Как делают алюминий


Алюминий, производство алюминия: технология, процесс и описание

Алюминий обладает массой свойств, которые делают его одним из самых используемых материалов в мире. Он широко распространен в природе, занимая среди металлов первое место. Казалось бы, и трудностей с его производством быть не должно. Но высокая химическая активность металла приводит к тому, что в чистом виде его не встретить, а производить – сложно, энергоемко и затратно.

Сырье для производства

Из какого сырья получают алюминий? Производство алюминия из всех минералов, его содержащих, дорого и нерентабельно. Добывают его из бокситов, которые содержат до 50% оксидов алюминия и залегают прямо на поверхности земли значительными массами.

Эти алюминиевые руды имеют достаточно сложный химический состав. Они содержат глиноземы в количестве 30-70% от общей массы, кремнеземы, которых может быть до 20%,окись железа в пределах от 2 до 50%, титан (до 10%).

Глиноземы, а это окись алюминия и есть, состоят из гидроокисей, корунда и каолинита.

В последнее время окиси алюминия стали получать из нефелинов, которые содержат еще и окиси натрия, калия, кремния, и алунитов.

Для производства 1 т чистого алюминия нужно около двух тонн глинозема, который, в свою очередь, получают из примерно 4,5 т боксита.

Запасы бокситов в мире ограничены. На всем земном шаре всего семь районов с его богатыми залежами. Это Гвинея в Африке, Бразилия, Венесуэла и Суринам в Южной Америке, Ямайка в Карибском регионе, Австралия, Индия, Китай, Греция и Турция в Средиземноморье и Россия.

В странах, где есть богатые месторождения бокситов, может быть развито и производство алюминия. Россия добывает бокситы на Урале, в Алтайском и Красноярском краях, в одном из районов Ленинградской области, нефелин - на Кольском полуострове.

Самые богатые месторождения принадлежат именно российской объединенной компании UC RUSAL. За ней идут гиганты Rio Tinto (Англия-Австралия), объединившийся с канадской Alcan и CVRD. На четвертом месте находится компания Chalco из Китая, затем американо-австралийская корпорация Alcoa, которые являются и крупными производителями алюминия.

Зарождение производства

Датский физик Эрстед выделил первым алюминий в свободном виде в 1825 году. Химическая реакция проходила с хлоридом алюминия и амальгамой калия, вместо которой спустя два года немецкий химик Велер использовал металлический калий.

Калий – материал достаточно дорогой, поэтому в промышленном производстве алюминия француз Сент-Клер Девиль вместо калия в 1854 году использовал натрий, элемент значительно более дешевый, и стойкий двойной хлорид алюминия и натрия.

Русский ученый Н. Н. Бекетов смог вытеснить алюминий из расплавленного криолита магнием. В конце восьмидесятых годов того же века эту химическую реакцию использовали немцы на первом алюминиевом заводе. Во второй половине XVIII века было получено около химическими способами 20 т чистого металла. Это был очень дорогой алюминий.

Производство алюминия с помощью электролиза зародилось в 1886 году, когда одновременно были поданы практически одинаковые патентные заявки основоположниками этого способа американским ученым Холлом и французом Эру. Они предложили растворять глинозем в расплавленном криолите, а затем электролизом получать алюминий.

С этого и началась алюминие­вая промышленность, ставшая за более чем вековую историю одной из самых крупных отраслей металлургии.

Основные этапы технологии производства

В общих чертах технология производства алюминия не изменилась с момента создания.

Процесс состоит из трех стадий. На первой из алюминиевых руд, будь это бокситы или нефелины, получают глинозем – окись алюминия Al2O3 .

Затем из окиси выделяют промышленный алюминий со степенью очистки 99,5 % , которой для некоторых целей бывает недостаточно.

Поэтому на последней стадии рафинируют алюминий. Производство алюминия завершается его очисткой до 99,99 %.

Получение глинозема

Существует три способа получения окиси алюминия из руд:

- кислотный;

- электролитический;

- щелочной.

Последний способ - наиболее распространенный, разработанный еще в том же XVIII веке, но с тех пор неоднократно доработанный и существенно улучшенный, применяется для переработки бокситов высоких сортов. Так получают около 85 % глиноземов.

Сущность щелочного способа заключается в том, что алюминиевые растворы с большой скоростью разлагаются, когда в них вводится гидроокись алюминия. Оставшийся после реакции раствор выпаривается при высокой температуре около 170° С и опять используется для растворения глинозема;

Сначала боксит дробится и измельчается в мельницах с едкой щелочью и известью, затем в автоклавах при температурах до 250°С происходит его химическое разложение и образовывается алюминат натрия, который разбавляют щелочным раствором уже при более низкой температуре – всего 100° С. Алюминатный раствор промывается в специальных сгустителях, отделяется от шлама. Затем происходит его разложение. Через фильтры раствор перекачивают в емкости с мешалками для постоянного перемешивания состава, в который для затравки добавлена твердая гидроокись алюминия.

В гидроциклонах и вакуум-фильтрах выделяется гидроокись алюминия, часть которой возвращается в качестве затравочного материала, а часть идет на кальцинацию. Фильтрат, оставшийся после отделения гидроокиси, тоже возвращается в оборот для выщелачивания следующей партии бокситов.

Процесс кальцинации (обезвоживания) гидроокиси во вращающихся печах происходит при температурах до 1300° С.

Для получения двух тонн окиси алюминия расходуется 8,4 кВт*ч электроэнергии.

Прочное химическое соединение, температура плавления которого 2050° С, это еще не алюминий. Производство алюминия впереди.

Электролиз окиси алюминия

Основным оборудованием для электролиза является специальная ванна, футерованная углеродистыми блоками. К ней подводят электрический ток. В ванну погружаются угольные аноды, сгорающие при выделении из окиси чистого кислорода и образующие окись и двуокись улглерода. Ванны, или электрилизеры, как их называют специалисты, включаются в электрическую цепь последовательно, образуя серию. Сила тока при этом составляет 150 тысяч ампер.

Аноды могут быть двух типов: обожженные из больших угольных блоков, масса которых может быть больше тонны и самообжигающиеся, состоящие из угольных брикетов в алюминиевой оболочке, которые спекаются в процессе электролиза под действием высоких температур.

Рабочее напряжение на ванне обычно составляет около 5 вольт. Оно учитывает и напряжение, необходимое для разложения окиси, и неизбежные потери в разветвленной сети.

Из растворенной в расплаве на основе криолита окиси алюминия жидкий металл, который тяжелее солей электролита, оседает на угольном основании ванны. Его периодически откачивают.

Процесс производства алюминия требует больших затрат электроэнергии. Чтобы получить одну тонну алюминия из глинозема, нужно израсходовать около 13,5 тысяч кВт*ч электроэнергии постоянного тока. Поэтому еще одним условием создания крупных производственных центров является работающая рядом мощная электростанция.

Рафинация алюминия

Наиболее известный метод – это трехслойный электролиз. Он также проходит в электролизных ваннах с угольными подинами, футерованных магнезитом. Анодом в процессе служит сам расплавленный металл, который подвергается очистке. Он располагается в нижнем слое на токопроводящей подине. Чистый алюминий, который из электролита растворяется в анодном слое, понимается вверх и служит катодом. Ток к нему подводится с помощью графитового электрода.

Электролит в промежуточном слое – это фториды алюминия или чистые или с добавлением натрия и хлорида бария. Нагревается он до температуры 800°С.

Расход электроэнергии при трехслойном рафинировании составляет 20 кВт*ч на один кг металла, то есть на одну тонну нужно 20 тысяч кВт*ч. Вот почему, как ни одно производство металлов, алюминий требует наличия не просто источника электроэнергии, а крупной электростанции в непосредственной близости.

В рафинированном алюминии в очень малых количествах содержатся железо, кремний, медь, цинк, титан и магний.

После рафинирования алюминий перерабатывается в товарную продукцию. Это и слитки, и проволока, и лист, и чушки.

Продукты сегрегации, полученные в результате рафинирования, частично, в виде твердого осадка, используются для раскисления, а частично отходят в виде щелочного раствора.

Абсолютно чистый алюминий получают при последующей зонной плавке металла в инертном газе или вакууме. Примечательной его характеристикой является высокая электропроводность при криогенных температурах.

Переработка вторичного сырья

Четверть общей потребности в алюминии удовлетворяется вторичной переработкой сырья. Из продуктов вторичной переработке льется фасонное литье.

Предварительно отсортированное сырье переплавляется в пороговой печи. В ней остаются металлы, имеющие более высокую температуру плавления, чем алюминий, например, никель и железо. Из расплавленного алюминия продувкой хлором или азотом удаляются различные неметаллические включения.

Более легкоплавкие металлические примеси удаляются присадками магния, цинка или ртути и вакуумированием. Магний удаляется из расплава хлором.

Заданный литейный сплав получают, введя добавки, которые определяются составом расплавленного алюминия.

Центры производства алюминия

По объемам потребления алюминия КНР занимает первое место, оставляя далеко позади находящиеся на втором месте США и обладательницу третьего места Германию.

