2. Производство алюминия

В группу легких металлов, имеющих плотность меньше 5 г/см³,входят Al, Mg, Ti, Be, Ca, В, Zn, К и другие элементы. Наибольшее промышленное применение из них имеют алюминий, магний,титан.

Алюминий является самым распространенным металлом в зем­ной коре. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием - алюмосиликатов. Для получения алюминия используют руды, богатые глиноземом А1₂О₃. Чаще всего применяют бокситы, в которых содержится, %: А1₂О₃ 40— 60, Fe₂O₃ 15—30, SiO₂ 5—15, TiO₂ 2—4 и гидратной влаги 10—15.

Технологический процесс производства алюминия состоит из трех этапов: извлечение глинозема из алюминиевых руд, электро­лиз расплавленного глинозема с получением первичного алюминия и его рафинирование. Извлечение глинозема обычно производят щелочным способом, применяемым в двух вариантах: мокром (метод Байера) и сухом.

При мокром методе бокситы сушат, измельчают и загружают в герметические автоклавы с концентрированной щелочью, где выдерживают в течение 2 — 3 ч при температуре 150 — 250 °С и давлении до 3 МПа. При этом протекают реакции взаимодействия гидрооксида алюминия с едким натром:

А1₂О₈+3Н₂О + 2NaOH = Na₂O·A1₂O₃ + 4Н₂О.

Раствор алюмината натрия Na₂O.Al₂O в виде горячей пульпы идет на дальнейшую переработку. Оксиды железа, титана и дру­гие примеси, нерастворяющиеся в щелочах, выпадают в осадок — шлам.

Кремнезем взаимодействует со щелочью и образует силикат натрия: SiO₂ + 2NaOH == Na₂O·SiO₂ + 4Н₂О, который в свою очередь, взаимодействуя с алюминатом натрия, выпадает в осадок, образуя нерастворимое соединение Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O.

Пульпа после фильтрации и разбавления водой сливается в отстойники, где из алюминатного раствора выпадает в осадок гидрооксид алюминия: Na₂O·AlO₃ + 4Н₂О = 2NaOH + 2А1(ОН)₃ ↓.

Гидроксид алюминия фильтруют и прокаливают при темпе­ратуре до 1200 °С в трубчатых вращающихся печах. В результате получается глинозем: 2А1(ОН)₃=А1₂О₃ + 3Н₂О.

Сухой щелочной способ или способ спекания состоит в совме­стном прокаливании при температурах 1200 — 1300 °С смеси бо­ксита, соды и извести, приводящем к образованию спека, в кото­ром содержится водорастворимый алюминат натрия:

А1₂О₃ + Na₂CO₃ = Na₂O·Al₂O₃ + СО₂.

Известь расходуется на образование нерастворимого в воде силиката кальция CaO·SiO₂. Алюминат натрия выщелачивают из спека горячей водой и полученный раствор продувают угле­кислотой:

Na₂O·Al₂O₃ + ЗН₂О + СО₂ = 2А1(ОН)₃ + Na₂CO₃.

Осадок промывают и прокаливают, получая глинозем, как и в предыдущем способе.

Алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите Na₃AlF₆. Этот метод был предложен в 1886 г. одновременно Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции и применяется до сих пор почти без изменений. Криолит получают в результате взаимодействия плавиковой кислоты HF с гидро­оксидом алюминия с последующей нейтрализацией содой:

6HF + А1(ОН)₃ = H₃AlF₆ + 3H₂O,

H₃AlF_e + 3Na₂C0₃ = 2Na₃AlF₆ + ЗН₂О + СО₂,

Э лектролиз осуществляют в алюминиевой ванне — электро­лизере, схема которого приведена на рис. 16. Ванна имеет сталь­ной кожух прямоугольной формы, а ее стену и подину изготавли­вают из угольных блоков, теплоизолированных шамотным кирпичем. В футеровку подины вмонтированы

Рис. 16. Схема электролизера для производства алюминия:

1 - катодные угольные блоки;2 - огнеупорная футеровка;

3 - стальной кожух; 4 - угольные плиты; 5 - жидкий алюминий;

6 - металлическиестержни с шинами;7 - угольный анод;

8 - глинозем; 9жидкий электролит;10 - корка затвердевшего электролита;11 - катодная токоподводящаяшина; 12 - фундамент

стальные катодные шины, благодаря чему угольный корпус ванны является катодом электролизера. Анодами служат самообжигающиеся вертикально расположенные угольные электроды, погруженные в расплав. При электролизе аноды постепенно сгорают и перемещаются вниз. По мере сгорания они наращиваются сверху жидкой анодной массой, из которой при нагреве удаляются летучие и происходит ее коксование. Электролит нагревается до рабочей температуры 930—950 °С. Глинозем, расходуемый в процессе электролиза, периодически загружается в ванну сверху. Благодаря охлажде­нию воздухом на поверхности образуется корка электролита. На боковой поверхности ванны образуется затвердевающий слой электролита (гарнисаж), предохраняющий футеровку и тепло­изолирующий ванну.

При высокой температуре глинозем А1₂О₃ растворенный в элек­тролите, диссоциирует на ионы: А1₂О₃ 2А1³⁺ + 3О^2-. На по­верхности угольной подины, являющейся катодом, ионы восста­навливаются до металла: 2А1³⁺ + 6е = 2А1.

По мере уменьшения содержания глинозема в электролите его периодически загружают в ванну электролизера. Жидкий алю­миний скапливается на подине электролизера и периодически удаляется с помощью вакуумных ковшей.

Кислородные ионы разряжаются на угольном аноде: 3О^2- - 6е =3/2O₂, окисляют анод, образуя СО и СО₂, которые уда­ляются вентиляционными устройствами. Электролизные ванны соединяют последовательно в серии из 100—200 ванн.

Первичный алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен примесями Si, Fe, неметаллическими включениями (А1₂О₃, С), а также газами, преимущественно водородом. Для очистки алюминия его подвергают рафинированию либо хлори­рованием, либо электролитическим способом,

Более чистый алюминий получают электролитическим рафи­нированием, где электролитом являются безводные хлористые и фтористые соли. В расплавленном электролите алюминий под­вергают анодному растворению и электролизу. Электролитическим рафинированием получают алюминий чистотой до 99,996 %, по­требляемый электрической, химической и пищевой промышлен­ностью. Еще более чистый алюминий (99,9999 %) можно получить зонной плавкой. Этот способ дороже электролиза, мало произ­водителен и применяется для изготовления небольших количеств металла в тех случаях, когда необходима особая чистота, например для производства полупроводников.