В группу легких металлов, имеющих плотность меньше 5 г/см, входят Al, Mg, Ti, Be, Ca, В, Zn, К и др. Наибольшее промышленное применение из них имеют алюминий, магний, титан.

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием алюмосиликатов. Для получения алюминия используют руды, богатые глиноземом AI2O3. Чаще всего применяют бокситы, в которых содержится, %: Аl 2 О 3 40-60, Fе 2 О 3 15-30, SiO 2 5-15, ТiO 2 2-4 и гидратной влаги 10-15.

Технологический процесс производства алюминия состоит из трех этапов: извлечение глинозема из алюминиевых руд, электролиз расплавленного глинозема с получением первичного алюминия и его рафинирование. Извлечение глинозема обычно производят щелочным способом, применяемым в двух вариантах: мокром (метод Байера) и сухом.

При мокром методе бокситы сушат, измельчают и загружают в герметические автоклавы с концентрированной щелочью, где выдерживают в течение 2-3 ч при температуре 150…250 °С и давлении до 3 МПа. При этом протекают реакции взаимодействия гидрооксида алюминия с едким натром:

AI 2 O 3 + ЗН 2 О + 2NaOH=Na 2 O AI 2 O 3 + 4Н 2 О.

Раствор алюмината натрия Nа 2 О А1 2 О в виде горячей пульпы идет на дальнейшую переработку. Оксиды железа, титана и другие примеси, не растворяющиеся в щелочах, выпадают в осадок-шлам.

Кремнезем также взаимодействует со щелочью и образует силикат натрия: SiO 2 + 2NaOH = Na 2 O SiO 2 + 4Н 2 О, который, в свою очередь, взаимодействуя с алюминатом натрия, выпадает в осадок, образуя нерастворимое соединение Na 2 O· AI 2 O 3 ·2SiO 2 ·2Н 2 О.

Пульпа после фильтрации и разбавления водой сливается в отстойник, где из алюминатного раствора выпадает в осадок гидроксид алюминия:

Na 2 O· AI 2 O 3 + 4Н 2 О = 2NaOH + 2A1 (ОН) 3 .

Гидроксид алюминия фильтруют и прокаливают при температуре до 1200 °С в трубчатых вращающихся печах. В результате получается глинозем:

2А1(ОН) 3 = AI 2 O 3 + ЗН 2 О.

Сухой щелочной способ или способ спекания состоит в совместном прокаливании при температурах 1200…1300 °С смеси боксита, соды и извести, приводящем к образованию спека, в котором содержится водорастворимый алюминат натрия:

AI 2 O 3 + Nа 2 СО 3 =Na 2 O · AI 2 O 3 + СО 2 .

Известь расходуется на образование нерастворимого в воде силиката кальция СаО SiO2. Алюминат натрия выщелачивают из спека горячей водой и полученный раствор продувают углекислотой:

Na 2 O AI 2 O 3 + ЗН 2 О + СО 2 =2А1(ОН) 3 +Nа 2 СО 3 .

Осадок промывают и прокаливают, получая глинозем, как и в предыдущем способе.

Алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите Na 3 AlF 6 . Этот метод был предложен в 1886 г. одновременно Ч.Холлом в США и П.Эру во Франции и применяется до сих пор почти без изменений. Криолит получают в результате взаимодействия плавиковой кислоты HF с гидроксидом алюминия с последующей нейтрализацей содой:6HF + А1(ОН) 3 =Н 3 АlF 6 + ЗН 2 О;

H 3 AIF 6 + ЗNа 2 СО 3 =2Na 3 AlF 6 + ЗН 2 О + СО 2 -

Электролиз осуществляют в алюминиевой ванне-электролизере, схема которого приведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема электролизера для производства алюминия:

1 - катодные угольные блоки; 2 - огнеупорная футеровка; 3 - стальной кожух; 4 - угольные плиты; 5 - жидкий алюминий; 6 - металлические стержни с шинами; 7 - угольный анод; 8 - глинозем; 9 - жидкий электролит; 10 - корка затвердевшего электролита; 11 - катодная токо-подводящая шина; 12 - фундамент

Ванна имеет стальной кожух прямоугольной формы, а ее стену и подину изготавливают из угольных блоков, теплоизолированных шамотным кирпичом. В футеровку подины вмонтированы стальные катодные шины, благодаря чему угольный корпус ванны является катодом электролизера. Анодами служат самообжигающиеся, вертикально расположенные угольные электроды, погруженные в расплав. При электролизе аноды постепенно сгорают и перемещаются вниз. По мере сгорания они наращиваются сверху жидкой анодной массой, из которой при нагреве удаляются летучие и происходит ее коксование. Электролит нагревается до рабочей температуры 930-950 °С. Глинозем, расходуемый в процессе электролиза, периодически загружают в ванну сверху. Благодаря охлаждению воздухом на поверхности образуется корка электролита. На боковой поверхности ванны образуется затвердевающий слой электролита (гарнисаж), предохраняющий футеровку от разрушения и теплоизолирующий ванну. При высокой температуре глинозем AI 2 O 3 , растворенный в электролите, диссоциирует на ионы: А1 2 О 3 =2А1 3+ + O 2- На поверхности угольной подины, являющейся катодом, ионы восстанавливаются до металла: 2Al 3+ +6e=2al

По мере уменьшения содержания глинозема в электролите его периодически загружают в ванну электролизера. Жидкий алюминий скапливается на подине электролизера и периодически удаляется с помощью вакуумных ковшей.

