Производство алюминия.
По размерам производства алюминий в настоящее время занимает первое место среди цветных металлов. Он имеет высокую электро- и теплопроводность ( уступая только серебру и меди ) и применяется как проводниковый материал в электротехнике и в теплотехнических устройствах. Алюминиевые деформируемые сплавы дюраль, дюралюминий -сплав Al c Cu, Mg, Mn (дуралюмины) - важнейшие конструкционные материалы в авиа- и других областях техники. Алюминиевые литейные сплавы Al с Si до 23% и др. Cu, Mn, Mg, Zn... (силумины) широко применяют в машиностроении. Вследствие высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы используют в химической и пищевой промышленности.
Алюминий - наиболее распространенный металл в природе, он входит в состав более 250 минералов. Наиболее важные алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты. Основная руда- бокситы, горные породы сложного состава, содержащие гидраты AlO(OH), Al(OH)3 и др. Содержание глинозема Al2O3 ( в пересчете из гидратов) составляет от 30 до 70%. Качество бокситов тем выше, чем меньше в них содержание обычной примеси - кремнезема SiO2.
Современное производство алюминия состоит из двух основных процессов: получение глинозема Al2O3 из бокситов и получение металлического алюминия путем электролиза расплавленного глинозема.
Глинозем получают щелочными, электрохимическими и др. способами. Наиболее распространенным является щелочной способ, состоящий из следующих операций:
Подготовка боксита - дробление его крупных кусков и затем мокрый размол, т.е. измельчение в шаровых мельницах, куда доливают оборотный раствор с добавками щелочи (NaOH).
Выщелачивание ( или варку) полученной пульпы проводят в автоклавах ( герметических стальных сосудах цилиндрической формы). Процесс идет при температуре 105÷250°С, давлении 2,5÷3,5 МПа и концентрации щелочи (NaOH) 250÷300 г/л. Для нагрева и перемешивания пульпы используют пар, подаваемый через сопла в днище. При выщелачивании образуется алюминат натрия: AlO(OH) + NaOH = NaAlO2 + H2O; Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O.
Разбавление , сгущение и фильтрацию проводят для получения из автоклавной пульпы чистого раствора алюмината натрия.
Выкручивание (или декомпозиция) - разложение раствора алюмината натрия с выделением Al(OH)3 , выпадающей в осадок: NaAlO2 + 2H2O = Al(OH)3 + NaOH.
Кальцинацию, т.е. обезвоживание Al(OH)3 производят его прокаливанием при 1200°С в трубчатых вращающихся печах: 2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O.
Выход глинозема составляет около 85%. На 1т глинозема расходуется до 2,5т боксита.
Для получения металлического алюминия проводят электролиз в электролизерах - ваннах с различным устройством анодной части. Ванна, заключенная в стальной кожух, внутри футерована углеродистыми блоками. В футеровку вмонтированы катодные шины. Таким образом, сам корпус ванны служит катодом. Анодное устройство состоит из вертикального самообжигающегося угольного электрода, нижняя часть которого погружена в электролит - расплав, состоящий из глинозема Al2O3 ( 8-10% ) и криолита - фторида алюминия и натрия Na3AlF6.
Электролит нагревается до рабочей температуры 930÷950°С теплом, выделяющимся при прохождении тока. Анод постоянно сгорает и его перемещают вниз. Для непрерывного наращивания анода в его обечайку подается полужидкая масса, состоящая из молотого кокса (угля) и каменноугольной смолы. По мере опускания вниз она спекается и коксуется.
Напряжение на электродах 4÷4,5 В, плотность тока 0,7÷1,2 А/см2.
При электролизе в расплавленном электролите происходит диссоциация молекул криолита и глинозема. Na3AlF6 3Na+ + AlF63- ; Al2O3Al3+ + AlO33- ;
На катоде разряжаются только катионы алюминия: Al3+ + 3e Al и, таким образом, для получения металлического алюминия практически расходуется только глинозем. По мере обеднения электролита глиноземом его периодически догружают в ванну.
Отрицательно заряженные анионы AlO33- направляются к аноду. В результате анодного процесса: 4AlO33- - 12e 2Al2O3 +3O2 выделяется газообразный кислород, вызывающий постепенное сгорание угольных анодов. Расплавленный алюминий постепенно скапливается на дне ванны и периодически удаляется при помощи сифонов и вакуумных ковшей.
Для получения 1т алюминия расходуется около 2 т глинозема, до 0,6 т угольных анодов, около 0,1 т криолита и ≈18 МВт часов электроэнергии. Полученный алюминий содержит примеси и поэтому подвергается рафинированию.
Рафинирование хлором заключается в продувке расплавленного алюминия хлором. Образующийся AlCl3 находится в газообразном состоянии и выделяясь из металла обеспечивает очистку от растворенных газов и примесей.
Электролитическое рафинирование применяют для получения алюминия более высокой чистоты. Его осуществляют в электролитической ванне, под (дно) которой является анодом. Угольные катоды располагаются в верхней части установки. Рафинированный алюминий сплавляют с медью. После расплавления в нижней части ванны образуется слой жидкого сплава (анод) с плотностью 3-3,5 г/см3. Поверх него находится слой расплавленного электролита, состоящего из BaCl2 и других солей, плотностью 2,7 г/см3. При пропускании тока происходит анодное растворение алюминия и образование ионов Al3+, которые направляются к катоду, где и происходит выделение чистого алюминия, образующего верхний слой плотностью 2,4 г/см3. Этим способом получают алюминий особой чистоты, до 99,999 %. Есть и другие способы рафинирования.
Разливка готового алюминия в чушки (небольшие слитки) массой 5÷15 кг проводится на машинах с бесконечной цепью чугунных изложниц.