Производство Алюминия

Одна весьма сомнительная леВнгенда рассказывает, что одВннажды к римскому императору Тиберию (42 г. до н. э. тАФ 37 г. н. э.) пришел человек с металлиВнческой, небьющейся чашей. МаВнтериал чаши якобы был получен из глинозема (Al₂O₃) и, следоваВнтельно, должен был предстаВнвлять собой алюминий. ОпаВнсаясь, что такой металл из глины может обесценить золото и серебро, Тиберий на всякий случай приказал отрубить челоВнвеку голову. Разумеется, этому рассказу трудно поверить: самоВнродный алюминий в природе не встречается, а во времена РимВнской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюмиВнний из его соединений.

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 тАУ алюмосиликатов.

Рудами алюминия могут служить лишь породы, богатые глиноземом (Al₂O₃) и залегающие крупными массами на поверхности земли. К таким породам относятся бокситы, нефелины тАФ (Na, K)₂OּAl₂O₃ּ2SiO₂, алуниты тАФ (Na, K)₂SO₄ּAl₂(SO₄)₃ּ4Al(OH)₃ и каолины (глины), полевой шпат (ортоклаз) тАФ K₂OּAl₂O₃ּ6SiO₂.

Основной рудой для получения алюминия являются бокситы. Алюминий в них содержится в виде гидроокисей Al(OH), AlOOH, корунда Al₂O₃ и каолинита Al₂O₃ּ2SiO₂ּ2H₂O. 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.

Крупные месторождения бокситов находятся на Урале, в Тихвинском районе Ленинградской области, в Алтайском и Красноярском краях.

Нефелин (KּNa₂OּAl₂O₃ּ2SiO₂) входит в состав апатитонефелиновых пород (на Кольском полуострове).

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).

В 1854 г. Сент-Клер Девиль во Франции вперВнвые применил способ Велера для промышленного производства алюминия, исВнпользовав вместо калия более дешевый натрий, а вместо гигроскопичного хлоВнрида алюминия тАФ более стойкий двойной хлорид алюминия и натрия. В 1865 г. русский физико-химик Н. Н. Бекетов показал возможность вытеснения алюмиВнния магнием из расплавленного криолита. Эта реакция в 1888 г. была испольВнзована для производства алюминия на первом немецком заводе в Гмелингене. Производство алюминия этими так называемыми ВлхимическимиВ» способами осуВнществлялось с 1854 г. по 1890 г. В течение 35 лет с помощью этих способов, было получено в общей сложности около 20 т алюминия.

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 моВнмента появления патентов Эру и Холла и начинается современная алюминиеВнвая промышленность, которая более чем за 115 лет своего существования выВнросла в одну из крупнейших отраслей металлургии.

Технологический процесс получения алюминия состоит из трех основных стадий:

1). Получение глинозема (Al₂O₃) из алюминиевых руд;

2). Получение алюминия из глинозема;

3). Рафинирование алюминия.

Получение глинозема из руд.

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.

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 169-170^оС может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

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;

2). Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230-250В°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:

AlOOH+NaOH→NaAlO₂+H₂O

или

Al(OH)₃+NaOH→NaAlO₂+2H₂O;

содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:

SiO₂+2NaOH→Na₂SiO₃+H₂O;

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 100В°С;

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);

4). Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60В°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 тАФ затравки:

Na₂OּAl₂O₃+4H₂O→Al(OH)₃+2NaOH;

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 затраВнвочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. ОстаВнток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах тАФ для выщелачивания новых бокситов);

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 1150-1300^оС; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% α-Al₂O₃ (корунд), остальное γ-Al₂O₃.

Этим способом извлекается 85-87% от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ^оС.

Получение алюминия из его окиси

Электролиз окиси алюминия

Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970В°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 углеВнрода (CO) или двуокись углерода (CO₂). На практике находят применение два типа анодов:

а) самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых ВлхлебовВ» массы Зедерберга (малозольный уголь с 25-35% каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);

б) обожженные, или ВлнепрерывныеВ», аноды из больших угольных блоков (например, 1900×600×500 мм массой около 1,1 т).

Сила тока на электролизерах составВнляет 150 000 А. Они включаются в сеть последоваВнтельно, т. е. получается система (серия) тАФ длинный ряд электролизеров.

Рабочее напряжение на ванне, составВнляющее 4-5 В, значительно выше наВнпряжения, при котоВнром происВнходит разВнлоВнжение окиси алюВнминия, поскольку в процессе рабоВнты неизбежны потери напряжения в различных частях системы. Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия представлен на рис. 3.

