Рафинирование алюминия

Примеси значительно ухудшают механические, электрические и литейные свойства алюминия, а также снижают его коррозионную стойкость.

Для очистки от механических примесей и растворенных газов алюминий, извлеченный из электролизных ванн, перед разливкой хлорируют. Процесс ведут непосредственно в вакуум-ковшах, доставляемых из цеха электролиза. Для этого с вакуум-ковша снимают крышку и помещают его под специальный колпак, оборудованный отсосом газов. Затем в ковш вводят трубку, по которой подают газообразный хлор. Хлорирование продолжается 10-15 мин. При этом на поверхность металла всплывают взвешенные неметаллические примеси, хлорируется водород и некоторые металлические примеси. Всплывший на поверхность продукт снимают дырчатыми ложками.

После обработки хлором алюминий из вакуум-ковшей сливается в отражательные электрические печи емкостью до 25 т. Назначение этой операции: а) дополнительно очистить металл от неметаллических примесей за счет длительного отстаивания; б) усреднить состав получаемого металла путем смешения алюминия из различных ванн. После выдержки и усреднения состава в электрических печах алюминий отливают в слитки.

Согласно ГОСТу получают алюминий трех групп чистоты:

I особой чистоты – А999 (≥99,999% Al);

II высокой чистоты – А 995,99,97,95 (≥99,995% Al, 99,99% Al, 99,97% Al, 99,95% Al соответственно);

III технической чистоты – А85 (≥99,85% Al).

Полученный электролитическим способом алюминий относится к алюминию технической чистоты. Предприятия обычно выпускают более 80% алюминия марки А85. Для получения алюминия высокой и особой чистоты требуется его дополнительное рафинирование.

Получение алюминия высокой чистоты осуществляется методом электролитического рафинирования по трехслойному способу (рисунок 27).

В этом процессе анодом является расплав загрязненного алюминия (нижний слой), катодом – очищенный алюминий, между ними располагается слой электролита, состоящего из смеси хлористого бария с фторидами алюминия и натрия.

Процесс рафинирования проводят при температуре 780-810 ^ºС. При этой температуре плотность чистого алюминия составляет 2300 кг/м³, а электролита 2700 кг/м³. Следовательно, очищенный алюминий будет образовывать самостоятельный слой над электролитом. Для удержания загрязненного алюминия на дне электролизера (под слоем электролита) его нужно утяжелить. Для получения утяжеленного расплава с плотностью не менее 3200 кг/м³ к рафинируемому металлу добавляют до 30-40% меди или свинца.

При электролитическом трехслойном рафинировании алюминия более электроположительные примеси железа, кремния, меди и др. остаются и накапливаются в анодном сплаве, а более электроотрицательные, пока в электролите имеются ионы Аl, переходят в электролит.

1-токоподвод к аноду; 2-угольная футеровка; 3-анодный сплав; 4-электролит; 5-рафинированный алюминий; 6-графитированный электрод

Рисунок 27 – Электролизер для рафинирования алюминия по трехслойному методу

В процессе электролиза содержание алюминия в анодном сплаве непрерывно снижается, а количество катодного металла увеличивается. Для поддержания нормального режима работы рафинированного электролизера в анодный сплав вводят новые порции алюминия технической чистоты.

Подачу жидкого загрязненного алюминия в него производят периодически через загрузочный карман, а накапливающийся на поверхности расплава катодный металл вычерпывают из ванны и разливают в слитки. Во избежание чрезмерного накопления примесей в анодном сплаве и электролите их периодически заменяют.

Трехслойный метод рафинирования - процесс дорогой и поэтому имеет ограниченное применение. При его осуществлении на 1 т алюминия расходуется 17500-18500 кВт·ч электроэнергии.

Получение алюминия особой чистоты (до 99,9999% Al) можно осуществить методом зонной перекристаллизации (зонной плавкой). В основе метода лежит неодинаковое распределение примесей между жидкой и твердой фазами при частичном расплавлении. При рафинировании алюминия примеси в основном переходят в расплавленную часть.

При зонной плавке слиток алюминия высокой чистоты диаметром до 350 мм, очищенный от окисной пленки, помещают в графитовую лодочку и затем в кварцевую трубку. Внутри трубки создается вакуум (≤ 0,01 Па).Снаружи вдоль трубки со скоростью 1 см/мин передвигают кольцевой нагреватель, с помощью которого создается узкая расплавленная зона в 20-30 мм (рисунок 28).

1-лодочка; 2-кварцевая трубка; 3-кольцевой индукционный нагреватель; 4-расплавленная зона; 5-слиток

Рисунок 28 – Схема зонной плавки с подвижным тиглем

Обычно в одном направлении производят до 10-15 проходов. В результате этого по мере продвижения расплавленной зоны происходит её обогащение примесями, а содержание примесей в слитке уменьшается. После удаления обогащенной примесями части слитка получают слиток металла особой чистоты длиной 200-250 мм. Зонная плавка является очень дорогим способом рафинирования металла.

С целью удешевления процесса рафинирования алюминия были разработаны другие способы.

Для получения алюминия чистотой 99,9995% разработан процесс рафинирования с помощью субсоединений, содержащих одновалентный алюминий (АlСl, А1F и др.). Эти соединения отличаются высокой летучестью.

Процесс ведут примерно при 1000 °С. Он основан на возгонке субсоединений, образующихся при воздействии на загрязненный алюминий, например хлористым алюминием AlCl₃.

При охлаждении до 700-800 ^ºС субсоединения разлагаются на алюминий и его хлорид. Примеси при этом остаются в остатке рафинирования. Процесс рафинирования субсоединениями может быть описан обратимой реакцией:

2Al + AlCl₃ ↔ 3 AlCl.

После рафинирования алюминий разливают в чушки или вайербарсы.

Разработан ещё один способ рафинирования, применяемый, главным образом, для дюралюминия. Это – магниевый способ рафинирования. Дюралюминий сплавляют с 25-30% Mg. Железо в таком сплаве выделяется в виде кристаллов AlFe₃ и оседает на дне ванны. Соединения кремния, наоборот, всплывают на поверхность. Сплав фильтруют, и затем магний отгоняют в индукционных вакуумных печах.