3.4.3.3. Электролитическое производство алюминия

Получить алюминий из водного раствора, как это, например, делается для меди и некоторых других металлов, методом электролиза невозможно, ввиду того что алюминий имеет более отрицательный потенциал выделения, чем водород.

Алюминий получают путем электролитического разложения глинозема, растворенного в расплавленном электролите (криолите – Na₃AlF₆ ).

Расплавленный криолит диссоциирует по сле­дующей схеме:

Na₃AlF₆ ↔ 3 Na⁺ + AlF^3-₆

Глинозем, растворенный в расплавленном криолите, диссоциирует на алюминий и кислородсодержащие ионы. Диссоциацию глинозема можно представить в виде следующей схемы:

Al₂ O₃ ↔ 2 Al ³⁺ + 3 O^2-

Если через расплавленный электролит пропустить постоянный ток, то на различных полюсах электроподводящих электродов будет происходит: выделение алюминия - на отрицательном электроде (катоде), кислорода – на положительном электроде (аноде).

На катоде в первую очередь разряжаются ионы А1^{3 +}, так как в электролите нет других более электроположительных ионов (а ионы натрия имеют более отрицательный потенциал).

Процесс электролиза проводят в электролизере, рис. 11.

Электролизер состоит из стального корпуса, футерованного внутри угольными блоками 9 , в подовую часть которого с помощью шин 7 и токоподводящих стержней подведен отрицательный полюс источника тока.

Для того чтобы защитить токоподводящие стержни от разрушения на подину укладывают угольные блоки 9.

Над корпусом подвешены угольные аноды 3, к которым с помощью шин 2 подведен положительный полюс. Если в электролизер залить расплав 10, состоя­щий из криолита и глинозема, опустить в этот расплав аноды и пропус­кать через расплав постоянный ток большой силы и необходимого напряжения, то через определенное время на дне электролизера можно обнаружить расплавленный алюминий 8 под слоем расплавленного электролита 10, состоящего из криолита Na ₃AIF₆, в котором при тем­пературе, близкой к 1000 °С, обычно растворено 1-10 % глинозема.

Рис. 11. Схема алюминиевого электролизера с верхним подводом тока к самооб­жигающемуся аноду:

1 - токоподводящие стержни; 2 - анодные шины; 3 - анодный угольный блок; 4 - газо­отсосная система; 5 - слой глинозема;6 - гарнисаж; 7 - катодные шины; 8 - жидкий алюминий у катода; 9 - угольный катод; 10 - жидкий электролит; 11 - чугунный сборник анодных газов; 12 - твердожидкая анодная масса

Процесс электролиза сводится к разряду ионов Al^{3 +} + О^{2 -}, из которых состоит непрерывно расходуемый глинозем. Крио­лит не подвергается непосредственному электролизу и расходуется мало.

В результате чего на дне ванны об­разуется слой металлического алюминия 8. На аноде 3 преимущественно разряжаются ионы кислорода, который немедленно окисляет уголь­ный анод, образуя СО и СО₂.

Для того чтобы не происходило разрушение боковых графитовых блоков футеровки производят наращивание гарниссажа 6 из застывшего электролита и глинозема.

Электролит поддерживается в расплавленном состоянии только за счет теплоты, выделяющейся при прохождении через него электриче­ского тока, поэтому часть электролита всегда настывает на холодных стенках и образует твердую застывшую корку, на которую сверху насыпают порошкообразную окись алюминия 5.

Алюминий извлекают из электролизера, пробивая корку электро­лита и опуская на дно футерованную огнеупором стальную трубку, через которую алюминий откачивают в вакуумный ковш.

По мере извлечения алюминия постепенно опускают анод и тща­тельно регулируют напряжение и межполюсное расстояние электро­лизера. Поскольку нижняя часть анода сгорает и он постепенно опускается, его необходимо наращивать в верхней части. В кожух анода систематически загружают анодную массу, которая постепенно кок­суется на горячем конусе анода за счет теплоты, выделяющейся из ванны. Токоподводящие стальные штыри постепенно опускаются с анодом и во избежание их расплавления и загрязнения алюминия железом в очередной последовательности они выдергиваются из тела анода и поднимаются на более высокий уровень, а в образовавшуюся полость затекает анодная масса и затем коксуется.