Китай – это и страна производства алюминия, с огромным отрывом лидирующая в этой области.

В десятку лучших, кроме КНР, входят Россия, Канада, ОАЭ, Индия, США, Австралия, Норвегия, Бразилия и Бахрейн.

В России монополистом в производстве глинозема и алюминия является объединенная компания RUSAL. Она производит до 4 млн т алюминия в год и экспортирует продукцию в семьдесят стран, а присутствует на пяти континентах в семнадцати странах.

Американской компании Alcoa в России принадлежат два металлургических завода.

Крупнейший производитель алюминия в Китае – компания Chalco. В отличие от зарубежных конкурентов, все ее активы сосредоточены в родной стране.

Подразделение Hydro Aluminium норвежской компании Norsk Hydro владеет алюминиевыми заводами в Норвегии, Германии, Словакии, Канаде, и Австралии.

Австралийская BHP Billiton владеет производством алюминия в Австралии, Южной Африке и Южной Америке.

В Бахрейне находится Alba (Aluminium Bahrain B. S. C.) – едва ли не самое крупное производство. Алюминий этого производителя занимает более 2 % общего объема «крылатого» металла, выпускаемого в мире.

Итак, подводя итоги, можно сказать, что главными производителями алюминия являются международные компании, владеющие запасами бокситов. А сам исключительно энергоемкий процесс состоит из получения глинозема из алюминиевых руд, производства фтористых солей, к которым относится криолит, углеродистой анодной массы и угольных анодных, катодных, футеровочных материалов, и собственно электролитического производства чистого металла, которое является главной составляющей металлургии алюминия.

Особенности производства алюминия: расчет сырья и технология добычи

Алюминий представляет собой химический элемент, который занимает лидирующую позицию среди самых распространенных металлов в земной коре, а также наиболее часто используемых. Его содержание в земле приравнивается к 9%. Встречается только в виде соединений, представленных оксидом алюминия или глиноземом. Именно в глине содержится около 30% такого оксида.

Данный металл выгодно отличается среди остальных видов благодаря своим свойствам. А это – отличная пластичность, высокие коэффициенты тепло- и электропроводности, небольшая плотность. Данная статья расскажет вам о технологиях производства и добычи алюминия и его сплавов в мире, а также о важных факторах таких мероприятий.

Для того чтобы добывать глинозем в природных условиях, а затем извлекать из него алюминий, потребуется достаточно большое количество оборудования:

  • Машины для проведения раздачи глинозема;
  • Катодная ошиновка;
  • Установка по газоочистки сухим методом;
  • Электролизер;
  • Краны монтажного, линейного и технического назначения;
  • Оборудование, необходимое для литейного и анодно-монтажного цехов.

Для производства алюминия необходимо не только большое количество оборудования, но и помещение достаточно большой площади, а также мощная электросеть.

Дело в том, что процесс электролиза происходит в специальных ваннах при температуре 9600С и силе тока около 250000 А.

Для организации такого производственного процесса потребуется огромное количество электроэнергии, именно поэтому крупные производители этого металла стараются располагать свои цеха в непосредственной близости от гидроэлектростанций, поставляющих более дешевую энергию. Далее рассмотрено сырье для производства алюминия.

В видео ниже рассказано о производстве алюминия:

Для того чтобы получить алюминий, необходимо в электролизер загрузить анодную массу, глинозем, а также фторсоль. Во время действия электролиза из глины получается окислы углерода, а также фтористые соединения в газообразном состоянии. При этом часть анодной массы расходуется в виде пены, которая снимается с поверхности самого электролита.

Чрезмерный расход анодной массы, а также фтористых солей может свидетельствовать о низком качестве самой массы, а также о неправильном обслуживании использованного оборудования.

В теории для получения 1 кг алюминия потребуется 1,9 кг глинозема. Остальная его часть включает в себя всевозможные примеси и потери в процессе производства. Однако на практике сырья может потребоваться гораздо больше, в зависимости от типа глины, используемого оборудования и прочих факторов.

Далее рассмотрена технология литья, производства сварки алюминия аргоном.

Технологии производства алюминия

Технология производства (получения) алюминия включает в себя следующие стадии:

  1. Добыча глинозема (окись алюминия) из алюминиевых руд.
  2. Выделение из окиси алюминия.
  3. Полная очистка алюминия.

Получить глинозем можно при помощи кислотного, щелочного и электролитического способа. Первый вариант предпочтительнее использовать при работе с высокими сортами сырья. Второй способ подразумевает быстрое разложение алюминиевого раствора путем введения алюминиевой гидроокиси. Образовавшийся после такой реакции раствор подвергается выпариванию с целью последующего использования для глинозема.

Первым этапом добычи алюминия является тщательное дробление боксита с применением едкой щелочи или извести. Затем происходит помещение сырья в автоклавы, где при температуре 250°С происходит его разложение и выделение алюмината натрия. Получившийся натриевый раствор проходит этап очистки в специальных сгустителях, где он отделяется от шлама. Очищенный раствор прогоняется через фильтры и направляется в емкости с регулярным помешиванием.

В вакуумных фильтрах и циклонах происходит выделение окиси алюминия, часть которой используется для затравки, а остальное количество направляется на кальцинацию. Это процесс также называется обезвоживанием и происходит при температуре около 1300°С. В среднем для получения 2 т окиси потребуется энергии до 8,5 кВт/ч. получившееся достаточно прочное соединение еще не является чистым алюминием.

Про процесс электролиза в производстве алюминия расскажет этот видеоролик:

Главным оборудованием на данном этапе является специальная ванна (электролизер), оснащена углеродистыми блоками. К ней организуют подведение электрического тока мощностью до 150000 А, а в саму емкость загружают угольные аноды, которые сгорают после выделения чистого кислорода и образовывают окись углерода.

Аноды подразделяются на два вида:

  • Полученные путем обжига угольных блоков, масса которых может превышать 1 т.
  • Самообжигающиеся, включающие в себя угольные брикеты, распекающиеся при электролизе.

Рафинация металла

Наиболее популярным методом получения алюминия является трехслойный электролиз, который проходит в специальных ваннах, футерованных магнезитом. В качестве анода выступает непосредственно сам расплавленный алюминий. Он находится в самом нижнем слое.

Чистый же металл, который растворяется в анодном слое благодаря процессу электролита, поднимается на поверхность выступая катодом. Рафинированный алюминий в минимальном соотношении содержит магний, титан и прочие примеси. И уже на данном этапе получает вид товарной продукции, будь-то слитки, чушки или проволока.

Про Россию и другие страны с заводами по добыче-производству алюминия читайте ниже.

Наиболее крупным производителем алюминия является компания «Русал», которая производит более 4 млн. т алюминия в год. Также в список крупнейших производителей алюминия в России входят:

  • Компания «СУАЛ», специализирующаяся на работе с алюминиевыми сплавами;
  • АО «БАЗ», работающее на производстве и добыче глинозема и гидрооксида алюминия;
  • ВгАЗ, завод по производству первичного алюминия.

Производство алюминия представляет собой сложный процесс, требующий необходимого оборудования, знания технологии, соблюдения особых условий и трудовых затрат. Зато изготовление различных изделий из алюминия — дело популярное.

О перспективах производства алюминия расскажет это видео:

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями в социальных сетях:

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

И подписывайтесь на обновления сайта в Контакте, Одноклассниках, Facebook, Google Plus или Twitter.

Статьи

Из бокситов надо прежде всего извлечь окись алюминия. У окиси алюминия есть еще и другое название – глинозем.

Некоторые виды глинозема вы знаете. Например, наждак, которым чистят ножи. Это крупинки на редкость твердого камня – корунда. Им пользуются, чтобы натачивать стальные инструменты, ножи. А корунд – это глинозем, окись алюминия.

Добывать из бокситов глинозем – сложный и долгий труд. Его выполняют в химических цехах алюминиевых заводов. Но добыть глинозем – это только полдела. Чтобы получить алюминий, надо еще выгнать из глинозема кислород. Для этого высыпают в сделанные из графита ванны расплав глинозема и пропускают сквозь него сильный электрический ток. Тока нужно очень много. Поэтому заводы для получения алюминия строят всегда около мощных электростанций.

Одна весьма сомнительная ле­генда рассказывает, что од­нажды к римскому императору Тиберию (42 г. до н. э. — 37 г. н. э.) пришел человек с металли­ческой, небьющейся чашей. Ма­териал чаши якобы был получен из глинозема (Al2O3) и, следова­тельно, должен был предста­влять собой алюминий. Опа­саясь, что такой металл из глины может обесценить золото и серебро, Тиберий на всякий случай приказал отрубить чело­веку голову. Разумеется, этому рассказу трудно поверить: само­родный алюминий в природе не встречается, а во времена Рим­ской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюми­ний из его соединений.

По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов; его содержание в земной коре составляет 7,45%. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов. В чистом виде алюминий не встречается вследствие своей высокой химической активности. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием – алюмосиликатов.

