3. Получение алюминия

Получение алюминия это электролиз раствора глинозема Al₂O₃, получаемого из алюминиевых руд, в расплаве криолита Na₃AlF₆ c получением алюминия – сырца; очистка (рафинирование) сырца от примесей.

Основное сырье для получения алюминия (Al) - алюминиевые руды, в первую очередь бокситы. В бокситах алюминий содержится в виде гидроокисей Al(OH)₃, AlOOH, Al₂O₃ и каолинита Al₂O₃2SiO₂2H₂O.

Рис. 2.8. Схема электролитического способа производства алюминия

Наиболее распространенным способом извлечения Al из руды является щелочной способ, с помощью которого получается глинозем (Al₂O₃) (см. схему на рис. 2.8).

Способ состоит из следующих операций [2]:

1. Дробление боксита в мельницах.

2. Выщелачивание боксита, которое заключается в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи:

AlOOH+NaOH=NaAlO₂+H₂O или Al(OH)₃+NaOH=NaAlO₂+2H₂O.

Содержащийся в боксите кремнезем также взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:

SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O.

В растворе алюминат натрия NaAlO₂ и силикат натрия Na₂SiO₃ образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы Ti и Fe, придающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом.

3. Отделение алюминиевого раствора от красного шлама.

4. Разложение алюминиевого раствора происходит самопроизвольно с выделением кристаллической гидроокиси Al:

Na₂OAl₂O₃+4H₂O=Al(OH)₃+2NaOH.

5. Выделение осадка 50...60% частиц гидроокиси алюминия Al(OH)₃. Это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах.

6. Обезвоживание Al(OH)₃ осуществляют в трубчатых вращающихся печах при температуре (1150...1200)С.

При нагреве происходят следующие структурные превращения:

Al(OH)3		AlОOH		 Al2O3		 Al2O3.
	200С		950С		1200С

Сырьем для производства криолита Na₃AlF₆ являются обогащенный плавиковый шпат (95% CaF₂), серная кислота, гидрат окиси алюминия и кальцинированная сода.

Процесс протекает в две стадии:

1. Получение из плавикового шпата фтористого водорода, а затем плавиковой кислоты HF.

2. Получение солей плавиковой кислоты (криолита). В раствор плавиковой кислоты вводят гидроокись алюминия:

6HF+Al(OH)₃=H₃AlF₆+3H₂O.

В результате реакции образуется фтороалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой, получают криолит, выпадающий в осадок:

2H₃AlF₆+3Na₂CO₃=2Na₃AlF₆+3CO₂+3H₂O.

Рис. 2.9. Схема электролиза при получении алюминия

Алюминий получают путем электролиза раствора окиси алюминия (глинозема) в расплавленном криолите, который проводят в специальной ванне, оборудованной катодным и анодным устройствами (рис. 2.9). Катодом служит расплавленный алюминий находящийся на дне ванны слоем 250...300мм. Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит, содержащий криролит, 8...10% глинозема, а также AlF₃ и NaF.

Алюминий-сырец, образующийся в результате электролиза, собирается на дне ванны под слоем электролита. Извлекают Al из ванны через 2...4 суток, используя вакуум-ковш. В алюминии-сырце содержатся металлические (Fe, Cu, Zn) и неметаллические примеси, а также газы, которые удаляют рафинированием.