Кислородные ионы разряжаются на угольном аноде: 3O 2- 6e= 3/2O 2 , окисляют анод, образуя СО и СО 2 , которые удаляются вентиляционными устройствами. Электролизные ванны соединяют последовательно в серии из 100-200 ванн.

Первичный алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен примесями Si, Fe, неметаллическими включениями (AI 2 O 3 ,С), а также газами, преимущественно водородом. Для очистки алюминия его подвергают рафинированию либо хлорированием, либо электролитическим способом.

Более чистый алюминий получают электролитическим рафинированием, где электролитом являются безводные хлористые и фтористые соли. В расплавленном электролите алюминий подвергают анодному растворению и электролизу. Электролитическим рафинированием получают алюминий чистотой до 99,996 %,потребляемый электрической, химической и пищевой промышленностью. Еще более чистый алюминий(99,9999 %)можно получить зонной плавкой. Этот способ дороже электролиза, мало производителен и применяется для изготовления

небольших количеств металла в тех случаях, когда необходима особая чистота, например для производства полупроводников.

Алюминий в чистом виде в природе не встречается, именно поэтому еще 200 лет назад человечество ничего не знало об этом металле. Метод получения алюминия при помощи электричества был разработан в 1886 году и применяется до сих пор. Вот как это происходит.

ДОБЫЧА БОКСИТОВ

Производство алюминия начинается с добычи бокситов. Эта горная порода богата алюминием, который содержится в ней в форме гидрооксидов. Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточены в тропическом поясе.

ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА

Боксит дробят, высушивают и размалывают в мельницах вместе с небольшим количеством воды. Образовавшуюся густую массу собирают в емкости и нагревают паром, чтобы отделить большую часть кремния, содержащегося в бокситах.

Руду загружают в автоклав и обрабатывают щелочью – едким натром. В получившейся щелочной раствор из руды переходит практически весь оксид алюминия, а все посторонние примеси формируют твердый осадок - красный шлам.

Раствор алюмината натрия несколько суток перемешивают в декомпозерах, в результате чего в осадок выпадает чистый глинозем – Al 2 O 3 .

ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ

На алюминиевом заводе глинозем засыпают в ванны с расплавленным криолитом при температуре 950 ⁰С. Через раствор пропускают электрический ток силой до 400 кА и выше – он разрывает связь между атомами алюминия и кислорода, в результате металл в жидкой форме собирается на дне ванны.

ПЕРВИЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ

Первичный алюминий отливается в слитки и отправляется потребителям, а также используется
для дальнейшего производства алюминиевых сплавов для различных целей.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Литейные алюминиевые сплавы служат для получения готовых изделий путем отливки металла в формы. При этом необходимых свойств от сплава добиваются добавлением к нему различных добавок: кремния, меди и магния. Из таких сплавов, например, производят детали автомобильных и авиационных двигателей или колесные диски.

Благодаря высокой пластичности алюминий легко прокатывается в тончайшие листы. Для этих целей соответствующие алюминиевые сплавы выливают в прямоугольные бруски, достигающие 9 метров в длину и более. Из них производят алюминиевую фольгу и банки для напитков, а также детали автомобильных кузовов и многое другое.

Путем экструзии – получения нужной формы продавливанием размягченного металла через формовое отверстие – сегодня изготавливается большинство изделий из алюминия: от оправы очков или корпуса телефона, до фюзеляжа самолета или космического корабля.

ПЕРЕРАБОТКА АЛЮМИНИЯ

В отличие от железа алюминий не подвержен коррозии, поэтому изделия из него можно переплавлять и использовать металл бесконечное количество раз. При этом переработка алюминия требует всего 5% энергии, затраченной на изготовление алюминия впервые.

процесс
производства

Производство алюминия включает
несколько этапов

Добыча бокситов

ДОБЫЧА БОКСИТОВ

Дробление

ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА

Выщелачивание

Декомпозиция

Электролиз

ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ

АЛЮМИНИЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. В 1854 А.Девиль изобрел первый практический способ промышленного производства алюминия. Рост производства был особенно быстрым во время и после Второй мировой войны. Производство первичного алюминия (без учета производства Советского Союза) составляло только 620 тыс. т в 1939, но возросло до1,9 млн. т в 1943. К 1956 во всем мире производилось 3,4 млн. т первичного алюминия; в 1965 мировое производство алюминия составило 5,4 млн. т, в 1980 - 16,1 млн. т, в 1990 - 18 млн. т.

Производство алюминия включает три основные стадии: добыча и обогащение руды; получение из руды чистой окиси алюминия (глинозема); восстановление алюминия из окиси путем электролиза.

