Производство алюминия

Алюминий – легкий пластичный металл, его плотность ρ=2,7г/см³, (т/м³), температура плавления – 658 ºC, имеет гранецентрированную кубическую решетку (так же, как и медь); в земной коре содержится до 7…7,5% Al в виде глин-каолинов и бокситов. Алюминий обладает большим сродством к кислороду, образуя прочную окисную пленку (Al₂O₃), предохраняющую металл от дальнейшего окисления. Высокая электропроводность алюминия (вторая после меди) обеспечивает ему широкое применение в электротехнической промышленности. Сплавы на основе алюминия широко применяются в авиастроении и автомобилестроении. Они легки, достаточно прочны и пластичны.

Процесс получения алюминия складывается из ряда стадий.

1 Добыча алюминиевых руд. Для производства алюминия используют горные породы с высоким содержанием глинозема – Al₂O₃. Основой алюминиевой промышленности является боксит. Бокситы содержат 48…60% Al₂O₃; до 20% SiO₂; 10…30% гидратной влаги; до 25% Fe₂O₃.

2 Обогащение руды осуществляется методами, аналогичными применяемым при обогащении железных руд.

3 Получение глинозема. Наиболее распространен щелочной метод извлечения глинозема из руд. Он состоит в следующем.

Размолотый боксит смешивается в определенной пропорции с содой (Na₃СO₃) и мелом (CaCO₃) и подвергается обжигу во вращающихся барабанных печах при 1000…1100 ⁰C. При этом:

Al₂O₃+Na₂CO₃ → Al₂O₃·Na₂O+CO₂↑;

Fe₂O₃+Na₂CO₃ → Fe₂O₃·Na₂O+CO₂↑;

SiO₂+CaCO₃ → CaO·SiO₂+CO₂↑;

Полученную обоженную массу подвергают выщелачиванию горячей водой (60…95°C). В результате алюминат натрия (Al₂O₃·Na₂O) переходит в раствор, а соединения Fe₂O₃·Na₂O и CaO·SiO₂ выпадают в осадок. Водный раствор продувается струей углекислого газа, при этом:

Al₂O₃·Na₂O+CO₂+H₂O→Al (OH)₃↓+Na₂CO₃.

Полученный осадок гидроокиси алюминия отфильтровывается, промывается водой и прокаливается при 1300 ⁰C; Al(OH)₃ → Al₂O₃ + H₂O. В результате получается порошок чистого глинозема Al₂O₃.

4 Электролиз глинозема (получение алюминия). Алюминий получают в процессе электролиза раствора глинозема в расплавленном криолите (Na₃AlF₆), имеющем низкую температуру плавления. Криолит понижает температуру плавления раствора до 1000 ⁰C (в то время как температура плавления чистого глинозема составляет 2050 ⁰C). Электролиз глинозема производят в специальных ваннах, футерованных огнеупорными углеродистыми блоками [6, рис.34]. Катодом при электролизе служит слой расплавленного алюминия. Ток к катоду подводится с помощью стальных стержней, вмонтированных в дно ванны.

Над ванной подвешены угольные аноды. Ток на анод подается через стальные стержни. Электролит состоит из криолита и 8…10% глинозема. Расплавленный электролит заливают в ванну при температуре около 1000 ⁰C. Процесс электролиза происходит следующим образом. Под действием электрического тока глинозем диссоциирует с образованием катионов алюминия Al³⁺ и анионов кислорода O^2-.

Положительно заряженные ионы Al³⁺ переносятся к катоду, где происходит их разряд и выделение металлического алюминия. Анионы O²^- разряжаются на аноде, окисляя углерод анода до CO и CO₂.

Жидкий металлический алюминий, собирающийся под слоем электролита, откачивается через 2…4 суток по трубе в вакуум-ковш. Для нормальной работы ванны на дне ее оставляют немного алюминия. Производительность ванны до 500кг Al в сутки на получение 1т Al расходуется 16 тысяч кВт/час электрической энергии и до 0,6т материала анода.

Получаемый алюминий содержит примеси железа, кремния, меди, глинозема. Поэтому его подвергают рафинированию. Одним из способов рафинирования является продувка алюминия хлором. Парообразный хлористый алюминий AlCl₃ адсорбируется на поверхности примесей, и они всплывают в шлак. Хлор также способствует удалению растворенных газов (O₂, CO, CO₂, H₂).

Используют также продувку азотом и метод вымораживания (расплав медленно остуживают). В результате этих методов чистота алюминия может достигать 99,5…99,85%. Если к алюминию предъявляются более высокие требования по чистоте его подвергают электролитическому рафинированию (аналогично электролитическому рафинированию меди). Различают алюминий высокой чистоты (99,999…99,95% Al) и технической чистоты (99,85…99,0% Al). Маркируется буквой "А", далее следует число, характеризующее степень чистоты алюминия: A999 (99,999% Al); A95 (99,95% Al).

Так как для получения чистого алюминия расходуется много электроэнергии, то большое значение имеет получение готовых алюминиевых сплавов, минуя фазу получения алюминия. Например: сплав Al с Si (10…14% Si) – силумин – получают следующим образом. В дуговую печь загружают очищенный от железа боксит, затем добавляют древесный уголь или кокс при этом:

Al₂O₃+C→Al+CO₂

SiO₂+C→Si+CO₂.

Сплав получают добавлением чистого алюминия. При этом расход энергии меньше.