Разработка электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты - сырья для производства лейкосапфиров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Серёдкин, Юрий Георгиевич

• Серёдкин, Юрий Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Серёдкин, Юрий Георгиевич

Введение.

1 Аналитический обзор литературы.

1.1 Способы получения оксида алюминия.

1.1.1 Получение оксида алюминия из минерального сырья.

1.1.1.1 Щелочные способы.

1.1.1.2 Кислотные способы.

1.1.1.3 Термические способы.

1.1.2 Получение оксида алюминия из металла.

1.1.2.1 Способы химического окисления алюминия.

1.1.2.2 Способ искрового разряда.

1.1.2.3 Способ образования и гидролиза алюминийорганического соединения

1.1.2.4 Способ синтеза и гидролиза алкоксисоединений алюминия.

1.1.2.5 Электрохимические способы.

1.2 Способы выращивания монокристаллов.

1.2.1 Выращивание из раствора в расплаве (спонтанная кристаллизация).

1.2.2 Метод Вернейля.

1.2.3 Метод Бриджмена.

1.2.4 Метод Чохральского.

1.2.5 Метод зонной плавки.

1.2.6 Гидротермальное выращивание.

1.2.7 Метод твердофазной рекристаллизации.

2 Электрохимический способ получения гидроксида алюминия.

2.1 Изучение поляризации электродных процессов в хлоридных растворах и выяснение механизма образования гидроксида алюминия.

2.1.1 Анодная поляризация.

2.1.2 Катодная поляризация.

2.1.3 Взаимодействия в электролите. 2.1.4 Выводы.

2.2 Изучение влияния плотности тока на выход продукта.

2.2.1 Анодный выход продукта.

2.2.2 Катодный выход продукта.

2.2.3 Общий выход продукта.

2.2.4 Выводы.

2.3 Изучение старения раствора и кинетики укрупнения частиц гидроксида алюминия.

2.3.1 Образование защитной пленки на аноде.

2.3.2 Старение раствора.

2.3.3 Выводы.

2.4 Определение удельного электросопротивления гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия.

3 Разработка электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты.

3.1 Описание установки для получения гидроксида алюминия.

3.2 Разработка конструкции и расчет электролизера.

3.2.1 Назначение электролизера.

3.2.2 Конструкция электролизера.

3.2.2.1 Конструкция и внешний вид ванны.

3.2.2.3 Расчет гидравлического контура.

3.2.3 Электрический расчет электролизера.

3.2.4 Тепловой расчет электролизера.

3.2.4.1 Боковые стенки.

3.2.4.2 Продольные наклонные стенки.

3.2.4.3 Поперечные наклонные стенки.

3.2.4.4 Дно.

3.2.4.5 Тепловой поток от поверхностей ванны.

3.2.5 Расчет испарения воды.

3.3 Разработка конструкции и расчет сборной емкости.

3.3.1 Назначение сборной емкости.

3.3.2 Конструктивный расчет сборной емкости.

3.3.2.1 Расчет габаритов сборной емкости.

3.3.2.2 Конструкция и внешний вид сборной емкости.

3.3.2.3 Расчет поверхностей сборной емкости.

3.3.3 Тепловой расчет сборной емкости.

3.3.3.1 Крышка.

3.3.3.2 Боковые стенки.

3.3.3.3 Тепловой поток от емкости.

3.4 Составление теплового баланса электролизной установки.

3.4.1 Приход тепла.

3.4.2 Расход тепла.

3.4.3 Тепловой баланс.

3.5 Принципиальная аппаратурно-технологическая схема получения оксида алюминия высокой чистоты.

3.5.1 Описание технологической схемы.

3.5.1.1 Подготовка сырья, материалов, энергоресурсов.

3.5.1.2 Электролитическое получение и отделение гидроксида алюминия

3.5.1.3 Термическое получение оксида алюминия.

3.5.2 Расчет материального баланса.

3.6 Опытно-промышленные испытания технологии.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты - сырья для производства лейкосапфиров»

Лейкосапфир, сапфир, рубин являются разновидностями прозрачных драгоценных корундов [1]. В настоящее время производство искусственного корунда является востребованным на мировом рынке. Развитие высокотехнологичных отраслей приводит к увеличению спроса на монокристаллический корунд, который является материалом для изготовления оптических систем, лазеров, светодиодов высокой яркости, солнечных батарей, современных интегральных схем, пуленепробиваемых материалов для средств безопасности и сверхзвуковой авиации. Искусственные кристаллы корунда используются в медицине, а также в ювелирной и часовой промышленности.

Основной проблемой при получении искусственного корунда является дороговизна сырья для его производства (оксида алюминия чистотой 99,9999,999 %), которая связана со сложностью аппаратурного оформления многочисленных переделов. Такое сырье получают из металлургического глинозема, имеющего чистоту до 99,7 % (марка Г-000) и требующего дополнительной очистки. Химическая очистка глинозема от примесей реализована за рубежом. В России в настоящее время не существует промышленного производства оксида алюминия необходимой чистоты.

