12 Производство алюминия

Алюминий получают электролизом глинозема (Al2O3) в расплавленном криолите (Na3AlF6) с добавлением фтористых алюминия (AlF3) и натрия (NaF). Алюминиевыми рудами при производстве алюминия являются бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в

них содержится в виде корунда (Al2O3), гидроокисей (Al(OH)3, AlOOH), каолинита (Al 2 O 3 ? 2SiO 2 ? 2H 2 O) .

Производство алюминия включает:

- получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема);

- получение криолита из плавикового шпата;

- электролиз глинозема в расплавленном криолите;

- рафинирование алюминия.

Получение глинозема. Глинозем получают из бокситов путем их обработ- ки щелочью

Al 2 O 3 ? nH 2 O + 2 NaOH = 2 NaAlO 2 + nH2O Полученный алюминат натрия NaAlO2 подвергают гидролизу

NaAlO 2 + 2H 2 O = NaOH + Al(OH ) 3

В результате в осадок выпадают кристаллы гидрооксида алюминия Al(OH)3, который отфильтровывают, промывают и прокаливают до получения чистого глинозема (Al2O3). Получение криолита. Для получения криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al(OH)3, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок по реакции 2H 3 AlF6 + 3NaCO 3 = 2 Na 3 AlF6 + 3CO 2 + 3H 2 O Осадок отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах. Электролиз глинозема. Электролиз проводят в электролизере, имеющим ванну из углеродистого материала. Кожух ванны изготавливают из листового железа. Подину и стены ванны выкладывают из углеродистых блоков.

В подину вмонтированы медные шины, соединенные с отрицательным полюсом источника тока. В ванне находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит. Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в элект- ролит, состоящего из криолита, глинозема, фтористых алюминия и натрия, добавляемых для понижения температуры плавления электролита. Перед началом электролиза на подину ванны насыпают тонкий слой молотого кокса. Затем к нему подводят угольные электроды и пропускают ток. Когда угольная футеровка ванны нагреется до определенной температуры, в неё загружают криолит и расплавляют его. После получения в ванне достаточного слоя расплавленного криолита в неё загружают глинозем. Под действием постоянного тока в расплавленном криолите происходит диссоциация криолита и глинозема

Na 3 AlF6 = 3 Na + + AlF63

Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3

Образующиеся положительно заряженные ионы алюминия разряжаются на катоде в первую очередь, как имеющие более высокий потенциал выделения по сравнению с другими положительно заряженными ионами, и образуется алюминий Al 3+ + 3e = Al Из отрицательно заряженных ионов на аноде разряжаются в первую очередь ионы AlO 3? , как более отрицательные ионы 2AlO 3? ? 6e > Al 2 O 3 + 1,5O 2

Выделяющийся кислород взаимодействует с углеродом анода с образованием смеси газов CO и CO2, удаляющейся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его перио- дически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на её дне оставляют немного алюминия. Рафинирование алюминия. Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем содержится металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием путем продувки расплава алюминия хлором. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла и их удаляют. Хлори-рование алюминия

способствует удалению газов, растворённых в алюминии. Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше при температуре 700 – 730 °С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота алюминия составляет 99,5 – 99,8%. Для большинства потребителей алюминия такой чистоты вполне пригоден. Однако, для отдельных отраслей современной техники нужен алюминий более высокой чистоты. Такой алюминий получают электролитическим рафинированием, при

котором загрязненный алюминий служит анодом и подвергается растворению и осаждению на катоде, а чистый алюминий является катодом. При таком рафинировании получают алюминий чистотой 99,996%.

При необходимости получить алюминий более высокой чистоты применяют метод зонной плавки или дистилляции алюминия. При зонной плавки из алюминия электролитического рафинирования отливают прутки и помещают в кварцевую трубку, в которой создают вакуум. Вокруг трубки располагают индуктор, соединенный с источником электрического тока высокой частоты (ТВЧ). Под индуктором пруток расплавляется и возникает зона жидкого алюминия, а остальная часть прутка остается твердой. Индуктор передвигается вдоль прутка с определенной скоростью и зона жидкого алюминия перемещается. При этом примеси концентрируются в расплаве и вместе с ним передвигаются к концу слитка. Затем слиток извлекают и конец отрезают. Оставшаяся часть состоит из алюминия высокой чистоты (99,9999%).

При применении способа дистилляции алюминия рафинирование его осуществляется через так называемые субсоединения путем пропускания парообразных хлористого и фтористого алюминия над расплавленным алюминием при температуре 1000 °С и выше. Эти субсоединения при охлаждении разлагаются на алюминий и хлористый или фтористый алюминий. Примеси, содержащиеся в черновом алюминии, не перегоняются. Этим способом получают алюминий очень большой чистоты

(99,99999%). Последние два метода рафинирования дороги и малопроизводительны. Они

используются для очистки лишь небольшого количества металла, необходимого для изготовления полупроводников и других ответственных изделий.