Ugrás a tartalomhoz

Ipari technológiák

Dr. Német Béla (2013)

Pécsi Tudományegyetem

Könnyűfémkohászat: alumínium, magnézium, titán. Alumíniumötvözetek előállítása.

Könnyűfémkohászat: alumínium, magnézium, titán. Alumíniumötvözetek előállítása.

http://hu.wikipedia.org/wiki/Könnyűfém-kohászat

Alumíniumgyártás

1851-ben állították elő az első alumínium fémtömböt, amit az 1855-ben Franciaországban megrendezett Világkiállításon mutattak be először. Az új fém kedvező tulajdonságai miatt (kis sűrűség, jó alakíthatóság, korrózióállóság), sok irányba indult meg a felhasználása. Tömeges felhasználása a hadiipari igényeknek volt köszönhető. A bauxit üledékes kőzet, amely feltalálási helyétől függően változó összetételű. A bauxit színe a vastartalmú ásványok miatt vörös.

3. Táblázat. A bauxit összetétele

Bauxit komponensei

Százalékos arányuk

Al2O3

35…80 %

Fe2O3

max 30 %

SiO2

10 %

valamennyi kalcium, titán, mangán

A bauxitból az alumíniumot kétlépcsős technológiával állítják elő.

A folyamat első fázisában a sokkomponensű bauxitból iparilag tiszta alumíniumoxidot, azaz timföldet állítanak elő. A második menetben a timföldből elektrolitikus kohósítással állítják elő a fémalumíniumot.

6.7. ábra - Legnagyobb bauxit lelőhelyek

Legnagyobb bauxit lelőhelyek

http://hu.wikipedia.org/wiki/Bauxit

Timföldgyártás

A timföld előállítására a Bayer-féle eljárást alkalmazzák. Az eljárás azon alapul, hogy a bauxitban lévő Al2O3 marónátronban (NaOH) nátriumaluminát alakjában oldódik, a bauxit egyéb összetevői viszont nem. A Bayer-eljárás fő műveletei:

Bauxit-előkészítés: A bauxitot megfelelő méretre kell darabolni. Ezt már a bányánál elkezd(het)ik, de a timföldgyárban még finom őrlést is alkalmaznak. Az őrlésre pofás törőket, hengereket, kalapácsos vagy golyós malmokat használnak. Az alkalmazott szemnagyság 0,07–1 mm közötti.

Feltárás: A feltárást, azaz a bauxit alumíniumoxid-tartalmának feloldását, egymáshoz kapcsolt autoklávok sorában végzik. Az autoklávok légmentesen záródó, vastag falú, túlnyomással működő tartályok. Az első autoklávba nagynyomású zagyszivattyú tölti be a feltárandó zagyot, amely a bauxitot és a feltáráshoz szükséges mennyiségű lúgot tartalmazza.

A betöltött zagy hőmérséklete 95 °C körül van, és folyamatosan áramlik át a gőzzel fűtött többi autoklávba, miközben hőmérséklete 250 °C-ra emelkedik. Ennek folyamán megtörténik az alumíniumoxid oldódása. Az utolsó expanziós tartálysoron átáramolva 120 °C-ra hűl, végül a hígító tartályba jut.

6.8. ábra - A Bayer-eljárás egyszerűsített folyamatábrája

A Bayer-eljárás egyszerűsített folyamatábrája

http://hu.wikipedia.org/wiki/Bayer-eljárás

A feltárás során oldatba megy a bauxit alumíniumtartalmának nagy része, ez az aluminátlúg. A maradék szilárd fázist – ülepítés és gyakran szűrés után – az ún. vörösiszap formájában távolítják el. Itt kell megemlíteni azt a katasztrófát, ami 2010. október 4-én történt. A Magyar Alumínium Termelő és Kereskedelmi Zrt. (MAL Zrt.) Ajka melletti tározójának gátja átszakadt, és mintegy egymillió köbméternyi mérgező, maró hatású vörösiszap ömlött ki a gátszakadás miatt. A térségben az áradás három települést - Devecser, Kolontár, Somlóvásárhely - öntött el.

