Металлургия лития и натрия

 1. Свойства лития и его применение

Литий — химический элемент первой группы периодической системы Д. И. Менделеева, легчайший из всех металлов: его плотность (при 20° С) 0,531 г/см³. Температура плавления лития 180,5° С, температура кипения 1327° С. При температуре выше 600—625° С в сухом воздухе чистый (рафинированный) литий загорается. При наличии примесей в литии резко снижается температура его воспламенения. При низкой температуре литий медленно реагирует с воздухом, образуя нитрид и окись лития, а также карбонат лития.

Литий весьма активно реагирует с водородом, азотом, раз­личными окислами и сульфидами, поэтому применяется в ка­честве дегазатора и очистителя в металлургии многих металлов. Он также применяется в качестве составной части ряда легких и антифрикционных сплавов. В значительных количествах литий применяется как катализатор в производстве синтетического каучука, а также для получения гидрида лития (для перевозки водорода в связанном виде). В последние годы жидкий литий благодаря своей высокой теплоемкости и теплопроводности, а также низкой плотности и вязкости находит применение в каче­стве теплоносителя в урановых реакторах.

2. Получение лития

Литий получают в две основные стадии:

1) получение чисто­го хлористого лития;

2) электролиз расплавленного хлористого лития.

Наиболее важной технической литиевой рудой является спод у м е н — алюмосиликат лития, LiO₂ • А1₂O₃ • 4SiO₂. Сподуменовую руду сначала обогащают, отделяя пустую породу от мине рала сподумена.

Один из способов получения хлористого лития из сподуме­на — хлорирующий обжиг сподумена в смеси с СаС0₃ и NH₄CIпри 750° С. В результате получают спек, состоящий из хлористо­го лития, силиката кальция, окиси алюминия, а также хлоридов калия, натрия и кальция.

Спек выщелачивают холодной водой, при этом в раствор пе­реходят хлориды лития, калия и натрия, а также небольшое количество СаС1₂ и Са(ОН)₂. Кальций переводят в нераствори­мое состояние, обрабатывая раствор поташом, отделяют осадок и чистый раствор упаривают до начала кристаллизации солей. Затем через раствор пропускают сухой хлористый водород, в ре­зультате чего резко уменьшается растворимость КС1 и NaClи они выпадают в осадок, который отделяют от раствора. Рас­твор выпаривают, и из него выкристаллизовывается гидрат LiCl• Н₂О, который затем обезвоживают нагреванием и далее используют как сырье для электролитического получения лития.

Существуют и другие способы разложения сподумена (спека­ние с сульфатом калия или смесью известняка с хлористым

кальцием) с последую­щей переработкой спеков для получения из них хлорида лития.

Металлический литий получают электролизом хлористого лития при 400—500° С. В качестве электролита применяют смесь LiClи КС1, содер­жащую примерно 60% (мол.) LiCl. На рис. 1 приведена схема приме­няемого в зарубежной практике электролизера при получении лития. Катод из специальной стали окружен графито­вым анодом. Анодное и катодное пространства разделены железной сет­чатой диафрагмой. Над катодом расположен приемник для жидкого лития, всплываю­щего на поверхность электролита. Хлор удаляется через канал, устроенный в верхнем перекрытии электролизера. Через это же перекрытие проходят трубы для питания ванны расплавленным хлористым литием и извлечения жидкого металла.

Технологический режим и основные показатели электролиза: анодная плотность тока 2,1, катодная 1,4 а/см²; напряжение на клеммах 6—8 в, выход по току 90%. Расход на 1 кг лития: 6,2 кг LiCl, 0,1—0,2 кг, электроэнергии постоянного тока 144—216 кдж.

Литий-сырец содержит более 99% Li, основные примеси (Na, К, Mg, Al, Fe, Si) могут быть удалены рафинированием лития возгонкой, или дистилляцией в вакууме.

