Статьи

Технология производства алюминия

<

div class=”content”>

Версия для печатиВерсия для печати


Технология производства алюминия

   <p align="left"><strong>Как получают алюминий? 
      </strong></p>
    <p align="left">Алюминий повсюду - двести пятьдесят минералов содержат его. 
      Но не из всякого минерала, не из всякой глины выгодно его добывать. 
      Если одна десятая часть глины - алюминий, то возиться не стоит. Слишком 
      дорого его освобождать. А вот если из двух килограммов глины можно добыть 
      килограмм соединенного с кислородом алюминия - это другое дело. Такие 
      глины (иногда и камни), богатые алюминием, есть. И у нас в стране их 
      много. Они называются <strong>БОКСИТЫ</strong></p>
    <p align="left">Из бокситов надо прежде всего извлечь окись алюминия. У 
      окиси алюминия есть еще и другое название -- глинозем. </p>
    <p align="left">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. </p>
    <p align="left">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 <strong>заводы для получения алюминия 
      строят всегда около мощных электростанций</strong>. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>Основной рудой для получения алюминия являются бокситы. Алюминий в 
      них содержится в виде гидроокисей Al(OH), AlOOH, корунда Al2O3 и каолинита 
      Al2O3 ? 2SiO2 ? 2H2O. 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. </p>
    <p>Крупные месторождения бокситов находятся на Урале, в Тихвинском районе 
      Ленинградской области, в Алтайском и Красноярском краях. </p>
    <p>Нефелин (K ? Na2O ? Al2O3 ? 2SiO2) входит в состав апатитонефелиновых 
      пород (на Кольском полуострове). </p>
    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 &gt; 3KCl + Al (Реакция протекает 
    с выделением тепла).  
   <div align="center"><img height="333" alt="Схема производства глинозема по способу Байера" src="http://alfametal.ru/graph/all/al.gif" width="167" border="1"></div> <p>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. </p>
    <p>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. 
    </p> 
   <p>Технологический процесс получения 
      алюминия состоит из трех основных стадий: </p>
    <p>1). Получение глинозема (Al2O3) из алюминиевых руд; </p>
    <p>2). Получение алюминия из глинозема; </p>
    <p>3). Рафинирование алюминия. </p>
    <p>Получение глинозема из руд. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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: </p>
    <p>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; </p>
    <p>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: </p>
    <p>AlOOH+NaOH → NaAlO2+H2O </p>
    <p>или </p>
    <p>Al(OH)3+NaOH → NaAlO2+2H2O; </p>
    <p>содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит 
      в раствор в виде силиката натрия: </p>
    <p>SiO2+2NaOH → Na2SiO3+H2O; </p>
    <p>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; 
    </p>
    <p>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); </p>
    <p>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: </p>
    <p>Na2O ּ Al2O3+4H2O → Al(OH)3+2NaOH; </p>
    <p>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); 
    </p>
    <p>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: </p>
    <p>Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 → α-Al2O3 </p> 
  <img height="193" alt="Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают" src="http://alfametal.ru/graph/all/al2.gif" width="214" border="1"> <p>В окончательно прокаленном глиноземе содержится 
      30-50% α-Al2O3 (корунд), остальное γ-Al2O3. </p>
    <p>Этим способом извлекается 85-87% от всего получаемого глинозема. Полученная 
      окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой 
      плавления 2050 оС. </p>
    <p>Получение алюминия из его окиси </p>
    <p>Электролиз окиси алюминия </p> 
   <p>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: </p>
    <p>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); </p>
    <p>б) обожженные, или «непрерывные», аноды из больших угольных блоков 
      (например, 1900×600×500 мм массой около 1,1 т). </p> 

   <p>Сила тока на электролизерах состав­ляет 
      150 000 А. Они включаются в сеть последова­тельно, т. е. получается 
      система (серия) — длинный ряд электролизеров. </p>
    <p>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. </p>
    <p align="center"><img height="164" alt="Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия" src="http://alfametal.ru/graph/all/al4.gif" width="334" border="1"> </p>
    <p><strong>Электролиз хлорида алюминия (метод фирмы Алкоа) </strong></p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p><strong>Восстановление хлорида алюминия марганцем (Toth — метод) </strong></p>
    <p>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. </p>
    <p><strong>Получение рафинированного алюминия </strong></p>
    <p>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. </p>
    <p><strong>Рафинирование методом трехслойного электролиза </strong></p>
    <p>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. 
    </p>
    <p align="center"><img height="346" alt="ванна для рафинирования " src="http://alfametal.ru/graph/all/al3.gif" width="328" border="1"></p>
    <p>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. </p>
    <p>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. 
    </p>
    <p>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. 
    </p>
    <p>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. 
    </p>
    <p><strong>Рафинирование путем алюмоорганических комплексных соединений 
      и зонной плавкой </strong></p>
    <p>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. </p>
    <p>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. 
    </p>
    <p>Возможно применение рассмотренного метода рафинирования и в гальванотехнике. 
    </p>
    <p>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. </p>
    <p><strong>Получение вторичного алюминия </strong></p>
    <p>Переработка вторичного сырья и отходов производ­ства является экономически 
      выгодной. Получаемыми при этом вторичными спла­вами удовлетворяется 
      около 25% общей потребности в алюминии. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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.</p>
    <p align="center"><img height="372" alt="Получение вторичного алюминия " src="http://alfametal.ru/graph/all/al5.gif" width="333" border="1"> </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>Производство алюминия технической чистоты </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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). </p>
    <p>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. </p>
    <p>По современным представлениям, криолит в расплавленном состоянии диссоциирует 
      на ионы и : , а глинозем — на комплексные ионы и : , которые находятся 
      в равновесии с простыми ионами: , . </p>
    <p>Основным процессом, происходящим на катоде, является восстановление 
      ионов трехвалентного алюминия: Al3+ + 3e → Al (I). </p>
    <p>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). </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представ­лена 
      уравнением Al2O3 + xC ↔ 2Al + (2x–3)CO + (3–x)CO2. </p>
    <p>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. </p>
    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. 

   <p><strong>Первичный 
      алюминий</strong>, 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. 
      </p>
    <p>Из металлических примесей, помимо железа и кремния, содержится 
      наи­большее количество галлия, цинка, титана, марганца, натрия, 
      ванадия, хрома, меди. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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). </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. 
      </p>
    <p>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. </p> 
   <p align="center">&nbsp; </p>


   <p><strong>Получение 
      алюминия высокой чистоты </strong></p>
    <p>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. </p>
    <p>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). </p>
    <p>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+. </p>
    <p>При электролизе ионы алюминия переносятся к катоду, на 
      котором и раз­ряжаются: Al3+ + 3e → Al. В результате на катоде 
      накапливается слой расплав­ленного рафинированного алюминия. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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. </p>
    <p>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%. 
      </p>
    <p>Основным фактором, снижающим выход по току, помимо прямых 
      потерь тока на разряд бо