<
div class=”content”>
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 > 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"> </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