Добыча и обогащение руды.

Основная алюминиевая руда - бокситы - добывается главным образом в карьерах; крупнейшими производителями бокситов являются Австралия, Гвинея, Ямайка и Бразилия. Обычно слой руды взрывается для образования рабочей площадки на глубине до 20 м, а потом выбирается. Куски руды дробятся и сортируются с помощью грохотов и классификаторов. Дробленая руда далее обогащается, а пустая порода (хвосты) выбрасывается. На этой стадии процесса экономически выгодно использовать методы промывки и грохочения, использующие разность плотностей руды и пустой породы для отделения их друг от друга. Менее плотная пустая порода уносится промывочной водой, а концентрат оседает на дно обогатительной установки.

Процесс Байера.

Процесс получения чистой окиси алюминия включает нагревание боксита с едким натром, фильтрование, осаждение гидроокиси алюминия и ее прокаливание для выделения чистого глинозема. На практике руда смешивается с нужным количеством горячего едкого натра в автоклаве из низкоуглеродистой стали, и смесь прокачивается через ряд стальных сосудов с паровой рубашкой. В сосудах поддерживается давление пара 1,4-3,5 МПа в течение времени от 40 мин до нескольких часов, пока не завершится переход окиси алюминия из боксита в раствор алюмината натрия в перегретой жидкости. После охлаждения твердый осадок отделяется от жидкости. Жидкость фильтруется; в результате получается пересыщенный чистый раствор алюмината. Этот раствор метастабилен: алюминат-ион разлагается с образованием гидроокиси алюминия. Добавление в раствор кристаллической гидроокиси алюминия, остающейся от предыдущего цикла, ускоряет разложение. Сухие кристаллы гидроокиси алюминия затем прокаливаются для отделения воды. Получающийся безводный глинозем пригоден для использования в процессе Холла - Эру. По экономическим соображениям в промышленности эти процессы стремятся делать по возможности непрерывными.

Электролиз Холла - Эру.

Заключительная стадия производства алюминия включает его электролитическое восстановление из чистой окиси алюминия, полученной в процессе Байера. Этот способ извлечения алюминия основывается на том (открытом Холлом и Эру) факте, что когда глинозем растворяется в расплавленном криолите, при электролизе раствора выделяется алюминий. Типичный электролизер Холла - Эру представляет собой ванну с расплавленным криолитом 3NaF Ч AlF 3 (Na 3 AlF 6) - двойным фторидом натрия и алюминия, в котором растворено 3-5% глинозема, - плавающим на подушке из расплавленного алюминия. Стальные шины, проходящие через подину из углеродистых плит, используются для подачи напряжения на катод, а подвешенные угольные бруски, погруженные в расплавленный криолит, служат анодами. Рабочая температура процесса близка к 950° С, что значительно выше температуры плавления алюминия. Температура в электролизной ванне регулируется изменением зазора между анодами и катодным металлоприемником, на который осаждается расплавленный алюминий. Для поддержания оптимальной температуры и концентрации глинозема в современных электролизерах применяются сложные системы управления. На производство алюминия расходуется очень много электроэнергии, поэтому энергетический КПД процесса - главная проблема в алюминиевой промышленности. Электродные реакции представляют собой восстановление алюминия из его окиси и окисление углерода до его окиси и двуокиси на анодах. Одна печь дает до 2,2 т алюминия в сутки. Металл сливается раз в сутки (или реже), потом флюсуется и дегазируется в отражательной копильной печи и разливается по формам.

Возобновляемые электроды Содерберга.

В электролизере Холла - Эру угольные аноды расходуются со скоростью 2,5 см/сут, так что часто требуется установка новых анодов. Чтобы исключить частое вмешательство человека в производство, был разработан процесс с использованием возобновляемого электрода Содерберга. Анод Содерберга непрерывно образуется и спекается в восстановительной камере из пасты - смеси 70% молотого кокса и 30% смоляной связки. Эта смесь набивается в прямоугольную оболочку из листовой стали, открытую с обоих концов и расположенную вертикально над ванной с расплавом внутри печи. По мере расходования анода в верхнее отверстие оболочки добавляется паста. Когда коксосмоляная смесь опускается вниз и нагревается, она спекается в твердый углеродистый брусок прежде, чем достигает рабочей зоны.

Потребление алюминия.

Около 28% производимого алюминия идет на изготовление банок для напитков, пищевой тары и всевозможных упаковок. Еще 17% используется в транспортных средствах, включая самолеты, военную технику, железнодорожные пассажирские вагоны и автомобили. Около 16% применяется в конструкциях зданий. Примерно 8% используется в высоковольтных линиях электропередачи и других электрических устройствах, 7% - в таких потребительских товарах, как холодильники, кондиционеры воздуха, стиральные машины и мебель. На нужды машиностроения и промышленное оборудование расходуется 6%. Остающаяся часть потребляемого алюминия используется в производстве телевизионных антенн, пигментов и красок, космических кораблей и судов.

Литература

Сандлер Р.А., Ратнер А.Х. Электрометаллургия алюминия и магния . Л., 1983