6.9. ábra - A MAL Zrt. Ajka melletti tározójának átszakadt gátja és a kiömlő vörösiszap

A MAL Zrt. Ajka melletti tározójának átszakadt gátja és a kiömlő vörösiszap

http://www.cikk-cakk.abbcenter.com/?id=108569&cim=1

Kikeverés: A kikeverés célja a timföldhidrát kiválasztása az aluminátlúgból, hogy ebből – kalcinálás után – megfelelő minőségű timföldet kapjanak. A kikeveréshez a keverőtartályokban kristályos alumíniumhidroxidot adnak az oldathoz. Az alumíniumhidroxid segít megbontani az alumíniumoldatot. A kikeverés során fontos a hőmérséklet program pontos betartása. A kikevert zagyot vízzel keverve szűrik, többször is.

Kalcinálás: A timföldgyártás befejező művelete során a 34,6 % kötött és mintegy 10 % tapadó vizet távolítják el a timföldhidrát kiizzításával. A kalcinálást forgó csőkemencében végzik, amelynek a hossza 40–100 m, átmérője 2,5–4,0 m. A kemence lejtése mintegy 2 %, fordulatszáma pedig 0,8–1,5 1/min. A hidrátot füstgázokkal ellenáramban fűtött kemence felső, hidegebb végén adagolják be, és a timföldet a meleg alsó végén távolítják el 850–1150 °C hőmérsékleten. A kész timföldet silókban tárolják. A Földön évente 45 millió tonna timföldet állítanak elő, amelynek 90 %-ból fém alumíniumot készítenek.

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

Egyéb műveletek: A Bayer-eljárás során felhasznált lúgot a gazdaságosabb műveletvégzés érdekében körfolyamat-szerűen alkalmazzák. Az elhasznált és vízzel hígult lúgot tisztítják és bepárolják, így vezetik vissza a folyamat elejére.

Fémalumínium előállítás

A fémalumínium előállítására szolgáló olvadékelektrolízist – egymástól függetlenül – az amerikai Charles Martin Hall és a francia Paul T. Héroult találta fel és szabadalmaztatta 1886-ban. Az elektrolízisen alapuló alumíniumgyártás lényege az, hogy a timföldet kriolittal (Na3AlF6) keverik, és ennek 950 °C hőmérsékletűolvadékát elektrolizálják. Az elektrolízist teknőszerű kiképzésű elektrolizáló kádakban végzik. A teknő anyaga szénalapú masszából készül, ez a katód. A szintén szénalapú masszából (anódmassza) készült anód felülről nyúlik be az olvadékba. A fémalumínium a katódon, azaz a kádban válik ki. Képlete:

Al3+ + 3e → Al

6.10. ábra - Alumínium elektrolizáló kád függőleges tüskés önsülő (Söderberg) anóddal

Alumínium elektrolizáló kád függőleges tüskés önsülő (Söderberg) anóddal

http://hu.wikipedia.org/wiki/Fájl:Elektrolizalo_kad.jpg

6.11. ábra - Blokkanódos kádszerkezet automatikus timföld adagolással

Blokkanódos kádszerkezet automatikus timföld adagolással

http://www.szubjektum.hu/bauxit/text/Alugyar.htm

Az elektrolizáló kádakat 30–150 kA-es árammal működtetik. Kapocsfeszültségük 4,0–4,5 V, amiből 1,7 V a bontási feszültség. A katódhoz az áramot acélsínnel, az anódhoz többnyire függőleges helyzetű acéltüskékkel vezetik. A timföld oxigénje az anódon válik ki, és a szénnel szénmonoxidot és széndioxidot képez. Az anód anyaga emiatt az elektrolízis alatt folyamatosan fogy, amit felülről időről időre pótolnak koksz és szurok keverékéből álló anódmasszával, ami a hőmérséklet hatására tömör anyaggá ég össze.

A kádakban az olvadék felszínén az elektrolit szilárd, „fagyott” kérget alkot, amit a timföld és a kriolit adagolásakor, valamint csapoláskor be kell törni. A csapolás vákuumüstbe való szívással történik. Az ilyen módon gyártott alumínium tisztasága 99 % fölött van.