Рудами алюминия могут служить лишь породы, богатые глиноземом (Al2O3) и залегающие крупными массами на поверхности земли. К таким породам относятся бокситы, нефелины — (Na, K)2O ? Al2O 3 ? 2SiO2, алуниты — (Na, K)2SO4 ? Al2(SO4)3 ? 4Al(OH)3 и каолины (глины), полевой шпат (ортоклаз) — K2O ? Al2O3 ? 6SiO2.

Основной рудой для получения алюминия являются бокситы. Алюминий в них содержится в виде гидроокисей Al(OH), AlOOH, корунда Al2O3 и каолинита Al2O3 ? 2SiO2 ? 2h3O. Химический состав бокситов сложен: 28-70% глинозема; 0,5-20% кремнезема; 2-50% окиси железа; 0,1-10% окиси титана. В последнее время в качестве руды стали применять нефелины и алуниты.

Крупные месторождения бокситов находятся на Урале, в Тихвинском районе Ленинградской области, в Алтайском и Красноярском краях.

Нефелин (K ? Na2O ? Al2O3 ? 2SiO2) входит в состав апатитонефелиновых пород (на Кольском полуострове).

Впервые в свободном виде алюминий был выделен в 1825 г. датским физиком Эрстедом путем воздействия амальгамы калия на хлорид алюминия. В 1827г. немецкий химик Велер усовершенствовал способ Эрстеда, заменив амальгаму калия металлическим калием: AlCl3 + 3K > 3KCl + Al (Реакция протекает с выделением тепла).

В 1854 г. Сент-Клер Девиль во Франции впер­вые применил способ Велера для промышленного производства алюминия, ис­пользовав вместо калия более дешевый натрий, а вместо гигроскопичного хло­рида алюминия — более стойкий двойной хлорид алюминия и натрия. В 1865 г. русский физико-химик Н. Н. Бекетов показал возможность вытеснения алюми­ния магнием из расплавленного криолита. Эта реакция в 1888 г. была исполь­зована для производства алюминия на первом немецком заводе в Гмелингене. Производство алюминия этими так называемыми «химическими» способами осу­ществлялось с 1854 г. по 1890 г. В течение 35 лет с помощью этих способов, было получено в общей сложности около 20 т алюминия.

В конце 80-х годов позапрошлого столетия химические способы вытеснил электролитический способ, который позволил резко снизить стоимость алюминия и создал предпосылки к быстрому развитию алюминиевой промышленности. Основоположники современного электролитического способа производства алюминия Эру во Франции и Холл в США независимо друг от друга подали в 1886 г. почти аналогичные заявки на патентование способа получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите. С мо­мента появления патентов Эру и Холла и начинается современная алюминие­вая промышленность, которая более чем за 115 лет своего существования вы­росла в одну из крупнейших отраслей металлургии.

Технологический процесс получения алюминия состоит из трех основных стадий:

1). Получение глинозема (Al2O3) из алюминиевых руд;

2). Получение алюминия из глинозема;

3). Рафинирование алюминия.

Получение глинозема из руд.

Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электролитическим. Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5-6%) кремнезема). С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рис. 1.

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169-170оС может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1). Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al2O3; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2). Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230-250°С (500-520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlOOH+NaOH → NaAlO2+h3O

или

Al(OH)3+NaOH → NaAlO2+2h3O;

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

SiO2+2NaOH → Na2SiO3+h3O;

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100°С;

3). Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6-1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4). Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60°С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH)3. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси — затравки:

Na2O ּ Al2O3+4h3O → Al(OH)3+2NaOH;

5). Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50-60% частиц Al(OH). Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затра­вочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Оста­ток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах — для выщелачивания новых бокситов);

6). Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150-1300оС; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 → α-Al2O3

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% α-Al2O3 (корунд), остальное γ-Al2O3.

Этим способом извлекается 85-87% от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 оС.

Получение алюминия из его окиси

Электролиз окиси алюминия

Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970°С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают (рис. 2). Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись угле­рода (CO) или двуокись углерода (CO2). На практике находят применение два типа анодов:

а) самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых «хлебов» массы Зедерберга (малозольный уголь с 25-35% каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);

б) обожженные, или «непрерывные», аноды из больших угольных блоков (например, 1900×600×500 мм массой около 1,1 т).

Сила тока на электролизерах состав­ляет 150 000 А. Они включаются в сеть последова­тельно, т. е. получается система (серия) — длинный ряд электролизеров.

Рабочее напряжение на ванне, состав­ляющее 4-5 В, значительно выше на­пряжения, при кото­ром проис­ходит раз­ло­жение окиси алю­миния, поскольку в процессе рабо­ты неизбежны потери напряжения в различных частях системы. Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия представлен на рис. 3.

Электролиз хлорида алюминия (метод фирмы Алкоа)

В реакционном сосуде окись алюминия превращается сначала в хлорид алюминия. Затем в плотно изолированной ванне происходит электролиз AlCl3, растворенного в расплаве солей KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и пода­ется для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде.

Преимуществами данного метода перед существующим электролизом жидкого крио­литоглиноземного расплава (Al2O3, растворенная в кри­олите Na3AlF6) считают: экономию до 30% энергии; возможность применения окиси алюминия, которая не годится для традиционного электролиза (например, Al2O3 с высоким содержанием кремния); замену дорогостоящего криолита более дешевыми солями; исчезновение опасности выделения фтора.

Восстановление хлорида алюминия марганцем (Toth — метод)

При восстановлении марганцем из хлорида алюминия освобождается алюминий. Посредством управляемой конденсации из потока хлорида марганца выделяются связанные с хлором загрязнения. При освобождении хлора хлорид марганца окисляется в окись марганца, которая затем восстанавливается до марганца, пригодного к вторичному применению. Сведения в имеющихся публикациях весьма неточны, так что в данном случае придется отказаться от оценки метода.

Получение рафинированного алюминия

Для алюминия рафини­рующий электролиз с разло­жением водных солевых рас­творов невозможен. Пос­кольку для некоторых целей степень очистки промыш­лен­ного алюминия (Al 99,5 — Al 99,8), полученного электролизом криолитогли­нозем­ного расплава, недос­таточна, то из промышлен­ного алюминия или отходов металла путем рафинирова­ния получают еще более чистый алюминий (Al 99, 99 R). На­иболее известен метод рафинирования — трехслой­ный электролиз.

Рафинирование методом трехслойного электролиза

Одетая стальным листом, работающая на постоянном токе (пред­ставленная на рис. 4) ванна для рафиниро­вания состоит из уголь­ной подины с токопод­водами и теплоизоли­рующей магнезитовой футеровки. В проти­воположность электро­лизу криолитоглино­земного расплава ано­дом здесь служит, как правило, расплавлен­ный рафинируемый ме­талл (нижний анодный слой). Электролит сос­тавляется из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фто­ридов алюминия и нат­рия (средний слой). Алюминий, растворяю­щийся из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой). Чистый металл служит катодом. Подвод тока к катодному слою осуществляется графитовым электродом.

Ванна работает при 750-800°С, расход электроэнергии составляет 20 кВт ּ ч на 1 кг чистого алюминия, т. е. несколько выше, чем при обычном электролизе алюминия.

Металл анода содержит 25-35% Cu; 7-12% Zn; 6-9% Si; до 5% Fe и незначительное количество марганца, никеля, свинца и олова, остальное (40-55%) — алюминий. Все тяжелые металлы и кремний при рафинировании остаются в анод­ном слое. Наличие магния в электролите приводит к нежелательным изменениям состава электролита или к сильному его ошлакованию. Для очистки от магния шлаки, содержащие магний, обрабатывают флюсами или газообразным хлором.

В результате рафинирования получают чистый алюминий (99,99%) и про­дукты сегрегации (зайгер-продукт), которые содержат тяжелые металлы и крем­ний и выделяются в виде щелочного раствора и кристаллического остатка. Щелоч­ной раствор является отходом, а твердый остаток применяется для раскисления.

Рафинированный алюминий имеет обычно следующий состав, %: Fe 0,0005-0,002; Si 0,002-0,005; Cu 0,0005-0,002; Zn 0,0005-0,002; Mg следы; Al остальное.

Рафинирование путем алюмоорганических комплексных соединений и зонной плавкой

Алюминий степени чистоты выше марки A1 99,99 R может быть получен рафинирую­щим электролизом чистого или технически чистого алюминия с применением в качестве электролита комплексных алюмоорганических соединений алюминия. Электролиз проходит при температуре около 1000°С между твердыми алюминиевыми электродами и в принципе схож с рафинирующим электролизом меди. Природа электролита диктует необходимость работать без доступа воздуха и при низкой плотности тока.

Этот вид рафинирующего электролиза, применяемым сначала лишь в лабора­торном масштабе, уже осуществляется в небольшом производственном масштабе — изготовляется несколько тонн металла в год. Номинальная степень очистки полу­чаемого металла 99,999-99,9999%. Потенциальными областями применения металла такой чистоты являются криогенная электротехника и электроника.

Возможно применение рассмотренного метода рафинирования и в гальванотехнике.

