3. Электролитическое получение алюминия
Металлический алюминий получают электролизом глинозема (Аl2O3), растворенного в криолите (Na3AlF6). К этому электролиту для понижения температуры плавления добавляют (8-10%) фториды магния (MgF2) и кальция (СаF2), хлористый натрий (NaCl). Сложного состава электролит сравнительно легкоплавок (чистый глинозем имеет температуру плавления 2050°С) и обладает высокой электрической проводимостью. Электролиз проводят при 950-970°С.
Рис. 1 Схема алюминиевой ванны
Для электролиза (Рис.1) используют электролизер (алюминиевую ванну), который представляет собой стальную ванну прямоугольной формы 1, выложенную внутри слоем огнеупорного углеродистого материала. Углеродистая футеровка подины 2 и боковых стен 3 образует ванну глубиной 400-600мм. В ванне находится расплавленный алюминий 4 и электролит 5. Глинозем 6 непрерывно загружают в ванну сверху. Вначале глинозем подсушивается, затем перемещается вниз, образует корочку вместе с электролитом. На боковых стенах также образуется слой застывшего электролита (гарнисаж) 7, который предохраняет футеровку от разрушения, снижает тепловые потери и устраняет утечку электрического тока через боковую углеродистую футеровку. В качестве анода используют самоспекающийся угольный электрод 8. Ток к электроду подводят по металлическим стержням 9, вставленным в электродную массу. Углеродистая подина 2 служит катодом. В нее вставлены токо-проводящие металлические стержни. Алюминиевая ванна снабжена газоотводящим устройством 10. Через него отсасывают газы, образующиеся в процессе электролиза. Газы содержат фтор, оксиды углерода, а также частички смолы (из угольного электрода), глинозема, криолита и фторида алюминия. Газы подвергают тщательной очистке для устранения загрязнения окружающей среды. Улавливаемые продукты повторно используют.
По ходу электролиза жидкий алюминий накапливается на подине и его периодически извлекают обычно через 3-4 сут при помощи вакуумного ковша с сифоном. При этом в ванне оставляют небольшой слой жидкого алюминия.
Процесс электролиза автоматизирован. Контролируют параметры процесса, поддерживают строго постоянной электрическую проводимость электролита.
Процессы, происходящие при электролизе, можно представить в следующем виде: криолитно-глинозсмистый расплав является ионным раствором, состоящим из катионов Al3+,Na+, Ca2+, Mg2+ и др. и анионов AlF63-, F-, Cl-, AlO33-. Под действием электрического тока катионы перемещаются к катоду. На катоде разряжаются в первую очередь ионы алюминия, как наиболее электроположительного металла по сравнению с натрием, магнием и кальцием А13+ + Зе → А1. Таким образом образуется металлический алюминий. Анионы двигаются к аноду, на котором разряжаются наиболее отрицательные ионы: 2A1O33- — 6е → Аl2O3 + 3/2О2.
Выделяющийся при этом кислород взаимодействует с углеродом анода (самоспекающегося электрода). При этом образуется смесь СО и СО2 , которую удаляют из ванны и направляют в газоочистку вместе с другими газами и пылью.
В результате процесса расходуется глинозем и углерод электрода и получается металлический алюминий и газообразные оксиды углерода. Для получения 1т алюминия требуется ~2т глинозема, 0,7т анодной углеродистой массы, 0,1т криолита и других фторидов. Расход электроэнергии составляет - 18 МВт-ч. В себестоимости алюминия стоимость электроэнергии составляет >30%, а сырых материалов -50%.