Alumínium ötvözetek

Az alumínium ötvözetekben tipikus ötvöző elemek: réz, magnézium, mangán, szilícium és a cink. Az ötvözetek előállítása szempontjából két csoportot különböztetünk meg: öntött ötvözetek, kovácsolt ötvözetek. Mindkettőn belül van hőkezelhető és nem hőkezelhető ötvözet. Az alumínium termékek kb. 85 %-a hengerelt lemez, fólia, illetve sajtolt anyag.

Az alumínium öntvényt költséghatékonyan lehet előállítani, mivel alacsony az olvadáspontja, annak ellenére, hogy alacsonyabb a szakítószilárdsága, mint a kovácsolt ötvözeteknek. A legfontosabb alumínium ötvözet az Al-Si rendszer. Az ilyen termékekben magas a szilícium aránya (4,0 %-tól 13 %-ig). Az alumínium ötvözeteket széles körben használják olyan helyeken, ahol a szerkezeti elemnek könnyűnek és korrózióállónak kell lenni.

A Nem-vasfémek Nemzetközi Jelölési Rendszere (International Alloy Designation System) a legszélesebb körben elfogadott jelölési megállapodás. Mindenféle ötvözetet négyjegyű számmal azonosítanak, ahol az első számjegy jelöli a fő ötvöző komponenst, elemet.

  1. Az 1000-es sorozat „tiszta alumínium” minimum 99 % mennyiségű alumíniummal

  2. A 2000-es sorozat ötvöző eleme a réz, amely olyan mértékben keményíti az alumíniumot, hogy keménységben összevethető az acéllal. Régebbi, mint „duralumínium”, sokszor alkalmazták az űrsiklónál. Azonban jelentős igénybevételt követő repedések miatt áttértek a 7000-es széria alkalmazására.

  3. A 3000-es sorozatban az ötvöző elem a mangán, ami keménnyé teszi az ötvözetet..

  4. A 4000-es sorozatban az ötvözést szilíciummal végzik, amit, mint silumin ismernek.

  5. Az 5000-es sorozatban az ötvöző elem a magnézium.

  6. A 6000 es sorozatban az ötvöző elem a magnézium és a szilícium együtt, amit könnyű megmunkálni, de kemény ötvözet, és olyan erős, mint a 2000-es és a 7000-es sorozat.

  7. A 7000-es sorozat az ötvöző elemek a cink, a legerősebb alumínium ötvözet állítható elő.

4. Táblázat. Néhány alumínium ötvözet típusszáma és tömegszázalékos összetétele

Ötvözet

Si (%)

Cu (%)

Mn (%)

Mg (%)

Zn (%)

1050

0.25

0.05

0.05

0.05

2014

0.50–1.2

3.9–5.0

0.40–1.2

0.20–0.8

0.25

3004

0.30

0.25

1.0–1.5

0.8–1.3

0.25

4043

4.5–6.0

0.30

0.05

0.05

0.10

5052

0.25

0.10

0.10

2.2–2.8

0.10

5083

0.40

0.10

0.40–1.0

4.0–4.9

0.25

6061

0.40–0.8

0.15–0.40

0.15

0.8–1.2

0.25

6070

1.0–1.7

0.15–0.40

0.40–1.0

0.50–1.2

0.25

7068

0-0.12

1.60-2.40

0–0.10

2.20–3.00

7.30–8.30

Egészen új alumínium ötvöző a lítium és ezzel az Al-Li ötvözet. A lítium mellett alkalmaznak még rezet és cirkóniumot is. Mivel a lítium a legkisebb sűrűségű fém, ezért az ötvözetnek is a legkisebb a sűrűsége. A lítium tipikus aránya az alumínium ötvözetben 2,45 %. Ez az ötvözet újabban az űrhajók építésénél vált érdekessé kedvező tulajdonsága miatt. Hasonlóan alkalmazzák utasszállító repülőgépek és helikopterek vázszerkezetében.

6.12. ábra - Alumínium ötvözetből készült „alufelni”

Alumínium ötvözetből készült „alufelni”

6.13. ábra - Alumínium ötvözetből készült kerékpár váz

Alumínium ötvözetből készült kerékpár váz

6.14. ábra - Alumínium italdobozok

Alumínium italdobozok

6.15. ábra - Alumínium ládák

Alumínium ládák

Az alumínium szelektív gyűjtése, újrafeldolgozása

A visszagyűjtött alumínium termékek nagyon jelentős energia megtakarítással járnak, ha újra feldolgozásra kerül sor. A már kész alumíniumból, újraolvasztással csupán 5 % energia elegendő viszonyítva ahhoz, amikor a bauxitból timföldet, majd abból elektrolízissel alumíniumot kell előállítani.

