Технологія алюмінію

За поширеністю в природі алюміній займає перше місце серед металів; його вміст у земній корі складає 7,45%. У чистому вигляді алюміній не зустрічається внаслідок своєї високої хімічної актив­ності. Він знаходиться в складі, головним чином, алюмосилікат­них гірських порід. Рудами алюмінію можуть бути лише породи, багаті глиноземом що лежать на поверхні землі. До таких порід відносяться боксити, нефеліни, алуніти і каоліни (глини). Найважливіша алюмінієва руда — боксити — складається з гідроксидів алюмінію і заліза, кремнезему, поєднань кальцію, магнію, тощо. Зараз як руду застосовують нефеліни і алуніти. Крупні родовища бокситів знаходяться в Росії на Уралі, у Санкт-Петербургській області, в Алтайському і Красноярському краях і ін. регіонах. Нефелін входить до складу апатитонефелінових порід (на Кольському півострові). Бироо-ництво алюмінію складається з двох основних процесів: одер­жання глинозему з руди й електролізу глинозему.

Глинозем одержують трьома способами: лужним, кислотним і електротермічним. Найбільше поширення отримав лужний спосіб К.І.Байера, розроблений у Росії і який застосовується для переробки високосортних бокситів з невеликою кількістю ((5...6)%) кремнезему. За цим способом боксит після подрібнення і розмелу вилуговують концентрованим розчином їдкого натру в автоклавах (сталевих герметичних посудинах) при температурі 250 °С і тиску (2,5...3,0) МПа. Автоклави обігрівають перегрітою парою. Гідроксид алюмінію з бокситів за таких умов швидко і досить повно розчиняється з утворенням алюмінату натрію:

Кремнезем, що міститься в бокситі також розчиняється їдким натром з утворенням силікату натрію який реагує з алюмінатом натрію і водою, в результаті чого виходить натрієвий алюмосилікат що випадає в осадок.

Тому, чим більше кремнезему в бокситі, тим менше витяг глинозе­му в розчині.

Розклад ашомінатного розчину для одержання кристалічного гідроксиду алюмінію називають викручуванням. Викручування робиться в баках, куди для прискорення процесу вводять невели­ку кількість гідроксиду, що грає роль затравлення (центрів крис­талізації). Реакція гідролізу йде в розведених водою розчинах при повільному перемішуванні пульпи:

Тривалість викручування (75...90) годин. Кристалічний гідроксид після промивання фільтрують і для повного зневодження обпалюють (кальцинують) у трубчастих обертових печах довжиною до 70 м при поступовому нагріванні до 1200 °С. Отриманий глинозем охолоджують і направляють на склад чи в електролізний цех. На 1 т глинозему витрачається до 2,5 т бокситів, до 200 кг їдкого натру, до 120 кг вапна, що застосовується при регенерації їдкого натру. За лужним способом

А.А.Яковкіна для бокситів з підвищеним вмістом кремнезему руду і вапняк

після подрібнення змішують із содою та спікають при температурі

(1200...1300) °С в барабанних обертових печах. У результаті виходять окатиші спеку, що містять метаалюмінат натрію а також нерозчинний у воді двокальцієвий силікат метаферит натрію

та ін. з'єднання.

Далі алюмінат натрію вилуговують водою. Отриманий алюмінатний розчин відфільтровують, потім підігрівають до 80 °С та в баках з мішалками продувають трубними газами. При цьому оксид вуглецю (IV) з газів реагує з їдким натром з утворенням розчину соди:

що сприяє реакції гідролізу алюмінату натрію й одержанню гідрокси­ду алюмінію за цією реакцією. Цей процес називають карбонацією.

Розчин соди йде на вилуговування чи випаровування для одержання соди, а з гідроксиду одержують глинозем способом кальцинації. Для одержання глинозему з нефеліну його спікають тільки з вапняком, сода тут не потрібна, оскільки в нефеліні її міститься до 20%

Схема одержання глинозему зі спеку аналогічна розглянутій. Вапняно-кременистий шлам, що випадає при вилуговуванні спе­ку'нефеліну, використовують для виробництва цементу. Після карбонізації в розчинах міститься багато оксидів натрію і калію; їх використовують для одержання поташу і соди.

Електроліз глинозему. Одержання алюмінію здійснюється при

електролізі глинозему, розчиненого в кріоліті Способи

відновлення з оксидів, які застосовуються при одержанні інших металів, неприйнятні для одержання алюмінію, тому що він з вуглецем утворює карбід

Рис. 5.24. Електролізна ванна для вилучення алюмінію

Електролізна ванна (рис. 5.24) має сталевий кожух, який все­редині викладено шамотною цеглою. Подина і стіни ванни скла­дені з вуглецевих блоків, до яких підведені катодні шини. Вугле­цеві аноди в сучасних ваннах самообпікаються. За мірою згорян­ня вони опускаються і нарощуються зверху за рахунок рідкої анодної маси, з якої в міру нагрівання відбувається вилучення летких газів і коксування (випалення) анодної маси. Струм до анодів підводиться штирями.

У розплаві кріоліту і глинозему кількість останнього підтри­мується більш менш постійним ((8...9)%); збиток глинозему від еле­ктролізу періодично поповнюється завантаженням його нових порцій. У ході процесу температура розплаву підтримується в ме­жах (939...950) °С теплотою, що виділяється при проходженні стру­му через електроліт. Потенціал електролітичної дисоціації глино­зему (1,7В) менше, ніж кріоліту (3,7В). Глинозем дисоціює на іони:

Іони алюмінію переносять струм до катоду й осаджуються на ньому. Іони кисню розряджаються на аноді. Кисень, що виділяється, спалює вуглець аноду з утворенням і . Електроліт зверху і з боків ізольований твердою скоринкою. Що зменшує тепловтрати і випаровування електроліту.

Напруга струму у ванні за звичай — (4...4,3) В, сила струму до 140000А. Для одержання 1 кг алюмінію витрачається {60...70) МДж електроенергії і близько 2 кг глинозему. Рідкий алюміній,

що накопичується на подині ванни, періодично (кожні 1...2) доби відбирають сифоном чи вакуум-ковшем.

Електролітичний алюміній піддається наступному рафінуван­ню шляхом додаткового електролітичного процесу, при якому анодом є вихідний рідкий алюміній, а катодом — рідкий рафіно­ваний алюміній. До вихідного рідкого алюмінію додають 25% , щоб збільшити густину сплаву до 3,5 сплав розташовується на подині ванни, що є анодом. Поверх металу, що рафінується, знаходиться електроліт, що складається із суміші солей

і Na(17%) та має густину 2700 .При електролітичному рафінуванні можна довести чистоту алюмінію до 99,99% (ДСТУ 11069-74).