Еще более высокую чистоту — номинально до A1 99,99999 — можно получить последующей зонной плавкой металла. При переработке алюминия повышенной чистоты в полуфабрикат, лист или проволоку необходимо, учитывая низкую температуру рекристаллизации металла, принимать особые меры предосторожности. Примечательным свойством рафинированного металла является его высокая электропроводность в области криогенных температур.

Получение вторичного алюминия

Переработка вторичного сырья и отходов производ­ства является экономически выгодной. Получаемыми при этом вторичными спла­вами удовлетворяется около 25% общей потребности в алюминии.

Важнейшей областью применения вторичных сплавов является производство алюминиевого фасонного литья. В DIN 1725, лист 2 наряду со стандартными марками сплавов приведены многочисленные марки сплавов, производимых литейными заводами. Перечень сплавов, выпускаемых этими заводами, содержит, кроме стандартных, некоторые нестандартные сплавы.

Безупречное приготовление алюминиевого скрапа в самых разнообразных пропорциях можно осуществлять только на специально оборудованных плавиль­ных заводах. Представление о сложном рабочем процессе на таком заводе дает рис. 5.

Отходы переплавляют после грубой предвари­тельной сортировки. Со­держа­щиеся в этих отхо­дах железо, никель или медь, точка плавления ко­торых выше точки пла­вления алюминия, при плавке в плавильной по­роговой печи остаются в ней, а алюминий выплав­ляется. Для удаления из отходов неметаллических включений типа окислов, нитридов, карбидов или газов применяют обра­ботку расплавленного ме­талла солями или (что рациональней) продувку газом — хлором или азо­том.

Для удаления метал­лических примесей из расплава известны раз­личные методы, например присадка магния и ваку­умирование — метод Бекша (Becksche); при­садка цинка или ртути с последующим вакуумированием — субгалогенный метод. Удаление магния ограничивается введением в расплавленный металл хлора. Путем введения добавок, точно определяемых составом расплава, получают заданный литейный сплав.

Производство алюминия технической чистоты

Электролитический способ — единственный применяющийся во всем мире для производства металлического алюминия технической чистоты. Все другие способы (цинкотермический, карбидотермический, субхлоридный, нитридный и др.), с помощью которых алюминий может быть извлечен из алюминиевых руд, разрабатывались в лабораторном и опытно-промышленных масштабах, од­нако пока не нашли практического применения.

Для получения алюминиево-кремниевых сплавов успешно применяется электротермический способ, впервые разработанный и осуществленный в про­мышленном масштабе в СССР. Он состоит из двух стадий: на первой стадии получают первичный алюминиево-кремниевый сплав с содержанием 60-63 % Al путем прямого восстановления алюмо-кремнистых руд в рудно-термических электрических печах; на второй стадии первичный сплав разбавляют техниче­ским алюминием, получая силумин и другие литейные и деформируемые алюминиево-кремниевые сплавы. Ведутся исследования по извлечению из первич­ного сплава алюминия технической чистоты.

В целом получение алюминия электролитическим способом включает в себя производство глинозема (окиси алюминия) из алюминиевых руд, производство фтористых солей (криолита, фтористого алюминия и фтористого натрия), произ­водство углеродистой анодной массы, обожженных угольных анодных и катод­ных блоков и других футеровочных материалов, а также собственно электро­литическое производство алюминия, которое является завершающим этапом современной металлургии алюминия.

Характерным для производства глинозема, фтористых солей и углеродис­тых изделий является требование максимальной степени чистоты этих материа­лов, так как в криолитоглиноземных расплавах, подвергающихся электролизу, не должны содержаться примеси элементов, более электроположительных, чем алюминий, которые, выделяясь на катоде в первую очередь, загрязняли бы металл.

В глиноземе марок Г-00, Г-0 и Г-1, которые преимущественно использу­ются при электролизе, содержание SiO2 составляет 0,02-0,05%, a Fe2O3 — 0,03-0,05%. В криолите в среднем содержится 0,36-0,38% SiO2 и 0,05-0,06% Fe2O3, во фтористом алюминии 0,30-0,35% (SiO2 + Fe2O3). В анодной массе содержится не более 0,25% SiO2 и 0,20% Fe2O3.

Важнейшая алюминиевая руда, из которой извлекают глинозем, боксит. В боксите алюминий присутствует в форме гидроокиси алюминия. В Советском Союзе, кроме боксита, для получения глинозема применяют нефелиновую породу — алюмосиликат натрия и калия, а также алунитовую породу, в которой алюминий находится в виде его сульфата. Сырьем для изготовления анодной массы и обожженных анодных блоков служат углеродистые чистые материалы — нефтяной или пековый кокс и каменноугольный пек в качестве связующего, а для производства криолита и других фтористых солей — фтористый кальций (плавиковый шпат).

При электролитическом получении алюминия глинозема Al2O3, растворенный в расплавленном криолите Na3AlF6, электрохимически разлагается с разрядом катионов алюминия на катоде (жидком алюминии), а кислородсодержащих ионов (ионов кислорода) — на углеродистом аноде.

По современным представлениям, криолит в расплавленном состоянии диссоциирует на ионы и : , а глинозем — на комплексные ионы и : , которые находятся в равновесии с простыми ионами: , .

Основным процессом, происходящим на катоде, является восстановление ионов трехвалентного алюминия: Al3+ + 3e → Al (I).

Наряду с основным процессом возможен неполный разряд трехвалентных ионов алюминия с образованием одновалентных ионов: Al3+ + 2e → Al+ (II) и, наконец, разряд одновалентных ионов с в ыделением металла: Al+ + e → Al (III).

При определенных условиях (относительно большая концентрация ионов Na+, высокая температура и др.) может происходить разряд ионов натрия с выделением металла: Na+ + e → Na (IV). Реакции (II) и (IV) обусловливают сниж ение выхода алюминия по току.

На угольном аноде происходит разряд ионов кислорода: 2O2– – 4e → O2. Однако кислород не выделяется в свободном виде, так как он окисляет угле­род анода с образованием смеси CO2 и CO.

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представ­лена уравнением Al2O3 + xC ↔ 2Al + (2x–3)CO + (3–x)CO2.

В состав электролита промышленных алюминиевых электролизеров, по­мимо основных компонентов — криолита, фтористого алюминия и глинозема, входят небольшие количества (в сумме до 8-9%) некоторых других солей — CaF2, MgF2, NaCl и LiF (добавки), которые улучшают некоторые физико-хи­мические свойства электролита и тем самым повышают эффективность работы электролизеров. Максимальное содержание глинозема в электролите составляет обычно 6-8%, снижаясь в процессе электролиза. По мере обеднения электро­лита глиноземом в него вводят очередную порцию глинозема. Для нормаль­ной работы алюминиевых электролизеров отношение NaF: AlF3 в электролите поддерживают в пределах 2,7-2,8, добавляя порции криолита и фтористого алюминия.

В производстве алюминия применяют электролизеры с самообжигающимися угольными анодами и боковым или верхним подводом тока, а также электро­лизеры с предварительно обожженными угольными анодами. Наиболее перс­пективна конструкция электролизеров с обожженными анодами, позволяющая увеличить единичную мощность агрегата, снизить удельный расход электро­энергии постоянного тока на электролиз, получить более чистый металл, улуч­шить санитарно-гигиенические условия труда и уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу. Первичный алюминий, извлекаемый из электролизеров (алюминий-сырец), содержит ряд примесей, которые можно подразделить на три группы: неметал­лические (фтористые соли, α- и γ-глинозем, карбид и нитрид алюминия, уголь­ные частицы, механически увлекаемые при выливке металла из электролизера); металлические (железо, кремний), переходящие из сырья, угольных материалов и конструктивных элементов электролизера; газообразные — преимущественно водород, который образуется в металле в результате электролитического раз­ложения воды, попадающей в электролит с сырьем.

Из металлических примесей, помимо железа и кремния, содержится наи­большее количество галлия, цинка, титана, марганца, натрия, ванадия, хрома, меди.

Основным источником поступления металлических микропримесей в алю­миний является глинозем, который в зависимости от вида исходного сырья мо­жет содержать галлий, цинк, калий, фосфор, серу, ванадий, титан и хром. Углеродистые материалы (анодная масса, обожженные аноды, катодные изде­лия) служат источником таких микропримесей, как, например, ванадий, титан, марганец, цинк.

Электролизом криолито-глиноземных расплавов при условии применения чистых исходных материалов (в первую очередь глинозема и углеродистых ма­териалов) удается получить алюминий-сырец марок А85 и А8 (99,85 и 99,80%). Наибольшая доля металла этих марок (60-70 % от общего выпуска) полу­чается на электролизерах с обожженными анодами, а также на электролизерах с боковым подводом тока (до 70 % от общего производства). На электролизерах с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом выпуск алюминия-сырца марки А8 невысок (составляет 1-3%), а металл марки А85 получить не удается из-за значительных примесей железа, поступающего в алюминий из несырьевых источников (анодные штыри, чугунные секции газосборников, тех­нологический инструмент, катодный узел).