6.16. ábra - Visszagyűjtött alumínium italos dobozok „bedarálva”

Visszagyűjtött alumínium italos dobozok „bedarálva”

Magnéziumgyártás

http://hu.wikipedia.org/wiki/Magnézium

A magnézium érc előkészítése

A magnéziumnak nagy a kémiai affinitása, ezért csak vegyületek formájában lelhető fel.

5. Táblázat. A magnézium legfontosabb ásványai

Ásványtani név

Tapasztalati képlet

Magnézium tartalom (%)

1

magnezit

MgCO3

28,8

2

szerpentin

2MgO·2SiO2·H2O

22,2

3

dolomit

CaCO3·MgCO3

13,2

4

bischofit

MgCl2·6H2O

12

5

karnallit

KCl·MgCl2·6H2O

A magnézium kohósítása alapvetően kétféle eljárás szerint történik:

elektrolízissel (ez a jelentősebb) és

szilikotermikus módszerrel.

Mindkét módszer első lépése a karbonátos ércek (magnezit, dolomit) oxiddá alakítása. Ezt égetéssel valósítják meg, aminek az alapreakciója a magnézium-karbonát termikus disszociációja:

MgCO3 = MgO + CO2.

A termikus bomlás már kisebb hőmérsékleteken is megindul, de csak 650 °C-on zajlik le kellő sebességgel, míg a teljes CO2-tartalom eltávolítása 1000 °C fölött valósul meg. Az égetési hőmérséklet megválasztása attól is függ, hogy melyik módszer számára állítják elő a magnézium-oxidot. Az olvadékelektrolízis számára 700…800 °C-on, míg a szilikotermikus eljárás számára 1200 °C fölött égetik a dolomitot. Az égetésre forgódobos vagy aknás kemencét használnak.

Magnézium előállítása elektrolízissel

Az elektrolízist vizes oldatból nem lehet megvalósítani, mert a magnézium normál-elektródpotenciálja –2,37 V. Ezért – ugyanúgy, mint az alumínium esetén – olvadékelektrolízist kell alkalmazni. Mivel azonban a MgO nem oldódik jól fluoridolvadékokban, a magnézium-kloridból (MgCl2) kell kiindulni. Ehhez a magnézium-oxidból egy következő lépcsőben kloridot kell előállítani. A bischofit és a karnallit esetén – minthogy ezek kloridos ércek – csak a kötött víztartalmat kell eltávolítani. A magnézium-oxid klórozása az alábbi reverzibilis folyamat szerint megy végbe:

MgO + Cl2 = MgCl2 + 0,5O2.

Az eljárást aknás kemencére hasonlító zárt klórozó berendezésben végzik 650-700 °C-on, klórgáz atmoszférában. A felszabaduló oxigén megkötésére szenet használnak. A képződő magnézium-klorid folyékony halmazállapotú, amelyet az akna aljáról folyamatosan távolítanak el.

Az olvadékelektrolízishez a kád bélése savanyú samott és alumínium-oxid, az anódok grafitból, a katódok acélból készülnek.

A tiszta magnézium-kloridnak viszonylag nagy az olvadáspontja és rossz az elektromos vezetése. Ezeket a kedvezőtlen tulajdonságokat más fémkloridok (Mg, K, Na, Ca, Ba, Li) adagolásával tudják befolyásolni. Az elektrolízis hőmérséklete mindig a magnézium olvadáspontja (650 °C) fölött van 30-70 °C-kal. A katódon a fémmagnézium válik le:

Mg2+ + 2e → Mg.

Az anódon lejátszódó fő elektrokémiai folyamat:

2Cl – 2e → Cl2.

A kádban összegyűlt magnéziumot vákuumüsttel távolítják el, csakúgy, mint az elhasznált elektrolitot. A lecsapolt magnéziumot finomítják és ötvözik (és leöntik).