Предлагаемый способ заключается в получении оксида алюминия высокой чистоты, пригодного для производства лейкосапфиров, из металла, заранее очищенного от примесей при помощи электролитического рафинирования и имеющего чистоту 99,99-99,995 % и выше [2]. Такое сырье не нуждается в дополнительной очистке, к тому же, после окисления алюминия до оксида содержание исходных примесей снижается вдвое за счет увеличения массы продукта. Поэтому работа по созданию электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты является актуальной.

Для этого необходимо разработать научные и технологические основы нового способа получения сырья для производства лейкосапфиров, который должен стать экономичным, эффективным и позволил бы получать чистый конечный продукт.

Необходимо также создать установку для его получения и разработать аппаратурно-технологическое оформление процесса производства. Все перечисленное является целью данной работы.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Серёдкин, Юрий Георгиевич

Выводы

1. Проведен анализ существующих способов получения оксида1 алюминия, t который показал, что до настоящего времени не найдено эффективной технологии его получения, обеспечивающей чистоту продукта, необходимую для производства лейкосапфиров, и высокую рентабельность производства.

2. Изучены- . электрохимические процессы при проведении электролиза. Основными являются: образование гидроксида алюминия на аноде и выделение водорода на катоде. Реакция суммарного.процесса:

А1 + ЗН20 = Al(OH)3>U +1Н2Т.

3. Методом снятия поляризационной кривой установлено, что анодный процесс состоит из двух этапов. При низкой плотности тока до 0,015 А/см химически образуется водород, который адсорбируется на частицах гидроксида алюминия и закрывает часть поверхности анода. Это приводит к пассивации электрода и увеличению поляризации. Повышение плотности тока выше 0,015 А/см2 приводит к увеличению скорости образования гидроксида алюминия и более интенсивному отводу его вместе с водородом- вглубь электролита. При этом поверхность анода не пассивируется.

4. Вид анодной поляризационной кривой указывает на электрохимический характер кинетики электродного процесса. Эффективный анодный выход по току составляет 117% и говорит о совместном образовании ионов А13+ и А1+ в соотношении 78,2 % А13+ и 21,8 % А1+.

5. Установлено, что выделение водорода на катоде происходит при равновесном потенциале —1,66 В. Это-указывает на увеличение рН в прикатодном пространстве до 14. При этом активируется поверхность металла за счет растворения оксидной пленки. Химическое взаимодействие алюминия с водой приводит к образованию гидроксида алюминия на катоде. л

6. Суммарный удельный выход продукта при плотности тока 0,03 А/см и температуре 25 °С составляет 285 г/(м -ч) в пересчете на оксид алюминия, что соответствует кажущемуся выходу по току 150 %. При повышении температуры до

119

70 °С кажущийся выход по току достигает 170 %.

7. По предложенной схеме старение раствора гидроксида алюминия происходит от коллоидного состояния до образования А1(ОН)3 в форме гидраргиллита и приводит к разделению твердой и жидкой фаз за счет поэтапного увеличения плотности осадка. Продолжительность старения составляет 30-40 мин. Оптимальная плотность тока, позволяющая достичь максимального размера частиц гу гидроксида алюминия 8-9 мкм, составляет 0,045 А/см .

8. Удельное сопротивление гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия в состоянии равновесия при температуре 70 °С составляет 23,83 Ом-см.

9. Разработана конструкция электролизной установки, включающая два электролизера, сборную емкость, насос и контур циркуляции электролита. Производительность установки по оксиду алюминия составляет 2,66 кг/ч.

10. Предложена принципиальная аппаратурно-технологическая схема получения оксида алюминия высокой чистоты, включающая три стадии:

1) подготовка сырья, материалов, энергоресурсов;

2) электролитическое получение и отделение гидроксида алюминия;

3) термическое получение оксида алюминия.

Дано описание технологического процесса. Смоделирован технологический цикл производства и проведен расчет материального баланса.

11. Проведены опытно-промышленные испытания разработанной технологии, в ходе которых создана опытно-промышленная установка для получения оксида алюминия, получена опытная партия продукта в количестве 120 кг, полученный продукт испытан в производстве монокристаллов лейкосапфиров по методу Вернейля. В результате опытно-промышленных испытаний установлено, что полученный оксид алюминия соответствует по чистоте 99,99-99,995 %, а выращенные из него кристаллы удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к кристаллам лейкосапфиров, и могут быть использованы для тигельных методов выращивания кристаллов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Серёдкин, Юрий Георгиевич, 2009 год

1. Бетехтин А.Г. Курс минералогии. 3-е изд., испр. М.: Госгеолтехиздат,1961.

2. Получение чистого алюминия / Беляев А.И., Вольфсон Г.Е., Лазарев Г.И., Фирсанова JI.A. М.: Металлургия, 1967.