Расплавленный первичный алюминий, извлеченный из электролизеров с по­мощью вакуумного ковша, поступает в литейное отделение для рафинирования от неметаллических и газовых примесей и дальнейшей переработки в товарную продукцию (чушки, цилиндрические и плоские слитки, катанку и т. п.). Перед разливкой алюминий-сырец выдерживают в расплавленном состоянии в элек­трических печах сопротивления (миксерах) или в газовых отражательных печах. В этих печах не только проводят рациональную шихтовку различных по составу порций жидкого алюминия, но и частично очищают от неметаллических включений, окисных пленок и натрия.

Разливка алюминия из миксера в чушки производится с помощью литей­ных машин конвейерного типа; цилиндрические и плоские слитки изготавли­вают методом полунепрерывного литья, а для получения катанки применяют специальные агрегаты совмещенного литья и прокатки.

На отечественных алюминиевых заводах при литье слитков алюминий, по­ступающий из миксера в кристаллизатор литейной машины, подвергают прос­тейшему виду рафинирования — фильтрации расплава через стеклосетку с ячей­ками размером от 0,6×0,6 до 1,7×1,7 мм. Этот метод позволяет очищать алюминий только от очень грубых окисных включений; более совершенен метод фильтрации расплава через стеклосетку в восходящем потоке. При таком способе фильтрования частицы окисных включений, сталкиваясь с сеткой, не захватываются потоком расплава, а осаждаются на дне литейного желоба.

Для одновременной очистки алюминия, как от неметаллических примесей, так и от водорода успешно применяется метод фильтрации через флюсовый фильтр в сочетании с продувкой азотом. В качестве флюса можно использо­вать кислый электролит алюминиевых электролизеров. В результате такой очистки содержание водорода в алюминии снижается с 0,22 до 0,16 см3 на 100 г металла.

В первичном алюминии, используемом для производства сплавов системы Al—Mg, содержание натрия не должно превышать 0,001 %. Это связано с тем, что присутствие натрия в этих сплавах ухудшает механические и другие экс­плуатационные свойства изделий, применяемых в ряде отраслей народного хо­зяйства.

Наиболее эффективным методом одновременного рафинирования алюминия от натрия, водорода и неметаллических примесей является продувка расплав­ленного металла газовой смесью азота с 2-10% хлора, вводимой в расплав в виде мелких пузырей с помощью специальных устройств. Этот способ ра­финирования позволяет снизить содержание натрия в алюминии до 0,0003—0,001% при расходе газовой смеси от 0,8 до 1,5 м3/т металла.

Расход электроэнергии на производство 1 т товарного алюминия из метал­ла-сырца при использовании электропечей составляет 150-200 кВт ּ ч; безвоз­вратные потери металла на литейном передел е равны 1,5-5 % в зависимости от вида товарной продукции.

Получение алюминия высокой чистоты

Для получения алюминия высокой чистоты (марок А995—А95) первичный алю­миний технической чистоты электролитически рафинируют. Это позво­ляет снизить в алюминии содержание металлических и газообразных примесей и тем самым значительно повысить его электропроводность, пластичность, от­ражательную способность и коррозионную стойкость.

Электролитическое рафинирование алюминия осуществляют электролизом расплавленных солей по трехслойному способу. Сущность способа заключается в следующем. В рафинировочном электролизере имеются три расплавленных слоя. Нижний, наиболее тяжелый, лежит на токопроводящей подине и служит анодом; он называется анодным сплавом и представляет собой сплав рафини­руемого алюминия с медью, которую вводят для утяжеления слоя. Средний слой — расплавленный электролит; его плотность меньше плотности анодного сплава и выше плотности чистого рафинированного (катодного) алюминия, на­ходящегося над электролитом (верхний, третий жидкий слой).

При анодном растворении все примеси более электроположительные, чем алюминий (Fe, Si, Ti, Cu и др.), остаются в анодном сплаве, не переходя в электролит. Анодно растворяться будет только алюминий, который в форме ионов Al3+ переходит в электролит: Al – 3e → Al3+.

При электролизе ионы алюминия переносятся к катоду, на котором и раз­ряжаются: Al3+ + 3e → Al. В результате на катоде накапливается слой расплав­ленного рафинированного алюминия.

Если в анодном сплаве присутствуют примеси более электроотрицательные, чем алюминий (например, Ba, Na, Mg, Ca), то они могут электрохимически растворяться на аноде вместе с алюминием и в виде ионов переходить в элек­тролит. Поскольку содержание электроотрицательных примесей в алюминии-сырце невелико, в заметном количестве в электролите они не накапливаются. Разряда этих ионов на катоде практически не происходит, так как их электродный потенциал электроотрицательнее алюминия.

В качестве электролита при электролитическом рафинировании алюминия в Советском Союзе и в большинстве стран применяют фторидно-хлоридный электролит, состав которого 55-60% BaCl2, 35-40% AlF4+NaF и 0-4% NaCl. Молярное отношение NaF : AlF3 поддерживают 1,5-2,0; температура плавления электролита 720-730°C; температура процесса электролиза около 800°C; плотность электролита 2,7 г/см3.

Анодный сплав готовят из первичного алюминия и чистой меди (99,90-99,95% Cu), которую вводят в металл в количестве 30-40%. Плотность жидкого анодного сплава такого состава 3-3,5 г/см3; плотность же чистого расплавленного катодного алюминия равна 2,3 г/см3. При таком соотношении плот­ностей создаются условия, необходимые для хорошего разделения трех рас­плавленных слоев.

В четверной системе Al—Cu—Fe—Si, к которой относится анодный сплав, об­разуется эвтектика с температурой плавления 520°C. Охлаждая анодный сплав, содержащий примеси железа и кремния в количествах выше эвтектических кон­центраций, можно выделить железо и кремний в твердую фазу в виде интер­металлических соединений FeSiAl5 и Cu2FeAl7. Так как температура анодного сплава в карманах электролизера на 30-40°C ниже температуры анодного сплава в рабочем пространстве ванны, в них (по мере накопления в анодном сплаве железа и кремния) будут выделяться твердые интерметаллические осадки. Периодически удаляя эти осадки, очищают анодный сплав (без его об­новления) от примесей железа и кремния. Так как в анодном сплаве концент­рируется галлий, то извлекаемые из электролизера осадки (30-40 кг на 1 т алюминия) могут служить источником получения этого металла.

Для электролитического рафинирования служат электролизеры, которые по конструкции напоминают электролизеры с обожженными анодами для электро­литического получения первичного алюминия, но имеют другое подключение по­люсов: подина служит анодом, а верхний ряд электродов — катодом. Совре­менные электролизеры для электролитического рафинирования алюминия рас­считаны на силу тока до 75 кА.

Электрохимический выход по току, рассчитанный по вылитому из электро­лизера металлу, составляет 97-98%. Фактический же выход по току, рассчитанный по количеству товарного металла, составляет 92-96%.

Основным фактором, снижающим выход по току, помимо прямых потерь тока на разряд более электроотрицательных ионов, потерь металла за счет его окисления и механических потерь алюминия, является работа электролизеров с выпуском несортового металла, который вновь возвращается в анодный сплав для последующего рафинирования. Эти периоды работы электролизеров имеют место при пуске электролизеров и нарушениях технологического режима.

Электролитическое рафинирование алюминия является очень энергоемким производством. Расход электроэнергии в переменном токе, включая энергию, затраченную на подготовку электролита и анодного сплава, работу вентиляционных устройств и транспортных средств, а также потери на преобразование пе­ременного тока в постоянный, составляет 18,5-21,0 тыс. кВт ּ ч на 1 т алюминия. Энергетический к. п. д. рафинировочных электролизеров не превышает 5-7%, т. е. 93-95% энергии расходуется в виде потерь тепла, выделяемого в основном в слое электролита (примерно 80-85% от общего прихода тепла). Следовательно , основными путями дальнейшего снижения удельного расхода электроэнергии на электролитическое рафинирование алюминия являются совершен­ствование теплоизоляции электролизера (особенно верхней части конструк­ции) и снижение слоя электролита (уменьшение междуэлектродного рас­стояния).

Чистота алюминия, рафинированного по трехслойному методу, 99,995%; она определяет­ся по разности с пятью основными примесями — железом, крем­нием, медью, цинком и титаном. Количество получаемого металла такой марки может составлять 45-48% от общего выпуска (без его расшихтовки с более низкими, сортами).

Следует, однако, отметить, что в электролитически рафинированном алюминии содержатся в меньших количествах примеси других металлов, что сни­жает абсолютную чистоту такого алюминия. Радиоактивационный анализ поз­воляет обнаружить в электроли­тически рафинированном алюминии до 30 примесей, суммарное содержание которых примерно 60 ּ 10–4%. Следовательно, чистота рафинированного алюминия по разности с этими примесями состав­ляет 99,994% .