Рис. 1. Схема электролизера для получе­ния лития:

1 — футеровка ванны: 2 — анод; 3 — отверстие

для загрузки солей; 4 — жидкий металл; 5 — катод; 6 — диафрагма; 7 — корпус   элек­тролизера

3. Свойства и применение натрия

Натрий — химический элемент первой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер натрия 11, атомный вес 22,99. Натрий очень мягок и режется но­жом. Плотность натрия (при 20° С) 0,968 г/см³. Температура плавления около 98° С; температура кипения 883° С.

Натрий — исключительно активный и реакционноспособный элемент; при хранении на воздухе он легко окисляется, образуя гидрат окиси натрия и карбонат натрия.

Со многими металлами натрий образует сплавы, имеющие важное техническое значение. Натрий и его сплавы применяются во многих отраслях промышленности.

В химической промышленности натрий применяется для по­лучения перекиси натрия, цианистого натрия, тетраэтилсвинца {через сплав Na— Pb), моющих средств, гидрида натрия, в ка­честве катализатора в производстве синтетического каучука, в органическом синтезе и др.

В металлургии натрий применяется в качестве восстанови­теля при получении титана, циркония, тория, урана и других металлов из их хлоридов или фтористых соединений. Жидкий натрий и его сплавы с калием применяются также в качестве теплоносителя в атомной энергетике.

4. Получение натрия электролизом расплавленного хлористого натрия

Натрий можно получить электролизом расплавленного едко­го натра или расплавленного хлористого натрия. Второй способ наиболее экономичен и в последние годы почти целиком вытес­нил первый.

В качестве исходного сырья применяют чистый хлористый натрий с минимальным содержанием вредных примесей, особен­но сульфатов и соединений железа.

Процесс производства натрия состоит из следующих основ­ных стадий: 1) подготовки очищенной соли; 2) электролиза хло­ристого натрия с получением натрия-сырца и хлора; 3) рафини­рования натрия.

Природную соль растворяют, раствор очищают от примесей магния, железа, сульфатов и нерастворимых веществ. Очищен­ный раствор хлористого натрия выпаривают и используют в ка­честве сырья для получения натрия электролизом.

На рис. 2 приведена схема электролизера для получения натрия из расплавленного хлорида натрия. Такие электролизеры строятся на 24—32 ка. Ванна образуется футеровкой из огне­упорного кирпича, заключенной в цилиндрический стальной ко­жух. Центральный графитовый анод, введенный в электролизер снизу, через днище, окружен кольцеобразным стальным като­дом. Над анодом расположена хлоросборная камера, из которой хлор отводится в коллектор. Анодные и ка­тодные пространства разделены стальной сеткой - диафрагмой. Жидкий натрий соби­рается в кольцеобраз­ном пространстве над катодом и постепенна перетекает в сборник, откуда металл после охлаждения периоди­чески сливают в из­ложницы или бараба­ны.

Электролитом слу­жит смесь NaCl(42%) и СаС1₂ (58%). Элект­ролиз ведут при 585— 600° С. Хлористый нат­рий, а также безвод­ный хлористый каль­ций (для корректиров­ки состава электроли­та) загружают через отверстие в верхнем перекрытии электролизера.

Основные технологические показатели электролиза (при силе тока 24 ка): напряжение 5,7—6,0 в, выход по току 70—78%, рас­ход на 1 т натрия: очищенной соли 2,7—2,8 г; графита 16—19 кг; хлористого кальция 40 кг; электроэнергии 47—54 Мдж.

Натрий-сырец рафинируют расплавлением и отстоем от при­месей и заливают в барабаны из кровельной стали. Особо чистый натрий получают фильтрованием жидкого натрия через метал­лическую   (никелиновую)   сетку в атмосфере азота или аргона.

Рис. 2. Схема электролизера для получения натрия:

1— кожух; 2 — футеровка; 3 — анод; 4 — анодный токоподвод; 5 — катод; 6 — катодный токоподвод; 7 — сетка-диафрагма; 8 — катодный колпак; 9 — стояк; 10 — труба для слива натрия; 11 — сборник натрия; 12 — кран; 13 — хлоросборная камера; 14 — труба для отвода хлора; 15 — крышка; 16 — загрузочное отверстие