3. Москвитин В.И., Николаев A.B., Фомин Б.А. Металлургия легких металлов. М.: Интермет Инжиниринг, 2005.

4. ГОСТ 30558-98. Глинозем металлургический. Технические условия. Перездание с поправкой. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002.

5. ГОСТ 30559-98. Глинозем неметаллургический. Технические условия. Переиздание. -М.: ИПК Издательство стандартов, 2002.

6. Патент RU 2124478 С1, 01.07.1996.

7. Авторское свидетельство SU 1477682 AI, 12.06.1987.

8. Патент RU 2077157 С1, 11.11.1994.

9. Патент RU 2092438 С1, 06.03.1996.

10. Патент RU 2167817 С2, 02.06.1999.

11. Химическая энциклопедия. В 5-ти томах. Т. 1. / Гл. ред. И.Л. Кнунянц. -М.: Советская энциклопедия, 1988.

12. Европейский стандарт EN 573-3:2009. Алюминий и алюминиевые сплавы. Химический состав и форма полуфабрикатов. Часть 3. Химический состав и форма изделий. Брюссель: Европейский комитет стандартизации, 2009.

13. ГОСТ 11069-2001. Алюминий первичный. Марки. Переиздание с поправкой. -М.: ИПК Издательство стандартов, 2008.

14. Авторское свидетельство SU 1350995 AI, 02.10.1985.

15. Патент RU 2223221 С1, 11.02.2003.

16. Патент RU 2278077 Cl, 11.07.2005.

17. Патент RU 2260563 С1, 26.07.2004.

18. Баймаков Ю.В., Ветюков М.М. Электролиз расплавленных солей. М.: Металлургия, 1966.

19. Ветюков М.М., Цыплаков A.M., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния. -М.: Металлургия, 1987.

20. Скорчелетти В.В. Теоретическая электрохимия. Изд. 4-е, испр. и доп. — Д.: Химия, 1974.

21. Дамаскин Б.Б., Петрий O.A. Электрохимия. -М.: Высшая школа, 1987.

22. ГОСТ 4233-77. Реактивы. Натрий хлористый. Технические условия. Переиздание с изменениями №1, №2. — М.: ИНК Издательство стандартов, 2008.

23. Линчевский В.В. Техника металлургического эксперимента. М.: Металлургия, 1967.

24. Рачинский Ф.Ю., Рачинская М.Ф. Техника лабораторных работ. JL: Химия, 1982.

25. Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. Л.: Машиностроение, 1981.

26. Левин А.И., Помосов A.B. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии. 2-е изд. М.: Металлургия, 1979.

27. Справочник химика — М.: Химия, 1962.

28. Баймаков Ю.В., ЖуринА.И. Электролиз в гидрометаллургии. — М.: Металлургиздат, 1963.

29. Беляев А.И., Фирсанова Л.А. Одновалентный алюминий в металлургических процессах. — М.: Металлургиздат, 1959.

30. Дамаскин Б.Б., Петрий O.A. Введение в электрохимическую кинетику / Под ред. А.Н. Фрумкина. -М.: Высш. школа, 1975.

31. Будников Г.К., Улахович H.A., Медянцева Э.П. Основы электроаналитической химии. Казань: Изд-во Казанского университета, 1986

32. Константы неорганических веществ. Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. / P.A. Лидин, Л.Л. Андреева, В.А. Молочко. Под ред. P.A. Лидина. М.: Дрофа, 2006.

33. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство глинозема / A.A. Аграновский, В.И. Берх, В.А. Кавина и др. М.: Металлургия, 1970.

34. ГОСТ 16338-85. Полиэтилен низкого давления. Технические условия. Переиздание с изменением №1. М.: ИПК Издательство стандартов, 2008.

35. Теплотехника металлургического производства. Т. 1. Теоретические основы / В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, В.В. Белоусов и др. М.: МИСиС, 2002.

36. Теплотехника металлургического производства. Т. 2. Конструкция и работа печи / В.А. Кривандин, В.В. Белоусов, Г.С. Сборщиков и др. М.: МИСиС, 2002.

37. Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства / Под ред. И.А. Прибыткова. -М.: Металлургия, 1993.

38. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т. 2. -М.: Металлургия. 1986.

39. Сборщиков Г.С., Крупенников С.А. Теплотехника: расчёт и конструирование элементов промышленных печей. М.: МИСиС, 2004.

40. Теория и технология электрометаллургических процессов / Ю.В. Борисоглебский, М.М. Ветюков, В.И. Москвинин, С.Н. Школьников. Под ред. М.М. Ветюкова. -М.: Металлургия, 1994.

41. Техническая термодинамика / В.И.Лобанов, Г.П. Ясников, Я.М. Гордон, A.C. Телегин. -М.: Металлургия, 1992.

42. Лыков A.B. Теория сушки. — М.: Энергия, 1968.

43. Падерин С.Н., Филиппов В.В. Теория и расчеты металлургических систем и процессов. -М.: МИСиС, 2001.