Помимо примесей, предусмотренных ГОСТом (см. табл. 1.1), в наиболее распространен­ной марке (А99) электролитически рафинированного алюминия содержится, %: Cr 0,00016; V 0,0001; Ga 0,0006; Pb 0,002; Sn 0,00005; Ca 0,002-0,003; Na 0,001-0,008; Mn 0,001-0,007; Mg 0,001-0,007; As

Fresher

Лучшее из Рунета за день ! Разместить рекламу

Топ-5 за сутки

Мне написали из компании «РУСАЛ» и спросили, не хочу ли я посмотреть на то, как они делают алюминий на своих заводах - я, недолго думая, согласился. Мне всегда было интересно, как получается металл из глины с помощью электричества. Да и смотреть на то, как у нас в стране что-то производят, а не только гонят нефть по трубе, очень любопытно. Получился целый список мест, куда можно поехать, мы составили график и я отправился в первое путешествие: сначала в Саяногорск, где работают сразу три завода, входящих в РУСАЛ, потом в Красноярск — там, где расположен один из крупнейших в мире (если не самый крупный) завод по производству алюминия. После четырех дней, проведенных на заводах, я, кажется, вполне могу производить алюминий в домашних условиях — так мне всё подробно показали и объяснили. Итак, всё по порядку. Алюминий — третий по распространенности химический элемент на Земле после кислорода и кремния. В таблице Менделеева стоит под 13-м номером и обозначается, как Al. Алюминия в природе очень много, но весь тот, который нас окружает, сделан промышленным способом — это не золото и не платина, которые существуют в виде самородков. Компания РУСАЛ занимала в 2007 году третье место в мире по производству алюминия, а сейчас входит в состав объединенной компании «Российский алюминий» — это крупнейший в мире производитель алюминия и глинозема. На Саяногорский алюминиевый завод, с которого началась история РУСАЛа, я и поехал в первую очередь. От Абакана, столицы Хакасии, до Саяногорска — час езды на автомобиле. Город расположен в том самом месте, где заканчивается хакасская степь и начинаются Саянские горы. Завод (а их там три, на самом деле) — в пятнадцати километрах от города. Так Саяногорский алюминиевый выглядит из окна заводоуправления. Я приехал в воскресенье, людей на территории почти не было, но завод работал — технология производства алюминия непрерывная и во всех цехах работа шла, как обычно. Начинается всё здесь — в электролизном цехе. Здесь производят алюминий по той самой технологии, разработанной еще французом Эру и американцем Холлом, о которых я писал выше. Правда, выглядит это теперь совсем не так, как в XIX веке. В Саяногорске делают алюминий в ваннах с т.н. обожженными анодами. Вот их привезли на транспортной тележке. Эти аноды опускают в электролизную ванну, куда засыпают глинозём и где происходит его превращение в металл. А вот так выглядит отработавший своё обожженный анод. Это расходуемый материал, который завод тоже производит самостоятельно. Такая технология позволяет уже на этапе производства избавляться от множества вредных примесей. Анод с уже сформированным угольным кубом более безвреден, так как смолистые вещества удаляются из него в процессе изготовления. Современные заводы строятся с расчетом использования именно таких анодов. Есть еще технология норвежца Содерберга, по которой работает, например, Красноярский алюминиевый завод. Ряды электролизёров уходят, кажется, за горизонт. Это новые два цеха в Саяногорске, построенные в 2004-2006 гг и выделенные в отдельный завод, названный Хакасским — для строительства нового завода так легче было искать инвесторов. В этом цехе совсем малолюдно, я встретил только одного человека. Производственный процесс практически полностью автоматизирован — сверху засыпается глинозём, после окончания цикла приезжает кран и вакуумным насосом откачивает алюминий в большой ковш. Вот эта конструкция на кране выкачивает алюминий из трехтонных гидролизных ванн, а потом разливает по ковшам, которые потом повезут в литейный цех. Для того, чтобы произвести тонну алюминия нужно почти две тонны глинозёма, полтонны углерода (для анода) и около 15 000 кВт*час электроэнергии. Всё оборудование в цехе российское, сделанное в инженерно-технологическом центре РУСАЛа, а вот сырьё привозят импортное — из Гвинеи, Ямайки. Гидролизный цех — это не только вредное производство для человека, но и для фототехники. Каждая тонна алюминия — это 280 000 кубометров выделенного газа. И, если с выбросами научились бороться с помощью системы фильтров, то вот с фото и видеотехникой, как мне сказали сопровождающие, лучше к гидролизёрам близко не подходить — там сильное магнитное поле. Что дальше? Дальше ковш с алюминием ставят на тележку и везут его в литейный цех. Там его ждет печь, в которой из простого алюминия делается нужный для заказчика сплав. Фотографии литейного — из Саяногорского алюминиевого, который построен еще в советское время. Цеха двух заводов стоят рядом и внешне отличаются только цветом. Кстати, два цеха нового Хакасского завода (ХАЗ) — первое предприятие по производству алюминия, построенное в России за последние 20 лет. Ну и самое современное, конечно. В литейном цеху стоят гигантские печи, внутрь которых страшно заглядывать — там чуть колышется раскаленное до 700°C зеркало расплавленного металла. Здесь варят алюминий on demand — по заказу потребителя. Всем нужен разный металл, с добавками под опредленное производство. Так заливают в печь чистый алюминий, привезенный из электролизного цеха. Не знаю, почему он получился на снимке красноватым — вообще он светло-серый. Рядом с печами — добавки для сплавов: кремний, титан для легирования, цирконий в слитках. Здесь мастер следит за добавками при плавке металла. После того, как в печь заложены компоненты будущего сплава, мастер берет пробу, делает из нее небольшой, размером с хоккейную шайбу, слиток и отправляет его в химическую лабораторию для проверки своей работы. У этой печи разливают алюминий в чушки — для тех заказчиков, которым металл нужен в собственном литейном производстве. Пока алюминий медленно движется по конвейеру, он успевает застыть и на выходе рабочий просто складывает чушки в штабеля. Алюминий — красивый металл. Солнце светит в боковые окна на крыше и в цехе — почти театральный свет. Рабочие у печей, как будто под светом софитов. У пульта управления разливочной машины, где делают цилиндрические слитки в несколько метров длиной для кабельной промышленности. Металл заливают в вертикальные формы. Алюминий кристаллизуется в формах, крышку поднимают, изделия готовы. Краном подцепляют еще теплые алюминиевые слитки и отвозят их на специальный стол. Мастер складывает слитки в ряд. И ставит на них штамп своей смены и дату изготовления. В другом месте цеха длинные цилиндры режут на части. Made in Russia. Для кого-то из заказчиков отливают вот такие гигантские алюминиевые слитки. У литейщиков короткий перерыв, можно выпить чаю. Рядом с цехом есть круглосуточная столовая, для рабочих практически бесплатная — там смешные цены, а каждому оплачивают 70 «обеденных» рублей в день. Здесь же можно посмотреть на результаты анализов проб «своего» металла в лаборатории. В это время в новом литейном цехе ХАЗа идет упаковка и погрузка готовой продукции в железнодорожные вагоны. Заводские жалуются на РЖД — задавили своими тарифами. Монополист поднимает цены на перевозку из года в год. Два новых цеха Хакасского алюминиевого завода. В конце, для тех, кому интересно,- интересные факты из истории алюминия. Хотя, были времена, когда алюминий ценился выше драгоценных металлов. У Плиния Старшего в «Естественной истории» есть упоминание о мастере, который принес императору Тиберию чашу из легкого белого металла, добытого, по его словам, из глины. Тиберий тогда испугался, что все его богатства обесценятся и привычно отрубил мастеру голову — тогда проблемы конкуренции на рынке решались просто. В 1855 году, когда алюминий был впервые показан публике на Всемирной выставке в Париже, его называли «серебром из глины», он был очень дорогим металлом. При дворе императора Наполеона III во время торжественных обедов блюда и приборы для членов императорской семьи были из алюминия, у остальных — из простого золота. Есть два имени, с которыми связано появление алюминия в нашей жизни: Алессандро Вольта и Гэмфри Дэви. Итальянец Вольта проводил опыты с гальваническим электричеством, т.е. с тем электричеством, которое появляется в результате химических процессов. Он придумал и сделал устройство, состоящее из чередующихся медных и цинковых пластин, разделенных прокладками из сукна, смоченного серной кислотой. Тогда считалось, что электричеством из т.н. «вольтового столба» можно лечить различные недуги и изобретение Вольта быстро вошло в моду. Химики же поняли, что с помощью электричества можно разлагать сложные тела на простые и получать металлы, которые в природе существуют только в виде соединений. Английский химик Гэмфри Дэви, профессор Королевского института, занимался экспериментами с электролитической установкой, с помощью которой он пробовал добывать чистые металлы. Он пропускал электрический ток через воду, в которую погружал различные вещества — платиновую проволоку, ртуть, едкий натр. Так он получил металлы, известные теперь под названием натрий и калий. Стронций и барий были получены Дэви при разложении щелочных земель. В 1808 году он вплотную подошел к созданию металла из глинозёма, которому дал название «алюминий». Гэмфри Дэви можно назвать отцом современной алюминиевой промышленности — теперь все предприятия в мире используют его электролитический метод. Однако, до настоящего алюминия еще было далеко. Опыты Дэви продолжил датский физик Ханс Кристиан Эрстед и немецкий химик Фридрих Вёлер. На получение алюминия в виде нескольких зерен величиной с булавочную головку у Вёлера ушло почти два десятка лет. Правда, и это был не чистый металл, а его сплав с калием, ртутью и платиной. Вёлер смог получить его впервые в 1827 году. В 1856 году француз Анри-Этьен Сент-Клер Девиль, значительно удешевив и усовершенствовав технологию Вёлера, начал первое промышленное производство алюминия на заводе братьев Тиссье в Руане. За сутки завод Девиля производил два килограмма алюминия. В 1857 году килограмм этого металла стоил 300 франков. В те годы комнату в Париже можно было снять за 20 франков. Производство алюминия химическим методом началось и в других странах — в 1888 году в Англии начал работать завод про производству металла методом Девиля. Опыты про производству алюминия проводились в США — на верхушке обелиска мемориала Джорджа Вашингтона в 1888 году была установлена небольшая пирамидка из чистого алюминия, который производил тогда всего один человек — Уильям Фришмус. По тем временам это было событием — пирамиду высотой в 22 см и весом в 3 кг даже выставляли перед установкой в витрине ювелирного магазина Тиффани в Нью-Йорке. Три килограмма — это много, в 1885 году в США было произведено всего 28,3 кг алюминия. У витрины всегда стояла толпа — все хотели посмотреть на алюминиевое чудо. Пирамидка уцелела до наших дней, только немного оплавилась от частых ударов молний. Но это всё пока нельзя было назвать промышленным производством в полной мере. Алюминий был драгоценным металлом, а ученые мечтали о его практическом применении. Химический процесс был дорогостоящим и на смену ему пришел электролиз, изобретенный еще Дэви. Для этого нужно было дождаться, пока на смену вольтовому столбу не придут более мощные источники электрической энергии. Француз Поль-Луи Эру и американец Чарльз Мартин Холл независимо друг от друга одновременно изобрели и запатентовали электролитический способ промышленного изготовления алюминия. В 1883 году Эру рисует на полях своей рабочей тетради практически современный электролизёр — в небольшой тигель с криолитом, служивший катодом, помещается угольный анод. Эру нагрел тигель до 1100 градусов, он разрушился и в образовавшемся сплаве обнаружился алюминий. Интересно, что дальнейшему совершенствованию технологии и увеличению выпуска алюминия противились владельцы производств — они не были заинтересованы в падении цены на металл и всячески мешали внедрению новых изобретений в этой области. Братья Коулз, владевшие заводом в Локпорте, даже хотели выкупить патент Холла, чтобы им не воспользовались конкуренты. Так или иначе, но прогресс в технологиях сделал своё — алюминий стал общедоступным материалом и в конце XIX века из него уже делали не драгоценности, а предметы обихода, оптические приборы, посуду и кухонную утварь, которая стала вытеснять традиционные медь и чугун. Появилась и алюминиевая фольга в качестве упаковки для пищевых продуктов. Шоколад в фольге — это товар конца XIX века. Дальнейшая история алюминия в жизни человека — это поиск его новых свойств и качеств. Из алюминия делались новые сплавы, он прекрасно взаимодействовал с другими металлами. В 1903 году немецкий металловед Альфред Вильм после многолетних экспериментов получил «твердый» алюминий из сплава с медью, магнием и марганцем. Новый материал назвали дуралюмином (от латинского durus — твердый). Этот металл стал основой для строительства самолетов — в 1920 году из советского аналога, названного кольчугалюминием, был изготовлен знаменитый АНТ-2 конструкции Андрея Туполева. Россия стала третьей страной в мире, где начали изготавливать алюминий промышленным способом. Первый завод был основан в 1885 году промышленником А. Нововейским, он располагался вблизи Троице-Сергиевой лавры. В 1916 году в окрестностях Тихвина нашли месторождение бокситов. В 1929 году на заводе «Красный выборжец» было смонтировано шесть электролизёров. 27 марта на этом оборудовании были получены первые восемь килограммов советского алюминия. Он был изготовлен с помощью электроэнергии Волховской ГЭС и отечественных материалов. Здесь же, на заводе, из этого алюминия стали изготавливать кухонную посуду и столовые приборы. Прототипом советского электролизёра была французская электролитическая ванна. В 1930 году на Опытном заводе в Ленинграде произвели уже 90 тонн металла! Вторым алюминиевым комбинатом стал завод, построенный рядом с Днепрогэсом. В заводской комплекс входил глиноземный завод, который перерабатывал около 30 000 тонн бокситов, электролизное производство, рассчитанное на выплавку 15 000 тонн в год и собственное производство угольных анодов — основы для работы литейного цеха. По всей стране стали искать источники сырья для работы алюминиевых заводов — потребность в этом металле была чрезвычайной. Бокситы нашли на Южном Урале, в Башкирии, стали перерабатывать в глинозём отходы доменного производства. Металла все равно не хватало и его приходилось возить из-за рубежа — из Франции, Норвегии, США. После начала войны страна потеряла практически все свои мощности по производству алюминия — Волховский и Днепровский заводы были демонтированы. «Дайте мне 30 000 тонн алюминия и я выиграю войну», — писал Сталин Рузвельту в 1941 году. У СССР остался только один алюминиевый завод на Урале, который работал для нужд оборонной промышленности. За военные годы Уральский алюминиевый произвел более 244 000 тонн металла. В послевоенные годы были построены Кандалакшский, Надвоицкий и Волгоградский заводы. В 60-70 гг, когда в СССР стали строить большие ГЭС на сибирских реках, появились Иркутский, Красноярский и Братский алюминиевые заводы. Оставалась проблема сырья — глинозём приходилось покупать за рубежом — в Гвинее, Африке. Первым заводом по переработке импортного материала стал Николаевский глиноземный завод (1980 год). Он был рассчитан на переработку высококачественных африканских бокситов. После распада СССР алюминиевая отрасль в России оказалась в трудном положении — государство прекратило вкладывать средства, распались связи с поставщиками сырья в бывших советских республиках. Британская Trans World Group, получившая контроль над большой частью российских алюминиевых заводов внедрила в России известную систему толлинга, когда импорт сырья и экспорт продукции производились беспошлинно, что приносило владельцам огромные прибыли, но лишало заводы средств для развития производства. После начала приватизации в 1993 году в отрасль стали приходить криминальные структуры, надеясь на быструю прибыль. Был установлен контроль над морскими портами, заводы были вынуждены платить бандитам за отгрузку товара за рубеж. В борьбе за контроль над отраслью криминальные группировки пытались запугать тех руководителей заводов, которые отказывались сотрудничать с ними. С теми, кто отказывался работать на бандитов, жестоко расправлялись. В 1994 году Олег Дерипаска был избран генеральным директором Саяногорского алюминиевого завода. К этому времени он был его мажоритарным владельцем вместе с TWG (братья Черные — известные имена). Через три года после своего образования возглавляемая Олегом Дерипаской группа «Сибирский алюминий» вошла в десятку ведущих мировых производителей продукции из алюминия и Дерипаска разорвал отношения с Trans World Group, найдя дополнительные средства для развития в дополнительной эмиссии акций завода. В 2007 году в результате слияния алюминиевых и глиноземных активов компании РУСАЛ, занимавшей третье место в мире по производству алюминия, группы СУАЛ, входившей в десятку ведущих мировых производителей алюминия, и глиноземных активов швейцарской компании Glencore была создана объединенная компания «Российский алюминий» — крупнейший в мире производитель алюминия и глинозема.

