1.4.1. Руди алюмінію

У чистому вигляді алюміній у природі не зустрічається через свою високу хімічну активність. Сполуки алюмінію входять до складу близько 250 міне-

ралів. До найпоширеніших руд алюмінію належать боксити, нефеліни, алуніти й каоліни.

Боксити — найважливіші із руд алюмінію. За зовнішнім виглядом боксити ~~ глиноподібна, а 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 А1,О₃, гідроксидів А1(ОН)₃ і АІО(ОН) та каолініту А1,О₃ • 2SiO, • 2Н,О. До складу бокситів входить ЗО. ..70 % глинозему (в перерахунку з гідроксидів). Якість бокситів підвищується зі зменшенням в них кремнезему.

Промислове значення мають алуніти K,SO₄ • A1₂(SO₄)₃ • 4А1(ОН), і нефеліни (К, Na),O • А1,О, • SiO₂. Нефеліни є побічним продуктом у виробництві мінера­льних добрив, наприклад апатитів.

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

1.4.2. Виробництво глинозему

Найпоширеніший лужний спосіб виробництва глинозему А1₇О₃. Він склада­ється із таких операцій.

1.Дроблення бокситу на дробарках з подальшим мокрим меленням у кульових млинах.

2.Видужування 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:

2Al(OH)₃ + 2NaOH=Na,O- А1,О, + 4Н₂О, (1.4.1)

2А1О(ОН) + 2 NaOH = Na,O- A1,O₃ + 2Н₂О. (1.4.2)

Утворений під час реакцій алюмінат натрію Na,0 ■ А1,О₃ добре розчиня­ється у воді й переходить у розчин, а нерозчинні в лузі оксиди заліза й титану випадають в осад. Кремнезем SiO₇, що входить до складу бокситу, також розчиняється лугом з утворенням силікату натрію Na,SiO,, який реагує з алюмінатом натрію й водою, утворюючи Na₂O • А1,О₃ ■ 2SiO, ■ лН,О, що теж випадає в осад. Тому зі збільшенням SiO₂ в бокситі зменшується частка глино­зему, що потрапляє в розчин.

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

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

Na,O • А1,О, + 4Н,О = 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), в гідроциклонах і вакуумфільтрах.

6 Зневоднювання гідроксиду алюмінію в циліндричних обертових печах, оступово його нагріваючи до температури 1200 °С:

2А1 (ОН), = А1,О₃ + ЗН,О. (1.4.4)

1.4.3. Електроліз глинозему

Матеріалами для виробництва алюмінію є глинозем, кріоліт і вугляні аноди. Ванна для електролізу глинозему складається зі сталевого кожуха 2 (рис. 1.4.2), викладеного футеровкою 11 із шамотної цегли, вугляних стін З, вугляного поду / до якого підведені катодні шини 12. Бічні вугляні стіни разом з подом утворюють ванну глибиною 400...600 мм. У ванні перебуває глинозем, кріоліт і рідкий алюміній. Розташований угорі анод б являє собою напіврідку масу 7 в алюмінієвому кожусі 10, яка складається з меленого коксу або вугілля і кам'яновугляної смоли. Ця маса, починаючи знизу, поступово спікається та коксується. До штирів 9 аноду підведені шини 8.

Ванну завантажують глиноземом А1,О₃ кількістю 8...10 % і кріолітом 3NaF- • A1F₃. Робоча напруга на затискачах ванни 4,0...4,5 В. Електричний струм нагріває електроліт до 950...970 °С, розтоплює 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 30 В (анодний ефект). Завантаження нової порції глинозему 5 припиняє це явище.

Під час електролізу глинозем дисоціює за такою спрощеною схемою:

А1₂О₃^2АГ⁺⁺+ЗО-\ (1.4.5)

Катіон алюмінію А1⁺⁺⁺ розряджається на катоді, а аніон кисню О""— на ^н°Ді. Кисень оксидує вуглець аноду до CO і СО₂. В міру 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 раз в кожних 3...4 доби вибирають сифоном. Він містить домішки металів (Fe, Si, Zn і ін.), гази (О„ Н₂, CO і СО₂) та неметалеві включення (Al^CX, C), через що такий алюміній рафінують.