Magnézium előállítása szilikotermikus módszerrel

A módszer kiinduló anyaga a dolomitból égetett MgO. A szilikotermikus eljárás alapja az alábbi redukció:

2MgO + Si = 2Mg + SiO2.

A dolomit CaO-tartalma is „besegít” a folyamatba:

MgO + CaO +0,5Si = Mg + 0,5Ca2SiO4.

A redukciós folyamat kis nyomáson és nagy hőmérsékleten megy végbe. A gyakorlatban 130 Pa nyomást és 1500 °C hőmérséklete alkalmaznak. A magnézium kristályok formájában kondenzálódik az álló vagy forgódobos retortában. A berendezés jellegzetessége a csatlakoztatott vákuum-berendezés.

Magnéziumötvözetek az autógyártásban

http://autotechnika.hu/uploads/files/archiv/2006/03/68-70.pdf

Titánkohászat

http://hu.wikipedia.org/wiki/Titán_(elem)

A titán a földkéregben mintegy 0,6%-os arányban fordul elő. Nagy kémiai affinitása miatt csak vegyületeiben található meg. Ipari jelentőségű ércei a rutil (TiO2 60% titántartalommal) és az ilmenit (FeO·TiO2 31%).

A titán előállítását érceiből három lépésben végzik. Az érceket először fizikai módszerreldúsítják (flotálással, elektrosztatikus szeparálással), azaz az értékes ásványokat elkülönítik a meddőtől. Ezt kémiai dúsítás követi, amelynek során piro- vagy hidrometallurgiai módszerekkel tiszta TiO2-ot vagy TiCl4-ot állítanak elő. Utolsó műveletként redukcióval vagy elektrolízissel nyerik ki a fém titánt.

Titán-dioxid előállítása

Lúgzással: A lúgzást tömény, 92%-os kénsavval végzik, amelynek során a következő kémiai reakció zajlik le:

TiO2 + H2SO4 = Ti(OH)2SO4.

A művelet után hidrolízissel TiO(OH)2-t, majd ebből kalcinálással állítják elő a TiO2-ot:

Ti(OH)2 = TiO2 + H2O.

Pörköléssel és lúgzással: Az ilmenitkoncentrátumból redukáló pörköléssel FeO·TiO2-t állítanak elő, majd kénsavas, egy másik módszer szerint pedig sósavas lúgzással állítják elő a TiO2-ot.

Titán-tetraklorid előállítása

A titán-tetrakloridot a TiO2-ot tartalmazó anyag klórozásával állítják elő. Az eljárás főbb lépcsői:

Klórozás: Az eljárás alapja a TiO2 + 2Cl2 = TiCl4 + O2 reakció. A műveletet elektromos fűtésű aknás kemencében, újabban fluid reaktorban végzik 1000 °C körüli hőmérsékleten.

Kondenzálás: A klórozó berendezésből távozó gázokból a titán-tetrakloridot többlépcsős berendezésben kondenzálják.

Tisztítás: Frakcionált desztillálással végzik.

Fém titán előállítása

A titán előállításának („szinítésének”) kiinduló anyaga általában a titán-tetraklorid, ritkábban titán-oxid. Az alkalmazott eljárások ezekhez igazodnak.

Magneziotermikus redukcióval: A műveletet elektromos ellenállásfűtésű kemencében végzik, a reagens magnéziumot tömbök formájában helyezik el benne. Az eljárás során argon vagy hélium védőgázt használnak. A redukció kémiai egyenlete:

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.

A kapott termék a titánszivacs, amelyet külön eljárással még tisztítanak.

Titán-dioxid redukciójával: Az oxidos kiinduló anyagot kalciummal vagy kalcium-hidriddel redukálják, így porszerű titánt kapnak. A reakciók:

TiO2 + 2 Ca = Ti + 2 CaO.

TiO2 + 2 CaH2 = Ti + 2 CaO + 2 H2.

Elektrolízissel: A titán az alumíniumhoz és a magnéziumhoz hasonlóan csak olvadékból elektrolizálható. A titán-tetraklorid oldószereként többnyire alkálifémek (Na, K) fluoridjait használják. Az anód anyaga grafit, a katód acél vagy titán.