Электролиз хлорида алюминия (метод фирмы Алкоа)

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 подаВнется для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде.

Преимуществами данного метода перед существующим электролизом жидкого криоВнлитоглиноземного расплава (Al₂O₃, растворенная в криВнолите 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.

Восстановление хлорида алюминия марганцем (Toth тАФ метод)

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.

Получение рафинированного алюминия

Для алюминия рафиниВнрующий электролиз с разлоВнжением водных солевых расВнтворов невозможен. ПосВнкольку для некоторых целей степень очистки промышВнленВнного алюминия (Al 99,5 тАФ Al 99,8), полученного электролизом криолитоглиВнноземВнного расплава, недосВнтаточна, то из промышленВнного алюминия или отходов металла путем рафинироваВнния получают еще более чистый алюминий (Al 99, 99 R). НаВниболее известен метод рафинирования тАФ трехслойВнный электролиз.

Рафинирование методом трехслойного электролиза

Одетая стальным листом, работающая на постоянном токе (предВнставленная на рис. 4 тАФ см. выше) ванна для рафинироВнвания состоит из угольВнной подины с токоподВнводами и теплоизолиВнрующей магнезитовой футеровки. В протиВнвоположность электроВнлизу криолитоглиноВнземного расплава аноВндом здесь служит, как правило, расплавленВнный рафинируемый меВнталл (нижний анодный слой). Электролит сосВнтавляется из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фтоВнридов алюминия и натВнрия (средний слой). Алюминий, растворяюВнщийся из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой). Чистый металл служит катодом. Подвод тока к катодному слою осуществляется графитовым электродом.

Ванна работает при 750-800В°С, расход электроэнергии составляет 20 кВтּч на 1 кг чистого алюминия, т. е. несколько выше, чем при обычном электролизе алюминия.

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%) тАФ алюминий. Все тяжелые металлы и кремний при рафинировании остаются в анодВнном 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.

В результате рафинирования получают чистый алюминий (99,99%) и проВндукты сегрегации (зайгер-продукт), которые содержат тяжелые металлы и кремВнний и выделяются в виде щелочного раствора и кристаллического остатка. ЩелочВнной раствор является отходом, а твердый остаток применяется для раскисления.

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.

Рафинированный алюминий перерабатывают в полуфабрикат в указанном составе или легируют магнием (см. табл. 1.2.).

ТАБЛИЦА 1.2. Химический состав алюминия повышенной чистоты и первичного алюминия по DIN 17122
, лист 1.

Рафинирование путем алюмоорганических комплексных соединений и зонной плавкой

Алюминий степени чистоты выше марки A1 99,99 R может быть получен рафинируюВнщим электролизом чистого или технически чистого алюминия с применением в качестве электролита комплексных алюмоорганических соединений алюминия. Электролиз проходит при температуре около 1000В°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.

Этот вид рафинирующего электролиза, применяемым сначала лишь в лабораВнторном масштабе, уже осуществляется в небольшом производственном масштабе тАФ изготовляется несколько тонн металла в год. Номинальная степень очистки полуВнчаемого металла 99,999-99,9999%. Потенциальными областями применения металла такой чистоты являются криогенная электротехника и электроника.

Возможно применение рассмотренного метода рафинирования и в гальванотехнике.

Еще более высокую чистоту тАФ номинально до A1 99,99999 тАФ 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.

Получение вторичного алюминия

Переработка вторичного сырья и отходов производВнства является экономически выгодной. Получаемыми при этом вторичными сплаВнвами удовлетворяется около 25% общей потребности в алюминии.

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.

Безупречное приготовление алюминиевого скрапа в самых разнообразных пропорциях можно осуществлять только на специально оборудованных плавильВнных заводах. Представление о сложном рабочем процессе на таком заводе дает рис. 5.

Отходы переплавляют после грубой предвариВнтельной сортировки. СоВндержаВнщиеся в этих отхоВндах железо, никель или медь, точка плавления коВнторых выше точки плаВнвления алюминия, при плавке в плавильной поВнроговой печи остаются в ней, а алюминий выплавВнляется. Для удаления из отходов неметаллических включений типа окислов, нитридов, карбидов или газов применяют обраВнботку расплавленного меВнталла солями или (что рациональней) продувку газом тАФ хлором или азоВнтом.

Для удаления металВнлических примесей из расплава известны разВнличные методы, например присадка магния и вакуВнумирование тАФ метод Бекша (Becksche); приВнсадка цинка или ртути с последующим вакуумированием тАФ субгалогенный метод. Удаление магния ограничивается введением в расплавленный металл хлора. Путем введения добавок, точно определяемых составом расплава, получают заданный литейный сплав.

