3.2. Производство алюминия

Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы, представляющие собой гидраты глинозема Al2O3•nH2O в смеси с оксидами железа, титана, кремния и других элементов. Лучшие бокситы содержат около 60% Al2O3.

Технологический процесс получения алюминия состоит из двух основных самостоятельных этапов – производство глинозема Al2O3 и получение из него алюминия. Способы восстановления алюминия непосредственно из бокситов и других руд пока не разработаны.

Наиболее часто для получения глинозема из руд используют так называемый метод выщелачивания. С этой целью обезвоженный при температуре около 200оС боксит измельчают в шаровых мельницах, смешивают с содой и спекают, вследствие чего получают растворимый в воде алюминат натрия. Реакция спекания протекает по уравнению

Al2O3 + Na2CO3 = Al2O3•Na2O + CO2.

Выщелачивание производится в специальных автоклавах при температуре около 250оС и давлении 1,0…1,2 МН/м2. Автоклавы представляют собой герметически закрывающиеся стальные сосуды цилиндрической формы диаметром около 2 м и высотой до 10…12 м.

Образовавшийся алюминат натрия хорошо растворяется в воде и переходит в раствор. Оксиды железа, кремния, титана и другие примеси боксита, которые на растворяются в воде, выпадают в осадок и образуют так называемый красный шлам. Полученный раствор алюмината натрия Al2O3•Na2O в виде пульпы поступает на дальнейшую обработку.

Пульпа из автоклава после фильтрации сливается в цилиндрические баки – отстойники, где при длительном и медленном перемешивании из раствора выпадает осадок гидроокиси алюминия Al(OH)3. Для ускорения процесса в отстойник вводится затравка – кристаллическая гидроокись алюминия, играющая роль катализатора. В результате идет выпадение осадка по реакции

Al2O3• Na2O +4Н2О = 2Al(OH)3 + NaOH.

Полученный осадок тщательно промывают, фильтруют и прокаливают. С этой целью используются наклонные вращающиеся печи, в которых засыпанная гидроокись постепенно перемещается в зону высоких температур (до 1200оС). В результате прокаливания образуется чистый глинозем Al2O3 по реакции

2Al(OH)3 = Al2O3 + Н2О.

Выход глинозема составляет около 85% от его содержания в боксите. На производство 1 т глинозема расходуется 2,0…2,5 т бокситов, 160…180 кг условного топлива и около 280 кВт•ч электроэнергии.

Глинозем представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления около 2050оС. Восстановление алюминия известными способами затруднительно, поэтому алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном криолите Na3AlF6. Криолит понижает температуру плавления электролита. Получают криолит из плавикового шпата CaF2 после его предварительного обогащения.

Процесс электролиза происходит в специальных электролизных ваннах – электролизерах (рис.12). Ванна имеет стальной корпус с теплоизоляционной защитой. Внутри ванна выложена угольными блоками 1. В блоки вмонтированы медные катодные шины 2, соединенные с отрицательным полюсом источника тока. Таким образом, сам корпус ванны является катодом. Сверху в ванну опускается угольный анод 3, заключенный снаружи в кожух 5 из тонких алюминиевых листов.

Современные ванны обычно устроены с самообжигающимся анодом, нижняя часть которого частично погружается в электролит. Электролитом при этом является расплав глинозема и криолита. Электролиз расплава, состоящего из глинозема и криолита, является в настоящее время основным способом выделения металлического алюминия.

По мере сгорания электроды постепенно опускаются, а верхняя часть их наращивается. Для непрерывного наращивания электрода сверху в алюминиевый кожух подается полужидкая анодная масса 4, состоящая из молотого кокса (угля) и каменноугольной смолы. В верхних слоях анодной массы температура достигает 100…140оС. По мере опускания анода вниз температура его постепенно повышается до 400…900оС, при этом анодная масса спекается (коксуется) и твердеет. Нагревание электролита до рабочей температуры 930…950оС осуществляется теплом, которое выделяется при прохождении тока между анодом и катодом. При этой температуре электролит находится в жидком состоянии и обеспечивает нормальное протекание процесса.

Ток к аноду подводится через стальные штыри 6, вбиваемые в анод. С помощью механизма подъема 7 аноды могут перемещаться по вертикали вверх и вниз.

Электролизеры питаются постоянным током силой от 50000 до 150000 А при напряжении 4,3…4,5 В. Под действием электрического тока расплавленный криолит диссоциирует на ионы, при этом положительно заряженные ионы алюминия переносятся электрическим током к катоду (поду ванны), где и происходит выделение металлического алюминия в жидком виде. В результате этого алюминий постепенно накапливается на дне ванны под слоем электролита. Откачивают алюминий периодически (раз в трое-четверо суток) через стальную трубку в вакуумный ковш. Извлечение алюминия из ванны нарушает ее тепловой режим и поэтому производится возможно реже. По мере извлечения алюминия постепенно опускают анод и тщательно регулируют все технологические режимы процесса.

Выделяющийся в процессе электролиза кислород окисляет углерод анода с образование газов СО и СО2, которые отводятся из ванны с помощью вентиляционных устройств.

Для получения 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, до 0,6 т угольных электродов, 0,1 т криолита и около 16…18 МВт•ч электроэнергии. Электроэнергия составляет более 30% стоимости получаемого алюминия. Суточная производительность ванны около 350 кг алюминия. Длительность непрерывной работы электролизера 2…3 года.

В электролизных ваннах получают алюминий технической чистоты. Для получения алюминия более высокой чистоты применяют различные способы рафинирования. Наиболее часто процесс рафинирования осуществляется путем продувки расплавленного алюминия хлором при температуре 700…750оС в течение 10…15 мин. В результате этого из алюминия удаляются различные неметаллические включения – частички угля, глинозема, фтористых солей и других включений. Для более тщательной очистки и для получения алюминия особой чистоты используют электролитическое рафинирование.

Вопросы для самопроверки:

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008