Производство алюминия

1. Сырые материалы и способы производства алюминия

В настоящее время основным способом производства алюминия является электролитический, который включает две стадии:

1) получение безводного оксида алюминия (Аl₂O₃) в результате сложной химической переработки алюминийсодержащих руд;

2) электролиз глинозема, растворенного в криолите (Na₃AlF₆), и получение металлического алюминия.

В качестве сырых материалов используют руды алюминия, плавиковый шпат, известняк, серную кислоту и соду.

Важнейшими алюминиевыми рудами являются:

- бокситы;

- нефелины;

- алуниты;

- каолины,

из которых наибольшее значение имеют бокситы.

Алюминий в бокситах содержится в виде гидрооксида алюминия, корунда (А1₂O₃) и каолинита. Кроме того, в них содержатся оксиды и гидрооксиды железа, оксиды титана, кварц, карбонаты кальция, железа и магния и др. Состав бокситов очень разнообразен (28-70% глинозема; 2-50% оксидов железа, 0,01-10% оксидов титана, 0,5-20% кремнезема). Качество бокситов оценивают соотношением содержаний глинозема и кремнезема (Al₂O₃/SiO₂), которое называют модулем боксита. Чем выше модуль, тем выше качество боксита.

Плавиковый шпат CaF₂ необходим для получения криолита. Природный плавиковый шпат загрязнен кремнеземом, карбонатами, оксидами железа и алюминия. Его подвергают обогащению (промывке водой или флотации). Для производства криолита используют концентрат, содержащий  95 % СаF₂.

Известняк и сода (Na₂CO) необходимы для получения глинозема.

Серную кислоту используют для получения фторида алюминия (AlF₃), который требуется для корректировки состава криолита при его электролизе вместе с глиноземом.

2. Производство глинозема

Наиболее распространенным способом производства глинозема является щелочной, известный как способ К. И. Байера.

Способ Байера предусматривает выщелачивание глинозема из бокситов и перевод его в раствор в виде алюмината натрия по реакции:

Аl₂O₃ • n H₂O + 2NaOH = 2NaA1O₂ + (n + 1) н₂O.

При выщелачивании кремнезем, содержащийся в бокситах взаимодействует с едким натрием, образуя силикат натрия:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + Н₂O.

Силикат натрия затем взаимодействует с алюминатом натрия и образует натриевый алюмосиликат (Na₂O•Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O), который выпадает в осадок. Таким образом, удаляется кремнезем из раствора. Но при этом часть Аl₂O₃ и NaOH теряется, поэтому способом Байера не рекомендуется перерабатывать бокситы с высоким содержанием кремнезема. В нерастворимый осадок переходят оксиды железа и титана. Остаток имеет красно-кирпичный цвет и его называют красным шламом. Операцию выщелачивания проводят в автоклавах при давлениях 2,5-3,2 МПа и температуре 105-240°С.

Далее раствор алюмината натрия отделяют от красного шлама, применяя операцию сгущения и промывку в специальных устройствах – сгустителях.

Затем алюминатный раствор подвергают разложению. Эту операцию называют выкручиванием и проводят в цилиндрических стальных баках-декомпозерах. При выкручивании протекает следующая реакция:

NaAlO₂ + 2Н₂O = NaOH + А1(ОН)₃.

В результате реакции гидрооксид алюминия выпадает в осадок, который отделяют от раствора в сгустителях, затем в вакуум-фильтрах.

Последняя операция, кальцинация гидрооксида алюминия (обезвоживание), проводится в трубчатых вращающихся печах и установках с кипящим слоем при температуре 1150-1200°С. Степень извлечения глинозема составляет ~87%. На производство 1 т глинозема расходуется 2,0-2,5т боксита, 70-90кг щелочи, 120кг извести, 7-9т пара, 150м³ воды. Расход электроэнергии составляет 280-300 кВт-ч.