1.4.1. Руди алюмінію

У чистому вигляді алюміній у природі не існує через свою високу хімічну активність. Сполуки алюмінію входять до скла­ду близько 250 мінералів. До найпоширеніших руд алюмінію належать боксити, нефеліни, алуніти й каоліни.

Боксити — найважливіші із руд алюмінію. За зовнішнім виглядом боксити — це глиноподібна, часто кам'яниста порода від білого до темно-червоного кольору. Свою назву боксити отри­мали від французького міста Бо, де є їх великі поклади. У бокси­тах алюміній перебуває у вигляді глинозему А1₂0₃, гідроксидів А1(ОН)₃ і АЮ(ОН) та каолініту Al₂Cy2Si0₂ -2H₂0. До складу бо­кситів входить ЗО... 70 % глинозему (в перерахунку з гідрок­сидів). Якість бокситів прямо пропорційно залежить від вмісту кремнезему.

Промислове значення мають алуніти K₂SCyAl₂(S()₄)₃-4Al(OH)₃ і нефеліни (К, Na)₂0 Al₂Cy Si0₂. Нефеліни є побічним продук­том у виробництві мінеральних добрив, наприклад апатитів.

Виробництво алюмінію має три основні стадії: отримання глинозему з руди, електроліз глинозему та рафінування алю­мінію.

1.4.2. Виробництво глинозему

Найпоширеніший лужний спосіб виробництва глинозему, який складається з таких операцій:

1. Подрібнення руди (переважно бокситу) на дробарках з подальшим мокрим меленням у кульових млинах.

2. Вилуговування бокситу у водяному розчині лугу NaOH в автоклавах при температурі 230...250 °С, під тиском 2,5... 5,0 МПа з метою отримання алюмінату натрію. Для нагріван­ня використовують водяну пару. В автоклаві відбуваються такі реакції:

2А1(ОН)₃ + 2NaOH = Na₂0 -А1₂0₃ + 4Н₂0, (1.4.1)

2А10(ОН) + 2NaOH = Na₂0 -A1₂0₈ + 2Н₂0. (1.4.2)

Утворений під час реакцій алюмінат натрію Na,0 A1₂0₃ доб­ре розчиняється у воді й переходить у розчин, а нерозчинні в

лузі оксиди заліза й титану випадають в осад. Кремнезем Si0₂, що входить до складу бокситу, також розчиняється лугом з утво­ренням силікату натрію Na₂Si0₃, який реагує з алюмінатом на­трію й водою, утворюючи Na₂0 -Al₂0₃-2Si0₂- лН₂0, що теж випа­дає в осад. Тому зі збільшенням Si0₂ в бокситі зменшується частка глинозему, що потрапляє в розчин.

3. Відокремлення від осаду водяного розчину алюмінату на­трію шляхом відстоювання й подальшого фільтрування.

4. Розкладання (викручування) пересиченого водяного роз­чину алюмінату натрію в спеціальних апаратах, в яких під час повільного перемішування виділяється кристалічний А1(ОН)₃:

Na₂0 А1₂0₃ + 4Н₂0 = 2NaOH + 2А1(ОН)₃. (1.4.3)

Під час розкладання, яке триває 75...90 год, в осад випадає гідроксид алюмінію А1(ОН)₃.

5. Вилучення з розчину кристалів А1(ОН)₃ в гідроциклонах і вакуум-фільтрах.

6. Зневоднювання гідроксиду алюмінію в обертальних пе­чах і поступове його нагрівання до температури 1200 °С, щоб отримати А1₂0₃:

2А1(ОН)₃ = А1₂0₃ + ЗН₂0. (1-4.4)

1.4.3. Електроліз глинозему

Для виробництва алюмінію використовують глинозем, кріо­літ і вугільні аноди. Ванна для електролізу глинозему склада­ється зі сталевого кожуха 2 (рис. 1.4.2), викладеного футерів-кою 11 із шамотної цегли, вугільних стін 3, вугільного поду /, до якого підведені катодні шини 12. Бічні вугільні стіни разом з подом утворюють ванну глибиною 400...600 мм. У ванні пере­бувають глинозем, кріоліт і рідкий алюміній. Розташований уго­рі анод 6 являє собою напіврідку масу 7 в алюмінієвому кожусі 10, яка складається з меленого коксу або вугілля та кам'янову­гільної смоли. Ця маса, починаючи знизу, поступово спікаєть­ся та коксується. До штирів 9 анода підведені шини 8.

Ванну завантажують глиноземом А1₂0₃у кількості 8... 10 % і кріолітом 3NaF "A1F₃. Робоча напруга на затискачах ванни 4,0...

4,5 В. Електричний струм нагріває електроліт до 950...970 °С, розплавляє його та підтримує електроліз. На боках ванни та верх­ній її частині утворюється тверда оболонка 4 з електроліту, яка зменшує тепловіддачу та його випаровування. Виділений алюмі­ній внаслідок більшої густини порівняно з електролітом збира­ється на дні ванни. Коли кількість глинозему зменшується до 1,2 %, напруга підвищується від 5 до ЗО В (анодний ефект). За­вантаження нової порції глинозему 5 призупиняє це явище.

Під час електролізу глинозем дисоціює за такою спрощеною схемою:

А1₂0₃ - 2А1⁺⁺⁺ + ЗО"". (1.4.5)

Катіон Алюмінію АГ^+І розряджається на катоді, а аніон Оксигену О™ — на аноді. Оксиген оксидує Карбон анода до CO і С0₂. Під час оксидації анод поступово опускається у ванну.

Для виробництва 1 т алюмінію витрачається близько 18 МВт год електроенергії й до 0,7 т анодної маси. Рідкий алюмі­ній кожних 3...4 доби вибирають сифоном. Він містить доміш­ки металів (Fe, Si, Zn і ін.), гази (0₂, Н₂, CO і С0₂) та неметалеві вкраплення (А1₀0₃, С), через що такий алюміній рафінують.