• Разделы: процесс



Алюминий, его свойства, способы получения и рафинирование

Алюминий впервые выделен в свободном виде в 1825 г. датским физиком Эрстедом. В настоящее время в промышленных масштабах алюминий получают электролитическим путем. Способ получения металлического алюминия электролизом глинозема, растворенного в криолите, запатентовали в 1886 г. независимо друг от друга Поль Эру во Франции и Чарльз Хол в США.

Производство алюминия развивалось с тех пор чрезвычайно быстрыми темпами, благодаря тому значению, которое приобрел алюминий в промышленности. До 1917 г. наша страна не имела собственного алюминиевого завода, хотя русские ученые внесли большой вклад в металлургию алюминия. В 1929 г. на ленинградском заводе «Красный выборжец» был получен алюминий на Волховской энергии и на отечественном сырье. В 1932 г. пущен в строй Волховский алюминиевый завод, а в 1933 г. — Днепровский алюминиевый завод. В дальнейшем были построены алюминиевые заводы в различных районах нашей страны.

Создание мощной энергетической базы позволило нашей стране быстро выйти на одно из первых мест по производству алюминия.

Свойства алюминия

В чистом виде алюминий — металл серебристого белого цвета. Одно из важных свойств алюминия — его малая плотность: в твердом состоянии (при 20° С) она равна 2,7 г/см3, а в жидком виде (при 900° С) — 2,32 г/см3. Температура плавления высокочистого алюминия (99,996%) равна 660,24° С, температура кипения — 2500° С. Важными свойствами алюминия, определяющими его применение во многих областях промышленности, являются его хорошая электропроводность и теплопроводность.

