Производство

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием  алюмосиликатов. Для получения алюминия используют руды, богатые глиноземом Al₂O₃. Чаще всего применяют бокситы, в которых содержится: 40  60 % Аl₂О₃, 15  30 % Fe₂О₃, 5  15 % SiO₂, 2  4 % TiO₂ и 10  15 % гидратной влаги.

Технологический процесс производства алюминия состоит из трех этапов:

1) извлечение глинозема из алюминиевых руд,

2) электролиз рас­плавленного глинозема с получением первичного алюминия,

3) рафинирование первичного алюминия.

• Извлечение глинозема обычно производят щелочным способом, который может быть в двух вариантах: мокром и сухом.

При мокром методе бокситы сушат, измельчают и загружают в гер­метические автоклавы с концентрированной щелочью NaOH, где выдержива­ют в течение 2  3 ч при температуре 150  250 ^oС и давлении до 3 МПа. При этом протекают реакции взаимодействия гидрооксида алюминия с едким натром:

Аl₂О₃ + ЗН₂О + 2NaOH = Na₂O·Al₂O₃ + 4Н₂О.

Раствор алюмината натрия Na₂O·Al₂O в виде горячей пульпы идет на дальнейшую переработку.

Оксиды железа, титана и другие примеси, не растворяющиеся в щелочах, выпадают в осадок  шлам.

Кремнезем также взаимодействует со щелочью и образует силикат натрия:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂O·SiO₂ + 4Н₂О,

который, в свою очередь, взаимодействуя с алюминатом натрия, выпадает в осадок, образуя не­растворимое соединение  Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O.

Полученную пульпу фильтруют, разбавляют водой и сливается в отстой­ник, где из алюминатного раствора выпадает в осадок гидроксид алюми­ния:

Na₂O·Al₂O₃ + 4Н₂О = 2NaOH + 2А1(ОН)з .

Гидроксид алюминия фильтруют и прокаливают при температуре до 1200 °С в трубчатых вращающихся печах. В результате получается глинозем:

2А1(ОН)₃ = А1₂О₃ + ЗН₂О.

Сухой щелочной способ состоит в совместном прокаливании при температурах 1200  1300 °С смеси боксита, соды и извести. В результате образуется спек, в котором содержится водо­растворимый алюминат натрия:

Al₂O₃ + Na₂CO₃ = Na₂O·Al₂O₃ + СО₂.

Алюминат натрия выщелачивают из спека горячей водой и полученный раствор продувают углекислотой:

Na₂O·Al₂O₃ + ЗН₂О + СО₂ = 2А1(ОН)₃ +Na₂CO₃.

Осадок промывают и прокаливают, получая глинозем, как и в пред­ыдущем способе.

• Первичный алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в рас­плавленном криолите Na₃AlF₆. Криолит получают в результате взаимо­действия плавиковой кислоты HF с гидроксидом алюминия с последую­щей нейтрализацией содой:

6HF + A1(OH)₃=H₃A1F₆ + 3H₂O;

H₃AlF₆ + 3Na₂СО₃ = 2Na₃AlF₆1 + ЗН₂О + СО₂.

Э

Рис. 2.1. Схема электролизера для производства алюминия: 1  катодные угольные бло­ки;

2 огнеупорная футеровка; 3  стальной кожух; 4  уголь­ные плиты; 5  жидкий алюми­ний;

6  металлические стержни с шинами;

7  угольный анод; 8  глинозем; 9  жидкий элект­ролит; 10  корка затвердевшего электролита; 11  катодная токоподводящая шина;

12  фундамент

лектролиз осуществляют в алюминиевой ванне  электролизере (рис. 2.1). Ванна имеет стальной кожух 3 пря­моугольной формы, а ее стену и подину изготавливают из угольных блоков 4, теплоизолированных шамотным кирпичом 2. В футеровку по­дины вмонтированы стальные катодные шины 11, благодаря чему уголь­ный корпус ванны является катодом электролизера.

Анодами служат самообжигающиеся, вертикально расположенные угольные электроды 7, погруженные в расплав. При электролизе аноды постепенно сгорают и перемещаются вниз. По мере сгорания они наращиваются сверху жид­кой анодной массой, из которой при нагреве удаляются летучие и про­исходит ее коксование.

Электролит нагревается до рабочей температуры 930  950 ^оС. Глинозем, расходуемый в процессе электролиза, периоди­чески загружают в ванну сверху. Благодаря охлаждению воздухом на поверхности образуется корка электролита. На боковой поверхности ванны образуется затвердевающий слой электролита (гарнисаж) 10, пре­дохраняющий футеровку от разрушения и теплоизолирующий ванну.

При высокой температуре глинозем Аl₂О₃, растворенный в электролите, диссоциирует на ионы: А1₂О₃ = 2А1³⁺ +30^2- .На поверхности угольной подины, являющейся катодом, ионы алюминия восстанавливаются до металла:

2А1³⁺ + 6е = 2А1.

Кислородные ионы разряжаются на угольном аноде: 30 - 6е = 3/2 О₂, окисляют анод, образуя СО и СО₂, которые удаляются вентиля­ционными устройствами. По мере уменьшения содержания глинозема в электролите его пери­одически загружают в ванну электролизера. Жидкий алюминий скап­ливается на подине электролизера и периодически удаляется с помощью вакуумных ковшей.

Первичный алюминий, полученный в электролизной ванне, загряз­нен примесями Si, Fe, неметаллическими включениями и газами, преимущественно водородом, поэтому нуждается в очистке от них.

• Рафинирование первичного алюминия осуществляется либо хлорированием, либо электролитиче­ским способом. Более чистый алюминий получают электролитическим рафиниро­ванием, где электролитом являются безводные хлористые и фтористые соли. В расплавленном электролите алюминий подвергают анодному растворению и электролизу. Электролитическим рафинированием по­лучают алюминий чистотой до 99,996 %, потребляемый электрической, химической и пищевой промышленностью. Еще более чистый алюми­ний (99,9999 %) можно получить зонной плавкой. Этот способ дороже электролиза, мало производителен и применяется для изготовления небольших количеств металла в тех случаях, когда необходима особая чистота, например для производства полупроводников.

В ывод: Свойства металлов и сплавов определяются их составом и внутренним строением (структурой). Они могут быть изменены термической и химико-термической обработкой, термомеханической и др.