Производство алюминия

Производство алюминия – одна из наиболее энергоемких отраслей металлургии: Для получения 1 тонны металла расходуется до 200 тыс. кВт*ч электроэнергии.

Сырье: алюминиевые руды – бокситы, нефелины (Na₃K[AlSiO₄]₄), алуниты, каолины. В бокситах алюминий содержится в виде гидроокисей Al(OH)₃, AlOOH, корунда Al₂O₃ и каолинита Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O.

Сущность процесса: извлечение алюминия из окиси алюминия путем расплава глинозема и криолита (Al₂O₃ и Na₃AlF₆) методом электролиза, причем электроды должны быть из очень чистых углеродистых материалов. Процесс состоит из 4 этапов:

1. Получение чистого глинозема из руд, например, из бокситов путем их обработки щелочью:

Al₂O₃*n* H₂O + 2NaOH → 2NaAlO₂ + (n+1)H₂O

Полученный алюминат натрия подвергают гидролизу

NaAlO₂ + 2 H₂O → NaOH + Al (OH)₃↓

В осадок выпадают гидроксиды алюминия в виде кристаллов. Их обезвоживают во вращающихся печах при t = 1150 - 1200°С и получают обезвоженный глинозем Al₂O_3.

Можно было бы просто восстановить полученный Al₂O₃ углеродом. Но при подобной реакции аолюминий соединится с углеродом Al + 4C→ Al₄C.

2. Получение криолита (Na₃AlF₆) и других фтористых солей.

2H₃AlF₆ + 3 Na₂CO₃ → 2 Na₃AlF₆↓ + 3CO₂ + 3H₂O

3. Производство угольных электродов. Сырье – твердые углеродистые материалы – антрацит, нефтяной или смоляной кокс – и связующие вещества (пек – продукт перегонки каменноугольной смолы).

Эти материалы измельчают, смешивают, прессуют и подвергают отжигу с нарастанием температуры до 1400°С в течение 200 часов. Затем медленно охлаждают.

4. Электролиз глинозема.

Электролизер состоит из металлического корпуса 1, изнутри изолированного углеродистым материалом (плитами и блоками). Внутри находится электролит (криолит, глинозем, AlF₃ и NaF).

2 – теплоизоляционная футеровка, 3 – угольные плиты, 10 – угольные блоки. Угольные электроды 4 частично погружены в электролит 6, и по мере расхода они постепенно опускаются, а верхняя часть их наращивается.

При электролизе на поду ванны (на дне, которое является катодом) осаждается расплавленный алюминий 8. За счет выделяемого тепла электролит в рабочем объеме ванны поддерживается в жидком состоянии, а на стенках затвердевает в виде гарнисажа 7. На поверхности ванны из электролита образуется твердая корка 11, на которую насыпают глинозем 5, который наполняет ванну по мере расходования глинозема из расплава.

Криолит и глинозем диссоциируют, на катоде разряжается ион Al³⁺ и образуется алюминий, а на аноде ион О^2-, который окисляет углерод анода до СО и СО₂, удаляющихся через вентиляционную систему. Осаждающийся алюминий периодически (раз в 3-4 дня) извлекается вакуум-ковшом.

Продукция: алюминий-сырец содержит металлические и неметаллические прмеси и газы, которые удаляют рафинированием. Для этого продувают хлор через расплав алюминия. Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи 30-45 минут при Т= 690-730°С. В результате всплывают неметаллические включения с пузырьками парообразного хлористого алюминия (удаляются Na, Ca, Mg и газы).

После рафинирования чистота алюминия составляет 99, 5- 99, 85%.