§ 1З. Виробництво алюмінію

1. Алюмінієві руди. Найбільш поширеними алюмінієвими рудами е боксити, каоліни, нефеліни й алуніти, де алюміній міститься у вигляді глинозему Аl₂О₃ (у бокситах 40…60%, а в решті руд—22…32%).

Виробити чистий алюміній безпосереднім відновленням його з руд неможливо, оскільки домішки відновлюються раніш за нього. Тому у виробництві алюмінію є три самостійних техно­логічних процеси: 1) добування глинозему з алюмінієвих руд; 2) добування первинного алюмінію; 3) рафінування первинного алюмінію.

2. Добування глинозему. Залежно від складу алюмінієвих руд глинозем з них добувають такими способами: лужним, кислотним і електрометалургійним. В найбільш поширені такі способи: сухий лужний (спікання) — для перероблення бокситів з високим вмістом кремнезему й окису заліза; мокрий лужний — для перероблення малокремнезeмистих алюмінієвих руд; електрометалургійний — для перероблення бокситів, які містять у собі до 20% кремнезему.

При сухому і мокрому лужних способах обробляють алюмінієві руди лугами. Глинозем при цьому зв'язується в алюмінат натрію Аl₂О₃·Na₂O. При вилуговуванні алю­мінат натрію переходить у розчин, а окиси і гідроокиси заліза, титану і кремнію випадають в осад. Після відокремлення від осаду розчин алюмінату натрію продувають газом CO₂ (сухий спосіб) або піддають гідролізу (мокрий спосіб). У результаті розчин розкладається з виділенням кристалічного осаду—гід­рату окису алюмінію 2А1(ОН)₃. Цей осад фільтрують, проми­вають, прожарюють і дістають чистий глинозем:

2Аl (ОН)₃ = Αl₂O₃ + ЗН₂O.

При електрометалургійному способі добування глинозему складається з двох стадій: електрометалургійної і хімічної. Перша стадія проходить так: агломерат (боксит, залізну руду, барієві солі і антрацит) розплавляють в електро­печах при температурі 1800°С. Продуктами плавлення є феро­силіцій і шлак у вигляді алюмінатів барію, їх зливають у ківш і витримують до температури твердіння шлаку (близько 1500° С). Потім рідкий феросиліцій випускають з ковша і вико­ристовують у металургійному виробництві, а твердий шлак по­дрібнюють і обробляють содою:

Αl₂O₃·ВаО + Na₂CO₃ = Аl₂O₃·Na₂O + ВаСО₃.

Утворений алюмінат натрію відомими вже нам способами переробляють у глинозем, а вуглекислий барій використовують Для виготовлення агломерату.

Рис. 42 Схема електролізної ванни для добу­вання алюмінію.

3. Електроліз глинозему. Первинний алюміній добувають елек­тролізом чистого гли­нозему, розчиненого в розплавленому кріо­літі Na₃AlF₆. Електро­лізна ванна — електролізер (рис. 42) — має стальний кожух 5, обкладений із середини вогнетривкою цеглою 6. Під ванни і її стінки 7 зроблено з вугляних блоків, до яких підведено катодні шини 8. Над ванною на анод­них шинах 1 підвішено вугляні електроди 2. Тепер найбільше застосовуються ванни з набивними анодами, в яких вугляна маса вміщена в прямокут­ні алюмінієві кожухи.

Перед початком електролізу на під ванни насипають тонкий шар меленого коксу, впритул до поду опускають електроди і вмикають постійний струм. Коли вугляна футеровка ванни на­гріється, у ванну поступово засипають кріоліт і розплавля­ють його, одночасно повільно піднімаючи електроди. Після утворення шару 200...250 мм розплавленого кріоліту 10 у ванну завантажують глинозем 3, який і розчиняється в кріоліті. Про­цес електролізу відбувається при температурі 930...950°С. При проходженні струму через електроліт глинозем розкладається і на аноді виділяється кисень, який утворює з вуглецем чадний газ CO, а на катоді—алюміній. Рідкий алюміній 9 нагромад­жується на поді ванни і періодично видаляється сифоном або вакуум-ковшем. На бічній поверхні робочого простору ванни утворюється кірка 4 електроліту, яка захищає футеровку від руйнування під впливом розплавлених фтористих солей і від витікання струму.

В електролізній ванні, де сила струму становить 50000 а, а напруга—5...10 в, виробляють близько 350 кг алюмінію на добу.

4. Рафінування первинного алюмінію. Очищають алюміній від домішок звичайно в закритому ковші продуванням хлору протягом 10…15 хв., при температурі 750…770°С. Після цього його розливають у чушки. Для вироблення алюмінію високої чистоти (до 99,99% ΑΙ) його піддають електролітичному рафі­нуванню, при якому забруднений домішками алюміній є анодом, а чистий алюміній—катодом. Як електроліт використовують рідкі хлористі і фтористі солі.