Производство алюминия

Алюминий — легкий металл, обладает высокой пластич­ностью, хорошей электропроводностью, стойкостью против азотной и органических кислот, однако разрушается щелочами, соляной и серной кислотами; на воздухе он устойчив против коррозии, так как на поверхности его имеется плотная оксидная пленка, изолирующая внутренние слои от действия атмосферы.

Рудами алюминия служат породы, богатые глиноземом А1₂0₃ и залегающие крупными массами на поверхности земли. К таким породам относятся бокситы, нефелины, алуниты и каолины (глины). Важнейшая алюминиевая руда — бокситы — состоит из гидрокси-дов алюминия и железа, кремнезема, соединений кальция, магния и др. В качестве руд применяют также нефелины и алуниты. Произ­водство алюминия складывается из двух основных процессов: полу­чения глинозема из руды и электролиза глинозема.

Производство глинозема. Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электротермическим.

Наибольшее распространение получил мокрый щелочной способ К. И. Байера, применяемый для переработки высокосортных бокси­тов с небольшим массовым содержанием (до 5—6 %) кремнезема. По этому способу боксит после дробления и размола выщелачивают концентрированным раствором гидроксида натрия в автоклавах (стальных герметических сосудах) при температуре 250 °С и давлении 2500—3000 кПа. Автоклавы обогревают перегретым паром.

Гидроксид алюминия из бокситов при таких условиях быстро и достаточно полно растворяется с образованием алюмината натрия

Аl(ОН)₃ + NaOH → NaA10₂ + 2Н₂0.

Кремнезем, содержащийся в боксите, также растворяется гидроксидом натрия с образованием силиката натрия Na₂Si0₃, который реагирует с алюминатом натрия и водой, в результате чего полу­чается натриевый алюмосиликат Na₂0-Al₂0₃-2Si0₂-nH₂0, выпада­ющий в осадок. Поэтому, чем больше кремнезема в боксите, тем меньше извлечение глинозема в раствор.

Разложение алюминатного раствора для получения кристалли­ческого гидроксида алюминия называют выкручиванием. Выкручи­вание производят в баках, куда для ускорения процесса вводят не­большое количество гидроксида, играющего роль затравки (центров кристаллизации). Реакция гидролиза идет в разбавленных водой растворах при медленном перемешивании пульпы

NaA10₂ + 2Н₂0 → А1(ОН)₃ + NaOH.

Длительность выкручивания 75—90 ч. Кристаллический гидро­ксид после промывки фильтруют и обжигают (кальцинируют) для полного обезвоживания в трубчатых вращающихся печах длиной до 70 м при постепенном нагревании гидроксида до 1200 °С. Получен­ный глинозем А1₂0₃ охлаждается и направляется затем для электро­лиза. На 1 т глинозема расходуется около 2, 5 т боксита, до 200 кр гидроксида натрия и до 120 кг извести, применяемой для регенера­ции гидроксида натрия.

По сухому щелочному способу, разработанному под руководством А. А. Яковкина, для бокситов с повышенным массовым содержанием кремнезема руду и известняк после дробления смешивают с содой Na₂C0₃ и спекают при температуре 1200—1300 °С в барабанных вращающихся печах. В результате получаются окатыши спека, содержащие метаалюминат натрия Na₂0-Al₂0₃, а также нераствори­мые в воде двухкальциевый силикат (Ca0)₂-Si0₂, метаферрит натрия Na₂0Fe₂0₃ и другие соединения.

Далее спек выщелачивают содовым раствором, в результате алю­минат натрия переходит в раствор. Для выделения гидроксида алю­миния алюминитный раствор разлагают методом карбонизации, для чего через него пропускают печные газы, содержащие диоксид углерода:

Na₂0 · А1₂0₃ + С0₂ + ЗН₂0 → 2А1(ОН)₃ + Na₂C0₃.

Кристаллический гидроксид алюминия подвергают кальцинации и получают глинозем. Раствор соды идет на выщелачивание или вы­паривание для получения соды.

Для получения глинозема из нефелина его спекают только с из­вестняком, сода не нужна, так как в нефелине содержится до 20 % Na₂0 + К₂0. Схема получения глинозема из нефелинового спека аналогична рассмотренной.

Известково-кремнистый шлам, выпадающий при выщелачивании нефелинового спека, используют для производства цемента. После карбонизации в растворах содержится много оксидов натрия и ка­лия; их используют для получения поташа и соды.

Электролиз глинозема. Алюминий получают при электролизе
глинозема, растворенного в криолите (Na₂AlF₆). Электролизная
ванна (рис. 19) имеет стальной кожух 4, выложенный изнутри шамот­ным кирпичом 5. Подина и сте­ны 6 ванны составлены из угле­родистых блоков, к которым
подведены катодные шины 7. Углеродистые аноды 3 самооб­жигающиеся: по мере сгора­ния они опускаются и нара­щиваются сверху за счет жидкой анодной массы 2 _У из кото­рой по мере нагрева испаряются летучие вещества и происхо­дит коксование (обжиг) анод­
ной массы. Ток к анодам под-
водится штырями 1.

Рис. 19

В расплаве 8 криолита и глинозема массовое содержание послед­него поддерживается в пределах 8—10 %: его уменьшение от элек­тролиза периодически пополняется загрузкой новых порций.

Потенциал электролитической диссоциации глинозема (1, 7 В) меньше, чем криолита (3, 7 В). Глинозем диссоциирует на ионы

А1₂0₃ → 2А1³⁺ + З О ^-2

Ионы алюминия переносят ток к катоду и осаждаются на нем.. Ионы кислорода разряжаются на аноде. Выделяющийся кислород сжигает углерод анода с образованием СО и С0₂. Электролит сверху и с боков изолирован твердой коркой, уменьшающей теплопотери и испарение электролита. Напряжение тока в ванне 4—4, 3 В, сила тока до 140 000 А. Для получения 1 кг алюминия расходуется 60— 70 МДж электроэнергии и около 2 кг глинозема. Накапливающийся на подине ванны жидкий алюминий периодически (каждые 1 —2 сут) отбирают сифоном или вакуум-ковшом.

Полученный алюминий подвергают последующему рафинирова­нию путем дополнительного электролитического процесса, при кото­ром анодом является исходный жидкий алюминий, а катодом — рафинированный алюминий (тоже жидкий). К исходному алюминию добавляют 25 % Си, чтобы увеличить плотность сплава до 3, 5 г/см³; сплав располагается на подине ванны. Поверх рафинируемого ме­талла находится электролит, состоящий из смеси солей ВаС1₂ (60 %), A1F₃ (23 %) и NaF (17 %) и имеющий плотность 2, 7 г/см³. Рафини­рованный алюминий выделяется у катодов верхним, третьим, слоем, он имеет плотность 2, 3 г/см³.

Качество алюминия определяется степенью его чистоты. ГОСТ 11069—74* установлены марки от АО (99, 0 % А1) до А999 (99, 999 % А1). Алюминий первичный поставляется в чушках или слитках массой до 1000 кг. Из первичного алюминия изготовляют фасонные прессованные и прокатные профили: полосы, уголки, швеллеры, тавры, прутки, проволоку, трубы, ленты, листы, плиты, фольгу; изготовляют также порошок, пудру.

Алюминий для раскисления стали, производства ферросплавов, металлотермии выпускают марок от АВ86 до АВ97 (ГОСТ 295—79 Е), где цифры указывают массовое содержание алюминия в процентах. Алюминий является также ком­понентом для получения многих сплавов.