Электролиз расплавов

Для получения расплава глинозема, имеющего высокую темпера­туру плавления, добавляют до 8-10 % MgFy CaF^ и NaCl .Криолит по­лучают обычно или из отходящих газов суперфосфатных заводов или кислотньм способом из плавикового шпата, серной кислоты, гидроок­сида алюминия и кальцинированной соды. Он служит лишь наполните­лем электролита (его до 75 %) и представляется как сплав AlFy и NaF.

Криолито-тоиноземистый расплав можно рассматривать как ион­ный раствор. Под влиянием постоянного электрического тока напряже­нием 4-4,% В и силой до 150000 А глинозем и криолит диссоциируют на ионы

Анионы алюминия разряжаются на дне ванны 10 (рис. 33.), обра­зуя слой расплавленного алюминия 9, который периодически (один раз за трое-четверо суток) отсасывают вакуумным ковшом.

Кислород, соединяясь с углеродом анода, разогревает шихту 5, которая расположена на застывшей корке 4 электролита 8. Образую­щиеся оксиды углерода и другие газы отсасываются из электролизера.

Рис. 33. Электролизер:

1 - корпус; 2 - футеровка; 3, 6, 10- угольные блоки; 4 - застывший электролит; 5 - шихта; 7 и 11 - шины источника тока; 8 — электролит; 9 - алюминий

Сам электролизер, или алюминиевая ванна, состоит из стального корпуса 1, футерованного тепло- и электроизолирующим кирпичом 2, внутри выложен угольными блоками 3 и 10. К подовым блокам 10 под­соединен отрицательный полюс 11 источника тока, а положительный с помощью шин 7 - к угольным блокам 6. Температура электролита 8 поддерживается теплом протекающих реакций в пределах 950-970° С.

На производство 1 т алюминия-сырца требуется около 2 т глино­зема, 0,7 т анодной массы, 0,1 т криолита и других фторидов, 18 МВт-ч электроэнергии.

Рафинирование

Для удаления примесей алюминий, находящийся в ковше, в тече­ние 15 мин продувают хлором, который уносит из расплава неметалли­ческие и газовые включения. Готовый металл отстаивают в специаль­ных печах, а затем разливают в слитки. Чистота их достигает 99,5-99,85 %А1.

Для некоторых отраслей промышленности требуется алюминий высокой степени чистоты (свыше 99,996 % Al), что достигается допол­нительным рафинированием его различными методами. Наиболее рас­пространены электролитическое рафинирование и зонная плавка. В пер­вом случае процесс ведут в ваннах, футерованных магнезитовым кир­пичом при температуре 760-800° С. Электролит легкоплавкий. Он со­стоит из 60 % BaCl^ 23 %AIF^ и 17 % NaF. При расплавлении электро­лита и алюминия происходит дифференциация жидких компонентов по плотности и потенциалам: внизу (на угольной подине) располагается сплав алюминия с 25 % меди (плотность 3,% г/смЗ); над ним находится слой электролита (плотность 2,7), а выше третий слой (плотность жид­кого алюминия 2,3). Этот последний слой, в состав которого входят гра­фитовые электроды, образуется рафинированным алюминием. В про­цессе электролиза получают продукцию, степень чистоты которой дос­тигает 99,999 %.

Чтобы получить алюминий более высокой чистоты, которую тре­буют радиоэлектроника и ядерная энергетика, применяют дополнитель­ный переплав рафинированной продукции. Очень часто для этого при­меняют так называемую зонную плавку. Ее проводят под вакуумом в кварцевых трубках, которые охватываются кольцевым нагревателем (индуктором) с рабочей поверхностью длиной 10-20 мм. Рафинируемый алюминий отливают в виде прутиков диаметром 15-20 и длиной 250-300 мм, которые кладут в лодочки из графита и помещают в квар­цевые трубки. Индуктор передвигают вдоль прутка со скоростью по­рядка 1 мм/мин. С такой же скоростью перемещается расплавленная зона алюминия. Примеси, концентрируясь в расплаве, передвигаются к концу прутка, накапливаясь там. После 10-15 прогонов нагревателя прутки извлекают, их концы на длину 80-100 мм отрезают. Оставшаяся часть состоит из алюминия концентрацией 99,9999 %. Способ зонной плавки малопроизводителен и очень дорог, поэтому применяется лишь в исключительных случаях - для получения особо чистых металлов.