Производство алюминия технической чистоты

Электролитический способ тАФ 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, одВннако пока не нашли практического применения.

Для получения алюминиево-кремниевых сплавов успешно применяется электротермический способ, впервые разработанный и осуществленный в проВнмышленном 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 техничеВнским алюминием, получая силумин и другие литейные и деформируемые алюминиево-кремниевые сплавы. Ведутся исследования по извлечению из первичВнного сплава алюминия технической чистоты.

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), произВнводство углеродистой анодной массы, обожженных угольных анодных и катодВнных блоков и других футеровочных материалов, а также собственно электроВнлитическое производство алюминия, которое является завершающим этапом современной металлургии алюминия.

Характерным для производства глинозема, фтористых солей и углеродисВнтых изделий является требование максимальной степени чистоты этих материаВнлов, 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.

В глиноземе марок Г-00, Г-0 и Г-1, которые преимущественно используВнются при электролизе, содержание SiO₂ составляет 0,02-0,05%, a Fe₂O₃ тАФ 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.

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 тАФ 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 тАФ нефтяной или пековый кокс и каменноугольный пек в качестве связующего, а для производства криолита и других фтористых солей тАФ фтористый кальций (плавиковый шпат).

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) тАФ на углеродистом аноде.

По современным представлениям, криолит в расплавленном состоянии диссоциирует на ионы и : , а глинозем тАФ на комплексные ионы и : , которые находятся в равновесии с простыми ионами: , .

Основным процессом, происходящим на катоде, является восстановление ионов трехвалентного алюминия: Al³⁺ + 3e → Al (I).

Наряду с основным процессом возможен неполный разряд трехвалентных ионов алюминия с образованием одновалентных ионов: Al³⁺ + 2e → Al⁺ (II) и, наконец, разряд одновалентных ионов с выделением металла: Al⁺ + e → Al (III).

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 снижение выхода алюминия по току.

На угольном аноде происходит разряд ионов кислорода: 2O^2тАУ тАУ 4e → O₂. Однако кислород не выделяется в свободном виде, так как он окисляет углеВнрод анода с образованием смеси CO₂ и CO.

Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представВнлена уравнением Al₂O₃ + xC ↔ 2Al + (2xтАУ3)CO + (3тАУx)CO₂.

В состав электролита промышленных алюминиевых электролизеров, поВнмимо основных компонентов тАФ криолита, фтористого алюминия и глинозема, входят небольшие количества (в сумме до 8-9%) некоторых других солей тАФ CaF₂, MgF₂, NaCl и LiF (добавки), которые улучшают некоторые физико-хиВнмические 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 электроВнлита глиноземом в него вводят очередную порцию глинозема. Для нормальВнной работы алюминиевых электролизеров отношение NaF: AlF₃ в электролите поддерживают в пределах 2,7-2,8, добавляя порции криолита и фтористого алюминия.

В производстве алюминия применяют электролизеры с самообжигающимися угольными анодами и боковым или верхним подводом тока, а также электроВнлизеры с предварительно обожженными угольными анодами. Наиболее персВнпективна конструкция электролизеров с обожженными анодами, позволяющая увеличить единичную мощность агрегата, снизить удельный расход электроВнэнергии постоянного тока на электролиз, получить более чистый металл, улучВншить санитарно-гигиенические условия труда и уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Основные технические параметры и показатели работы алюминиевых элекВнтролизеров различного типа приведены в табл. 1.3.

ТАБЛИЦА 1.3

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

Первичный алюминий, извлекаемый из электролизеров (алюминий-сырец), содержит ряд примесей, которые можно подразделить на три группы: неметалВнлические (фтористые соли, α- и γ-глинозем, карбид и нитрид алюминия, угольВнные частицы, механически увлекаемые при выливке металла из электролизера); металлические (железо, кремний), переходящие из сырья, угольных материалов и конструктивных элементов электролизера; газообразные тАФ преимущественно водород, который образуется в металле в результате электролитического разВнложения воды, попадающей в электролит с сырьем.

Из металлических примесей, помимо железа и кремния, содержится наиВнбольшее количество галлия, цинка, титана, марганца, натрия, ванадия, хрома, меди. Содержание этих и некоторых других металлических микропримесей в электролитическом алюминии приведено ниже, %:

Основным источником поступления металлических микропримесей в алюВнминий является глинозем, который в зависимости от вида исходного сырья моВнжет содержать галлий, цинк, калий, фосфор, серу, ванадий, титан и хром. Углеродистые материалы (анодная масса, обожженные аноды, катодные издеВнлия) служат источником таких микропримесей, как, например, ванадий, титан, марганец, цинк.