Алюминий хорошо обрабатывается механически, обладает хорошей ковкостью, легко прокатывается в тончайший лист и проволоку. В химических реакциях алюминий амфотерен. Он растворяется в щелочах, соляной и серной кислотах, но стоек по отношению к концентрированной азотной и органическим кислотам. На внешней  М-оболочке алюминия три валентных электрона, причем два — на 3s- орбите  и один на 3p-орбите. Поэтому обычно в химических соединениях алюминий трехвалентен. Однако в ряде случаев алюминий может терять один  p-электрон и проявлять себя одновалентным, образуя соединения низшей валентности.

Производство алюминия в настоящее время включает в себя две основные операции:

  1. получение безводной, свободной от сопутствующих алюминию примесей, окиси алюминия путем сложной химической переработки природных соединений (бокситов, глины, каолина);
  2. получение металлического алюминия методом электролиза глинозема, растворенного в криолите.

Алюминий обладает многими ценными свойствами: небольшой плотностью— около 2,7 г/см3, высокой теплопроводностью — около 300 Вт/(м • К) и высокой электропроводностью 13,8 • 107 Ом/м, хорошей пластичностью и достаточной ме­ханической прочностью.

Алюминий образует сплавы со многими элементами. В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке.

Сродство алюминия к кислороду очень большое. При его окислении выделяется большое количество тепла (~ 1670000 Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при наг­ревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Алюминий соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных услови­ях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной ~ 0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому алюминий стоек про­тив коррозии. Поверхность алюминия хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии.

Сплавы алюминия

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралю­миний и силумины.

В состав дюралюминия, кроме алюминия, входят 3,4—4 % Cu, 0,5 % Mn и 0,5 % Mg, допускается не более 0,8 % Fe и 0,8 % Si. Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали (плотность дюралюминия 2,85 г/см3).

Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработки и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147—216 МПа до 353— 412 МПа, а твердость по Бринелю с 490—588 до 880—980 МПа. При этом относительное удлинение сплава почти не изменя­ется и остается достаточно высоким (18—24 %).

Силумины — литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.

Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, метал­лургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энер­гетике и электронике. Многие части искусственных спутни­ков нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов.

Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.). По общему производству металла в мире алюминий зани­мает второе место после железа.

Сырые материалы для производства алюминия

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух ста­дий. Первая — это получение глинозема (Al2O3) из рудного сырья и вторая — получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Руды алюминия

Вследствие высокой химической активнос­ти алюминий встречается в природе только в связанном ви­де: корунд Al2O3, гиббсит Al2O3 • ЗН2O, бемит Al2O3 • Н2O, кианит 3Al2O3 • 2SiO2, нефелин (Na, К)2O  • Al2O3 • 2SiO2, каолинит Al2O3 • 2SiO2 • 2Н2О и другие. Основными используемыми в настоящее время алюминиевыми рудами являются бокситы, а также нефелины и алуниты.

Бокситы

Алюминий в бокситах находится главным образом в виде гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита и др.), ко­рунда и каолинита. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35—60 %, кремнезема 2—20 %, оксида Fe2O3 2—40 %, окиси титана 0,01—10 %. Важ­ной характеристикой бокситов является отношение содержа­ний в них Al2O3 к SiO2 по массе — так называемый кремневый модуль.

Кремневый модуль бокситов, поступающих для получения глинозема, должен быть не ниже 2,6. Для бокситов среднего качества этот модуль составляет 5—7 при 46—48 %-ном содержании Al2O3, а модуль высококачественных — около 10 при 50 %-ном содержании Al2O3. Бокситы с более высоким содержанием Al2O3 (52 %) и модулем (10—12) идут для производства электрокорунда.

К числу крупных месторождений бокситов в нашей стране относится Тихвинское (Ленинградская область), Северо­уральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябин­ская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область).

Нефелины

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита — нефелин и апатит ЗСа3(РO4)2 • СаF2. Их подвергают флотационному обога­щению с выделением нефелинового и апатитового концентра­тов. Апатитовый концентрат идет для приготовления фосфор­ных удобрений, а нефелиновый — для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20—30 Al2O3, 42—44 SiO2, 13-14 Na2O, 6-7 К2O, 3-4 Fe2O3 и 2-3 СаО.

Алуниты

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) К2SO4 • Al2(SO4)3 • 4Al(ОН)3. Содержа­ние Al2O3 в них невысокое (20—22 %), но в них находятся другие ценные составляющие: серный ангидрид SO3 (~ 20 %) и щелочь Na2O • К2O (4—5 %). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы

При производстве глинозема применяют щелочь NaОН, иногда известняк СаСО3, при элект­ролизе глинозема криолит Na3AlF6 (3NaF•AlF3) и немного фтористого алюминия AlF3, а также СаF2 и MgF2.

Производство криолита

Криолит в естественном виде в природе встречается очень редко и его производят искусст­венно из концентрата плавикового шпата (СаF2). Процесс осуществляют в две стадии, первая — это получение плави­ковой кислоты HF. Тонкоизмельченный СаF2 смешивают с сер­ной кислотой в трубчатых вращающихся печах при 200 °С. В печи протекает реакция: СаF2+Н2SO4=2НF+СаSO4. Поскольку в плавиковом шпате содержится в качестве примеси SiO2, об­разуется также немного летучей кремнефтористой кислоты Н2SiF6. Газообразные НF и Н2SiF6 после их очистки от при­месей поглощаются в вертикальных башнях водой, в результате получают раствор плавиковой кислоты с кремнефторис­той. Его очищают от Н2SiF6, добавляя немного соды: Н2SiF6+Na2CO3=Na2SiF+Н2O+СO2. Кремнефтористый натрий вы­падает в осадок и получается очищенная плавиковая кисло­та. Вторая стадия — получение криолита. В раствор плави­ковой кислоты добавляют Аl(ОН)3 и соду и проводят так на­зываемый процесс варки криолита, в течение которого про­текают следующие реакции:

6НF + Al(ОН)3 = Н3АlF6 + 3Н2O

2Н3АlF6 + 3Na2CO3 = 2Na3AlF6 + ЗСO2 + 3Н2O.

Криолит выпадает в осадок, его отфильтровывают и про­сушивают при температуре 130—150 °С.

Фтористый алюминий получают схожим способом, добавляя к плавиковой кислоте до полной ее нейтрализации гидроксид алюминия: 3HF + Al(OH)3 = AlF3 + 3h3O.

Алюминий, извлекаемый из электролизных ванн, называют алюминием-сырцом. Он содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические примеси, а также газы (водо­род, кислород, азот, оксиды углерода, сернистый газ). Неметаллические примеси — это механически увлеченные час­тицы глинозема, электролит, частицы футеровки и др.

Для очистки от механически захваченных примесей, раст­воренных газов, а также от Na, Са и Мg алюминий подвер­гают хлорированию. Для этого в вакуум-ковш вводят трубку, через которую в течение 10—15 мин подают газообразный хлор, причем для увеличения поверхности соприкосновения газа с металлом на конце трубки крепят пористые керами­ческие пробки, обеспечивающие дробление струи газа на мелкие пузырьки. Хлор энергично реагирует с алюминием, образуя хлористый алюминий AlCl3. Пары хлористого алюми­ния поднимаются через слой металла и вместе с ними всплы­вают взвешенные неметаллические примеси, часть газов и образующиеся хлориды Na, Са, Мg и Н2.

Далее алюминий заливают в электрические печи-миксеры или в отражательные печи, где в течение 30—45 мин проис­ходит его остаивание. Цель этой операции — дополнительное очищение от неметаллических и газовых включений и усред­нение состава путем смешения алюминия из разных ванн. Затем алюминий разливают либо в чушки на конвейерных раз­ливочных машинах, либо на установках непрерывного литья в слитки для прокатки или волочения. Таким образом получают алюминий чистотой не менее 99,8 % Аl.

Алюминий более высокой степени чистоты в промышленном масштабе получают путем последующего электролитического рафинирования жидкого алюминия по так называемому трех­слойному методу. Электролизная ванна имеет стенки из маг­незита, угольную подину (анод) и подвешенные сверху графитированные катоды. На подину через боковое отверстие порциями заливают исходный алюминий, поддерживая здесь анодный слой определенной толщины; выше него располагает­ся слой электролита из фтористых и хлористых солей, а над электролитом — слой очищенного алюминия, который легче электролита; в этот слой погружены концы катодов.

Для того, чтобы рафинируемый алюминий находился внизу, его утяжеляют, формируя в анодном слое сплав алюминия с медью (в слое растворяют 30—40 % Сu). В процессе электро­лиза ионы Al3+перемещаются из анодного слоя через слой электролита в катодный слой и здесь разряжаются. Накапливающийся на поверхности ванны чистый катодный металл вычерпывают и разливают в слитки. Этим способом получают алюминий чистотой 99,95—99,99%. Расход электроэнергии равен ~ 18000 кВт • ч на 1 т алюминия. Более чистый алюминий получают методом зонной плавки или дистилляцией через субгалогениды.


Смотрите также


Оцените статьюПлохая статьяСредненькая статьяНормальная статьяНеплохая статьяОтличная статья (проголосовало 13 средний балл: 5,00 из 5)
Загрузка...