ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Алюминий — легкий металл, обладает высокой пластичностью, хорошей электропроводностью, стойкостью против азотной и органических кислот, однако разрушается щелочами, соляной и серной кислотами; на воздухе он устойчив против коррозии, так как на поверхности его имеется плотная оксидная пленка, изолирующая внутренние слои от действия атмосферы.

Рудами алюминия служат породы, богатые глиноземом Аl₂O₃ и залегающие крупными массами на поверхности земли. К таким породам относятся бокситы, нефелины, алуниты и каолины (глины). Важнейшая алюминиевая руда — бокситы — состоит из гидроксидов алюминия и железа, кремнезема, соединений кальция, магния и др. В качестве руд применяют также нефелины и алуниты. Производство алюминия складывается из двух основных процессов: получения глинозема из руды и электролиза глинозема.

Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в расплавленном криолите.

Производство глинозема.Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электротермическим.

Наибольшее распространение получил мокрый щелочной способ К.И. Байера, применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим массовым содержанием (до 5-6 %) кремнезема. По этому способу боксит после дробления и размола выщелачивают концентрированным раствором гидроксида натрия в автоклавах (стальных герметических сосудах) при температуре 250°С и давлении 2500-3000 кПа. Автоклавы обогревают перегретым паром.

Гидроксид алюминия из бокситов при таких условиях быстро и достаточно полно растворяется с образованием алюмината натрия

А1(ОН)₃ + NaОН → NаАlO₂ + 2Н₂0.

Кремнезем, содержащийся в боксите, также растворяется гидроксидом натрия с образованием силиката натрия Nа₂SiO₃, который реагирует с алюминатом натрия и водой, в результате чего получается натриевый алюмосиликат Nа₂О • А1₂О₃ • 2SiO₂ • nН₂0, выпадающий в осадок. Поэтому, чем больше кремнезема в боксите, тем меньше извлечение глинозема в раствор.

Разложение алюминатного раствора для получения кристаллического гидроксида алюминия называют выкручиванием. Выкручивание производят в баках, куда для ускорения процесса вводят небольшое количество гидроксида, играющего роль затравки (центров кристаллизации). Реакция гидролиза идет в разбавленных водой растворах при медленном перемешивании пульпы

NаА1О₂ + 2Н₂0 → А1(ОН)₃ + NаОН.

Длительность выкручивания 75-90 ч. Кристаллический гидроксид после промывки фильтруют и обжигают (кальцинируют) для полного обезвоживания в трубчатых вращающихся печах длиной до 70 м при постепенном нагревании гидроксида до 1200°С. Полученный глинозем А1₂О₃ охлаждается и направляется затем для электролиза. На 1 т глинозема расходуется около 2,5 т боксита, до 200 кг гидроксида натрия и до 120 кг извести, применяемой для регенерации гидроксида натрия.

По сухому щелочному способу, разработанному под руководством А. А. Яковкина, для бокситов с повышенным массовым содержанием кремнезема руду и известняк после дробления смешивают с содой Ка₂СО₃ и спекают при температуре 1200 - 1300 °С в барабанных вращающихся печах. В результате получаются окатыши спека, содержащие метаалюминат натрия Ка₂О • А1₂О₃, а также нерастворимые в воде двухкальциевый силикат (СаО)₂·SiO₂, метаферрит натрия Ка₂О • Fе₂О₃ и другие соединения.

Далее спек выщелачивают содовым раствором, в результате алюминат натрия переходит в раствор. Для выделения гидроксида алюминия алюминитный раствор разлагают методом карбонизации, для чего через него пропускают печные газы, содержащие диоксид углерода:

Nа₂О • А1₂О₃ + СО₂ + 3Н₂0 → 2А1(ОН)₃ + Nа₂СО₃.

Кристаллический гидроксид алюминия подвергают кальцинации и получают глинозем. Раствор соды идет на выщелачивание или выпаривание для получения соды.

Для получения глинозема из нефелина его спекают только с известняком, сода не нужна, так как в нефелине содержится до 20 % Nа₂О + К₂О. Схема получения глинозема из нефелинового спека аналогична рассмотренной.

Известково-кремнистый шлам, выпадающий при выщелачивании нефелинового спека, используют для производства цемента. После карбонизации в растворах содержится много оксидов натрия и калия; их используют для получения поташа и соды.

Электролиз глинозема.Алюминий получают при электролизе глинозема, растворенного в криолите (Nа₃А1F₆). Электролизная ванна (рис. 76) имеет стальной кожух 4, выложенный изнутри шамотным кирпичом 5. Подина и стены 6 ванны составлены из углеродистых блоков, к которым подведены катодные шины 7. Углеродистые аноды 3 самообжигающиеся: по мере сгорания они опускаются и наращиваются сверху за счет жидкой анодной массы 2, из которой по мере нагрева испаряются летучие вещества и происходит коксование (обжиг) анодной массы. Ток к анодам подводится штырями 1.

В расплаве 8 криолита и глинозема массовое содержание последнего поддерживается в пределах 8-10 %: его уменьшение от электролиза периодически пополняется посредством загрузки новых порций.

Потенциал электролитической диссоциации глинозема (1,7В) меньше, чем криолита (3,7В). Глинозем диссоциирует на ионы

А1₂О₃ → 2А1³⁺ + 3О^2-.

Ионы алюминия переносят ток к катоду и осаждаются на нем. Ионы кислорода разряжаются на аноде. Выделяющийся кислород сжигает углерод анода с образованием СО и СO₂. Электролит сверху и с боков изолирован твердой коркой, уменьшающей теплопотери и испарение электролита. Напряжение тока в ванне 4-4,3 В, сила тока до 140000 А. Для получения 1 кг алюминия расходуется 60-70 МДж электроэнергии и около 2 кг глинозема. Накапливающийся на подине ванны жидкий алюминий периодически (каждые 1-2 сут) отбирают сифоном или вакуум-ковшом.

Полученный алюминий подвергают последующему рафинированию путем дополнительного электролитического процесса, при котором анодом является исходный жидкий алюминий, а катодом — рафинированный алюминий (тоже жидкий). К исходному алюминию добавляют 25 % Сu, чтобы увеличить плотность сплава до 3,5 г/см³; сплав располагается на подине ванны. Поверх рафинируемого металла находится электролит, состоящий из смеси солей ВаС1₂ (60%), А1F₃ (23%) и NаF (17 %) и имеющий плотность 2,7 г/см³. Рафинированный алюминий выделяется у катодов верхним, третьим, слоем, он имеет плотность 2,3 г/см³.

Качество алюминия определяется степенью его чистоты. ГОСТ 11069-74 установлены марки от А0 (99,0 % А1) до А999 (99,999 % А1). Алюминий первичный поставляется в чушках или слитках массой до 1000 кг. Из первичного алюминия изготовляют фасонные прессованные и прокатные профили: полосы, уголки, швеллеры, тавры, прутки, проволоку, трубы, ленты, листы, плиты, фольгу; изготовляют также порошок, пудру.

Алюминий для раскисления стали, производства ферросплавов, металлотермии выпускают марок от АВ85 до АВ97 (ГОСТ 295-79Е), где цифры указывают массовое содержание алюминия в процентах. Алюминий является также компонентом для получения многих сплавов.