завод, который сыграл большую  роль в развитии советской алюминиевой  промышленности. На этом заводе испытывалось оборудование, осваивался технологический  режим, готовились рабочие и инженерно-технические  кадры для первых советских алюминиевых  заводов. Одновременно были проведены  исследования по производству электродных  изделий, необходимых для получения  алюминия. Результаты этих исследований легли в основу проектирования первых электродных заводов-Московского и Днепровского. Разработанный в Институте прикладной минералогии способ получения криолита был положен в основу проектирования производства криолита на Полевском криолитовом заводе.

В 1931 г. были созданы Научно-исследовательский институт алюминиевой промышленности (НИИСалюминий) и проектный институт-Гипроалюминий. 
Позднее НИИСалюминий и Гипроалюминий были объединены в единый Всесоюзный алюминиево-магниевын институт (ВАМИ)[10].

14 мая 1932 г. вступил в эксплуатацию  Волховский алюминиевый завод, а в 1933 г. на базе Днепровской ГЭС—Днепровский алюминиевый завод. Очень много внимания становлению советской алюминиевой промышленности уделял С. М. Киров, который возглавлял Ленинградскую партийную организацию. Первым алюминиевым заводам нашей страны—Волховскому и Днепровскому—в дальнейшем было присвоено его имя.

В период с 1926 по 1936 г. в Государственном  институте прикладной химии (ГИПХ) под  руководством А. А. Яковкина был разработан способ получения глинозема из тихвинских бокситов спеканием их с содой  и известняком. В результате впервые  была разрешена проблема переработки  высококремнистых бокситов. В 1938 г. вошел  в эксплуатацию Тихвинский глиноземный  завод, а в 1939 г. на базе высококачественных североуральских бокситов-Уральский алюминиевый завод.

В начале Великой Отечественной  войны Волховский и Днепровский алюминиевые заводы и Тихвинский глиноземный были выведены из строя. Оборудование этих заводов вывезли на Урал и в Сибирь. В годы Великой Отечественной войны был значительно расширен Уральский алюминиевый завод к введены в эксплуатацию Новокузнецкий (1943 г.) и Богословский (1945 г.) алюминиевые заводы.

В послевоенные годы были восстановлены  Волховский и Днепровский алюминиевые заводы и Тихвинский глиноземный завод, а также вошли в эксплуатацию новые алюминиевые заводы: Канакерский (1950 г.), Кандалакшский (1951 г.), Надвоицкий (1954 г.), Сумгаитский (1955 г.). Ряд крупных алюминиевых заводов был пущен на базе дешевой электроэнергии гидроэлектростанций, построенных на Волге и реках Сибири: Волгоградский (1959 г.). Иркутский (1962 г.). Красноярский (1964 г.), Братский (1966 г.) и Таджикский (1975 г.). 
Одновременно вводились новые предприятия по производству глинозема - Никалевский (1959 г.) и Ачинский (1970 г.) глиноземные комбинаты. Павлодарский (1964 г.) и Кировабадскии (1966 г.) алюминиевые заводы, Николаевский глиноземный завод (1980 г.).

Алюминиевая промышленность, созданная  в нашей стране, занимает одно из ведущих мест в мире. При создании ее советскими учеными и специалистами  впервые в мировой практике был  решен ряд важных научно-технических  проблем: комплексная переработка  нефелиновых руд и концентратов с получением глинозема, соды, поташа и цемента, комплексная переработка  алунитовых руд с получением глинозема, сульфата калия и серной кислоты, а также многие другие.

2 РУСАЛ Красноярский алюминиевый завод

Открытое акционерное  общество «РУСАЛ Красноярский алюминиевый  завод» (сокращенно ОАО «РУСАЛ Красноярск», или КрАЗ) — второй по величине алюминиевый завод в мире. КрАЗ производит 27 % всего производимого в России алюминия и 3 % мирового производства. Входит в состав крупнейшей в мире алюминиевой компании «РУСАЛ».

2.1 История

Завод построен в 1964 году на окраине Красноярска. Для рабочих завода на северо-востоке города был построен посёлок Индустриальный, а затем микрорайон «Зелёная роща» поближе к центру. Это привело к росту численности населения и 29 мая 1969 года был создан Советский район города Красноярск[15].

КрАЗ прошёл процесс акционирования в 1993 году. К 1998 году 28 % акций завода владел Анатолий Быков. В 1999 году против Быкова было возбуждено уголовное дело. В 2000 году КрАЗ вошел в состав компании «Русский алюминий» (ныне — «Российский алюминий»).

В 2009 25 % акций завода (как и 25 % акций Братского алюминиевого завода) переданы под залог по кредиту в $4,5 млрд от ВЭБ.