Электролизом криолито-глиноземных расплавов при условии применения чистых исходных материалов (в первую очередь глинозема и углеродистых маВнтериалов) удается получить алюминий-сырец марок А85 и А8 (99,85 и 99,80%). Наибольшая доля металла этих марок (60-70 % от общего выпуска) полуВнчается 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, техВннологический инструмент, катодный узел).

Расплавленный первичный алюминий, извлеченный из электролизеров с поВнмощью 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 элекВнтрических 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.

Разливка алюминия из миксера в чушки производится с помощью литейВнных машин конвейерного типа; цилиндрические и плоские слитки изготавлиВнвают методом полунепрерывного литья, а для получения катанки применяют специальные агрегаты совмещенного литья и прокатки.

На отечественных алюминиевых заводах при литье слитков алюминий, поВнступающий из миксера в кристаллизатор литейной машины, подвергают просВнтейшему виду рафинирования тАФ фильтрации расплава через стеклосетку с ячейВнками 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.

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 использоВнвать кислый электролит алюминиевых электролизеров. В результате такой очистки содержание водорода в алюминии снижается с 0,22 до 0,16 см³ на 100 г металла.

В первичном алюминии, используемом для производства сплавов системы AlтАФMg, содержание натрия не должно превышать 0,001 %. Это связано с тем, что присутствие натрия в этих сплавах ухудшает механические и другие эксВнплуатационные свойства изделий, применяемых в ряде отраслей народного хоВнзяйства.

Наиболее эффективным методом одновременного рафинирования алюминия от натрия, водорода и неметаллических примесей является продувка расплавВнленного металла газовой смесью азота с 2-10% хлора, вводимой в расплав в виде мелких пузырей с помощью специальных устройств. Этот способ раВнфинирования позволяет снизить содержание натрия в алюминии до 0,0003тАФ0,001% при расходе газовой смеси от 0,8 до 1,5 м³/т металла.

Расход электроэнергии на производство 1 т товарного алюминия из металВнла-сырца при использовании электропечей составляет 150-200 кВтּч; безвозВнвратные потери металла на литейном переделе равны 1,5-5 % в зависимости от вида товарной продукции.

Получение алюминия высокой чистоты

Для получения алюминия высокой чистоты (марок А995тАФА95) первичный алюВнминий технической чистоты электролитически рафинируют. Это позвоВнляет снизить в алюминии содержание металлических и газообразных примесей и тем самым значительно повысить его электропроводность, пластичность, отВнражательную способность и коррозионную стойкость.

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 рафиниВнруемого алюминия с медью, которую вводят для утяжеления слоя. Средний слой тАФ расплавленный электролит; его плотность меньше плотности анодного сплава и выше плотности чистого рафинированного (катодного) алюминия, наВнходящегося над электролитом (верхний, третий жидкий слой).

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: AlтАУ 3e → Al³⁺.

При электролизе ионы алюминия переносятся к катоду, на котором и разВнряжаются: Al³⁺ + 3e → Al. В результате на катоде накапливается слой расплавВнленного рафинированного алюминия.

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 элекВнтролит. 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.

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 720-730В°C; температура процесса электролиза около 800В°C; плотность электролита 2,7 г/см³.

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 плотВнностей создаются условия, необходимые для хорошего разделения трех расВнплавленных слоев.

В четверной системе AlтАФCuтАФFeтАФSi, к которой относится анодный сплав, обВнразуется эвтектика с температурой плавления 520В°C. Охлаждая анодный сплав, содержащий примеси железа и кремния в количествах выше эвтектических конВнцентраций, можно выделить железо и кремний в твердую фазу в виде интерВнметаллических соединений FeSiAl₅ и Cu₂FeAl₇. Так как температура анодного сплава в карманах электролизера на 30-40В°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 обВнновления) от примесей железа и кремния. Так как в анодном сплаве концентВнрируется галлий, то извлекаемые из электролизера осадки (30-40 кг на 1 т алюминия) могут служить источником получения этого металла.

Для электролитического рафинирования служат электролизеры, которые по конструкции напоминают электролизеры с обожженными анодами для электроВнлитичес

Вместе с этим смотрят:

11-этажный жилой дом с мансардой

14-этажный 84-квартирный жилой дом

16-этажный жилой дом с монолитным каркасом в г. Краснодаре

180-квартирный жилой дом в г. Тихорецке

2-этажный 3-секционный 18-квартирный жилой дом в г. Мирном