13.8.3.2 Производство алюминия

Производство алюминия осуществляется из глинозема, растворенного в криолите Nа₃АlF₆. Криолит, как растворитель глинозема, удобен потому, что он достаточно хорошо растворяет Аl₂О₃;не содержит более положительных, чем алюминий, ионов; достаточно электропроводен, но в то же время обеспечивает выделение тепла, необходимого для плавления электролита; дает с глиноземом сплавы, температура плавления которых много ниже температуры плавления глинозема (2050⁰С). Практически электролиз ведут при содержании в электролите около 10% Аl₂О₃ при температуре 950-1000⁰С. Схематически процесс электролиза сводится к выделению на катоде расплавленного алюминия и сгоранию угольного анода за счет выделившегося на нем кислорода. При температуре электролиза 1000⁰С плотность алюминия 2.35 г/см³, а плотность криолита, содержащего 10% глинозема, 2.03 г/см³. Алюминий, как более тяжелый, собирается на дне ванны и периодически из нее извлекается. Поскольку в процессе электролиза происходит разрушение анодов, для непрерывной работы ванны необходима специальная конструкция анодов.

Ванны с самообжигающимия анодами работают без смены анодов. Кожух ванны футерован огнеупорным кирпичом и угольными плитами. Дно ванны является катодом, оно выложено из угольных блоков, к которым подводится стальной токопровод. Над ванной на раме подвешен так называющийся самообжигающийся анод, состоящий из алюминиевой обечайки, в которую загружена анодная масса (смесь антрацита, кокса, каменноугольной смолы и пека). В верхней части анода масса находится в пластическом состоянии, в нижней, подверженной действию высоких температур, – в твердом. По мере сгорания анод механизмом, находящимся на раме, опускается, масса в нем спекается и превращается в угольный блок. Алюминиевая обечайка периодически наращивается, и ее догружают электродной массой. Ток к аноду подводится при помощи токопроводящих шин через стальные штыри, забитые в тело анода. При сгорании анода нижний ряд штырей вынимается, и они забиваются в новый ряд вверху. Таким образом, самообжигающиеся электроды являются электродами непрерывного действия.

Процесс электролиза ведут при напряжении 4.2-4.4 в, нагрузке 80000-150000 а, с выходом по току 88-90%. Расход энергии составляет 16200 квт*ч/т. Алюминий, полученный электролизом глинозема, содержит, в основном, примеси железа и кремния. Для получения чистого алюминия его подвергают рафинированию.

Для очистки от механических примесей и растворенных газов алюминий, выкачанный из ванны, хлорируют непосредственно в вакуум-ковшах. При этом хлорируется водород и некоторые металлы, а образовавшиеся хлориды и механические примеси, всплывают на поверхность металла и удаляются.

[Аl + Мg + Са] → [МgСl₂ + СаСl₂ + АlСl₃] + Аl

После хлорирования алюминий выдерживают в электрических печах для удаления остатков примесей и усреднения состава, после чего отливают в слитки. После такой очистки получают алюминий марки А 85, который содержит н/м 99.85% металла. Для получения алюминия высокой и особой чистоты его подвергают дополнительному рафинированию.

Производство криолита и угольных изделий.

Производство криолита и разнообразных угольных изделий для электролизеров является сопутствующими, но необходимыми элементами производства алюминия электролитическим методом.

Криолит – двойная соль натрия и алюминия и фтористоводородной кислоты 3NаF *АlF₃, может быть получен через стадию кислотного разложения плавикового шпата (фторида кальция) или из отходов суперфосфатного производства. Более экономично производство криолита из отходов суперфосфатного производства.

Производство угольных материалов связано с тем, что они используются для изготовления анодов и элементов футеровки электролизеров. Их изготавливают из твердых углеродсодержащих материалов, составляющих их основу (каменноугольный и нефтяной кокс, антрацит), и связующих веществ, коксующихся при обжиге (каменноугольный пек, каменноугольная смола).

Производство алюминия относится к числу материало- и энергоемких металлургических производств. Поэтому в структуре себестоимости алюминия затраты на сырье и энергию являются основными.