Основное сырье для получения алюминия

Алюминий по распространенности в природе уступает только кислороду и кремнию. Кларк алюминия равен 8,05, что в пересчете на AliO3 составляет 15%. Следовательно, природные ресурсы алюминия теоретически неисчерпаемы. Из-за высокой химической активности он встречается в природе только в виде химических соединений. Известно ~ 250 минералов, содержащих алюминий. Наиболее распространены в природе соединения алюминия с кислородом.

Важнейшими алюминиевыми рудами в настоящее время являются бокситы, содержащие алюминий в форме гидратированного оксида алюминия Al2O3 • H2O, а также нефелины и алуниты. В перспективе возможно использование бесщелочных алюмосиликатов (кианитов, глин, каолинов) и некоторых промышленных отходов - высокоглиноземистых зол, шлаков и хвостов от обогащения углей.

Из алюминиевых руд, как правило, сначала выделяют глинозем - технический оксид алюминия, из которого затем получают металлический алюминий. Для производства глинозема годятся далеко не все горные породы. Возможность использования алюминийсодержащих горных пород в качестве рудного сырья для получения алюминия определяется технико-экономическими соображениями с учетом применимости известных способов переработки.

Бокситы являются рудой, наиболее широко используемой в алюминиевой промышленности. За рубежом практически весь алюминий получают из бокситовых руд. В нашей стране для производства алюминия используют также нефелины и алуниты.

Бокситом называется горная порода, состоящая главным образом из гидратированных оксидов алюминия, железа, кремния, титана и некоторых других элементов. Алюминий в бокситах может присутствовать в форме минералов диаспора или бемита (Al2O3 • H2O) или гидраргиллита (Al2O3 • ЗН20).

В бокситах могут также присутствовать карбонаты кальция и магния, соединения серы, фосфора, хрома, а также в небольших количествах соединения редких элементов: ванадия, галлия, циркония, ниобия и др. Всего в составе бокситовых руд обнаружено 42 элемента.

Химический состав бокситов изменяется в очень широких пределах как в разных месторождениях, так и в пределах одного месторождения. Содержание Al2O3 в бокситах колеблется от 35 до 60 %, SiO2 от десятых долей до 25 %, Fe2O3 от 2 до 40 %, TiO2 от следов до 11%. Содержание многих сопутствующих элементов измеряется сотыми и даже тысячными долями процента.

По внешнему виду бокситы похожи на глину. Они могут иметь различные цвета и оттенки - от белого до темно-красного. Плотность бокситов в зависимости от их пористости колеблется от 1200 до 3500 кг/м2.

Важнейшими характеристиками, определяющими качество бокситов, являются содержание оксида алюминия и кремневый модуль, который выражается отношением содержания Al2O3 к содержанию SiO2. Чем выше кремневый модуль, т.е. чем больше содержание Al2O3 и меньше SiO2, тем выше качество боксита.

В нашей стране по ГОСТ 972- 74 предусмотрено 8 марок бокситов: Б-00, Б-0, Б-1 и далее до Б-6. В марке Б-00 допускаются содержание не менее 50 % Al2O3 и кремневый модуль не менее 12, а в боксите марки Б-6 соответственно 37 % и 2.

По минералогическому составу различают следующие типы бокситов: маловодные (корундовые), одноводные (диаспоровые и бемитовые), трехводные (гидраргиллитовые) и смешанные. Обычно в бокситах присутствуют одновременно два минерала, содержащих оксид алюминия.

Электролитическое получение алюминия

Исходным продуктом для производства алюминия электролитическим путем является чистый глинозем, полученный из бокситов, содержащих А1203«65%.

Наиболее распространенным способом получения глинозема является спекание боксита при высоких температурах с содой и известняком.

Получаемый при этом продукт, содержащий алюминат натрия, после выщелачивания водой в виде алюминатного раствора разлагают углекислотой с выделением алюминия. Прокаливая последний, получают глинозем, годный для электролиза.

Процесс получения алюминия в электролизной ванне сводится к следующему. Постоянный электрический ток, проходя через электролит — расплавленный криолит (3NaF-AlF3 или Na3AlFe) и растворенный в нем глинозем А1203, поддержизает их в расплавленном состоянии и одновременно электролитически разлагает глинозем. Образующийся при этом алюминий собирается на подине ванны, служащей катодом. Таким образом, в ванне имеются два жидких слоя—слой алюминия и слой электролита, в который частично опущен анод.

В процессе работы на боковых стенках ванны за счет электролита образуется гарнисаж. На открытой поверхности ванны электролит образует твердую корку, на которую из бункеров подается глинозем. По мере необходимости корку разбивают и глинозем поступает в электролит. «Сгорание» (расход) анода происходит за счет выделения на нем кислорода, окисляющего углерод до СО и С02.

Алюминий извлекают из ванны с помощью сифона или вакуум-ковша через отверстие, пробиваемое в корке электролита.

Кожух ванны прямоугольной формы из листового металла крепят к фундаменту анкерными болтами. Дно ванны и ее боковые стены футеруют шамотным кирпичом. На шамотную футеровку дна наносят слой углеродистой массы, на которую устанавливают прессованные предварительно обожженные угольные подовые блоки.

 

 

Электрический ток подается к углеродистым подовым блокам (катодам) с помощью стальных стержней. Для обеспечения надежного контакта зазоры между блоками и стальными стержнями заливают чугуном. Швы между блоками заполняют нагретой до 70—80° С углеродистой массой. Боковые стены ванны впритык к шамотной кладке футеруются углеродистыми плитами. Глубина ванны от пода до верха футеровки стен составляет 0,4—0,5 м.

Непрерывный самообжигающийся анод представляет собой прямоугольный кожух из алюминиевых листов, куда периодически загружают горячую анодную массу, состоящую из прокаленного при температуре 1300° С без доступа воздуха нефтяного или пекового коксика (сухой остаток после перегонки нефти или каменноугольной смолы) и пека (продукт перегонки каменноугольной смолы с температурой размягчения 45—60°С).

Загружаемая анодная масса в своей верхней части находится в тестообразном состоянии и по мере опускания вниз за счет тепла, выделяемого ванной, превращается в сплошной твердый монолит.

Для предохранения от распора загружаемой анодной массой алюминиевый кожух заключен в металлический каркас, по которому анод движется вниз, как по направляющим. Электрический ток к аноду подводится с помощью алюминиевых шин через гибкие шины и стальные штыри, забиваемые в тело анода.

Штыри забивают в четыре ряда по 16—25 шт. в каждом ряду. По мере опускания анода их переставляют снизу вверх. Для подъема и опускания анода имеется специальное устройство, состоящее из механизма подъема, установленного на неподвижной раме, тросов, к которым прикреплен каркас анода, и ушков, закрепленных на каркасе и служащих для захвата забитых в тело анода штырей. На раме, опирающейся на колонны печи, смонтированы бункера, из которых глинозем поступает в печь, и металлические шторные дверцы, закрывающие ванну со всех сторон.

 

Рафинирование алюминия

Для очистки Алюминия от неметаллических примесей и газов, а также от натрия, магния и кальция его продувают хлором при температуре в 700^оС в электрических печах и отстаивают.

Чистота Алюминия после такой отчистки составляет от 99,5 до 99,85%.

Алюминии более высокой степени чистоты получают электролитическим способом, зонной плавкой и дистилляцией.