2.2 Производство

Проектная мощность завода составляла 865 тыс. тонн. В 2007 году на Красноярском алюминиевом заводе произведено 989 тыс. тонн алюминия. В 2008 был зафиксирован рекордный показатель в 1 млн т.

КрАЗ работает от энергии Красноярской ГЭС, и потребляет около 70 % производимой ею электроэнергии. Раньше сырье поставлялось с Ачинского глиноземного завода, теперь же сырьё поставляется с Бокситогорского глиноземного завода.

В соответствии с программой модернизации, запланированной на 2005—2008 гг, в 2006 году на КрАЗе был запущен новый литейный комплекс по производству баночных сплавов. В 2007 году на нем было выпущено 65,6 тыс. тонн продукции.

 

2.3 Бокситогорский глиноземный завод (ОАО «РУСАЛ Бокситогорск»)

Бокситогорский глиноземный завод работает в составе ОК РУСАЛ. Сегодня – это производство, обеспечивающее стабильный выпуск гидроксида алюминия, металлургического глинозема, глинозема специальных марок, огнеупорных материалов и абразивов различной зернистости из белого электрокорунда. Благодаря применению метода спекания здесь перерабатываются высококремнистые бокситы различных месторождений, не используемых на других заводах[15].

2.4 Технология ОАО «РУСАЛ Бокситогорск»

Современные технологии, использующиеся на предприятии, обеспечивают стабильное производство гидроксида алюминия, металлургического глинозема, специальных сортов глинозема, абразивных и огнеупорных материалов различной зернистости из белого электрокорунда. На БГЗ используется технология переработки низкокачественных бокситов способом спекания. Это позволяет перерабатывать высококремнистые бокситы различных месторождений, не используемых на заводах, работающих по способу Байера. Специалисты предприятия постоянно работают над совершенствованием данной технологии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Производство сырья для получения алюминия

Производство алюминия начинается с производства глинозёма. Глинозём – Al₂O₃ белое кристаллическое вещество. Известен в виде двух модификаций альфа (корунд) и гамма глинозёма. Корунд встречается в горных породах в виде бесцветных кристаллов. Однако чаще всего природный корунд загрязнён магнетитом, гематитом, кварцем и др. Кристаллы альфа Al₂O₃ окрашены в красный цвет (рубин), в синий (сапфир), являющихся драгоценными минералами. Глинозём гамма модификации в природе не встречается и образуется при обезвоживании гидроокисей в температурном интервале 500 – 900 градусов Цельсия. При нагревании от 900 – 1200 он превращается в альфа Al₂O₃.

Способы получения глинозёма, заключающиеся в обработки руды щелочами, связывающими глинозём в  растворимый алюминат натрия, наиболее просты и экономичны. Для перевода глинозёма в алюминат натрия руду непосредственно обрабатывают щёлочью (способ Байера), либо спекают с солями щелочных и щелочноземельных металлов, получая твёрдые алюминаты, которые  затем выщелачивают водными растворами. 
Способ спекания применяется для переработки высококремнистого боксита.  
Приготовленная шихта из тонко измельчённого боксита, известняка, соды, оборотных продуктов нагревается и спекается при температуре 1100-1300 0С в трубчатых вращающихся печах. Полученный спёк, в виде кусков различного размера и определённого минералогического состава, обрабатывается оборотными щелочными растворами слабых концентраций или водой для перевода глинозёма и щелочей в алюминатный раствор. После очистки раствора от твёрдых примесей и кремнезёма его разлагают методом карбонизации или декомпозиции для получения в осадке гидроокиси алюминия. Гидроокись алюминия после промывки и фильтрации направляется на кальцинацию при высокой температуре в трубчатых вращающихся печах. После охлаждения глинозём отправляется потребителю[7].

Сухой щелочной способ (спекание; позволяет получать чистый глинозем из руд (низкосортных бокситов, нефелинов  и др.) с высоким (выше 6%) содержанием  кремнезема. Алюмосодержащая порода измельчается с известняком и содой и спекается в печах при температуре 1200—1300°, в результате чего окись алюминия превращается в растворимый в воде щелочной алюминат Na₂0»Al₂0₃, а кремнезем связывается в нерастворимый двухкальциевый силикат. После выщелачивания, сгущения, промывки и отделения шлама чистый алюминий разлагается методом карбонизации. В дальнейшем процесс идет так же, как и при способе Байера. Для нефелиновых руд наиболее рационален сухой щелочной способ, который позволяет осуществить комплексную переработку нефелиновой породы с получением дополнительных продуктов- соды, поташа и цемента. Алунитовые руды перерабатываются также по сухому щелочному способу с получением в виде побочных продуктов серной кислоты и поваренной соли[6].