Производство алюминия

Основное сырье для производства алюминия – алюминевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов – гидроокисей Al(OH)₃, AlOOH, корунда Al₂O₃ и каолинита Al₂O₃ 2SiO₂- 2H₂O. Алюминий получают электролизом глинозема – окиси алюминия (Al₂O₃)в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) с добавлением фтористых солей алюминия и натрия (AlF₃, NaF).

Производство алюминия щелочным способом включает получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью:

Al₂O₃• n H₂O + 2NaOH = 2NaAlO₂ + (n + 1) H₂O

Полученный алюминат натрия NaAlO₂ подвергают гидролизу:

NaAlO₂ + 2H₂O = NaOH + Al(OH)₃ ↓.

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия Al(OH)₃. Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре 1150-1200 ºС и получают обезвоженный глинозем Al₂O₃/

для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al (OH)₃, в результате чего образуется фторалюминевая кислота, котору. нейтрализуют содгой и получают криолит, выпадающий в осадок:

2H₃AlF₆ + 3Na₂CO₃ = 2Na₃AlF₆ ↓ + 3CO₂ + 3H₂O

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах. Электролиз глинозема Al₂O₃ проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм. находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит из угольного анода, погреженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000 ºС.

Электролит состоит из криолита, глинозема, AlF₃ и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион Al³⁺ и образуется алюминий, а на аноде – ион О^2-, который окисляет углерод анода до СО и СО₂, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюиминием-сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием. для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обвалакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, и их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30-45 мин. при температуре 690-730 ºС для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5-99,85 %.

Алюминий является легким металлом (плотность 2700 кг/м³), обладает высокими теплопроводностью и электропроводимостью, стоек к коррозии. Температура плавления алюминия 658 ºС.

Алюминевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминевые сплавы хорошо обрабатываются прокаткой, ковокй, штамповкой. К деформируемым алюминиевым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы AJ – Мп (АМц), содержащие до 1,6 % Мп, и сплавы системы Al – Mg (AMr), содержащие до 5,8 % Mg. Эти сплавы обладают высокой пластичночтью и невысокой прочностью.

К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al – Cu – Mg с добавками некоторых элементов (дуралюмины, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного химического состава. Дуралюмины (Д16 – Д18) содержат 3,8 – 4,8 % Си, 0,4 – 1,8 % Mg, а также 0,4 – 0,9 % Мп, который повышает коррозионную стойкость сплавов. Алюминий применяют для приготовления спеченных алюминиевых сплавов (САС) и спекаемых алюминиевых пудр (САП), из которых изготовляют детали методами порошковой металлургии, позволяющей получать детали с особыми свойствами – коррозионной стойкостью, прочностью, пористостью и т.д.