§ 84. Производство алюминия

Алюминий был открыт и впервые получен в свободном состоянии в 1825 г. взаимодействием калия и хлорида алюминия, т. е. металлотермическим методом. В 1854 г. началось его промышленное получение с применением в качестве восстановителя натрия. Но этот способ давал крайне дорогой продукт (почему?).

Производство алюминия начало быстро расти после открытия электролитического способа. Первый завод по этому способу пущен в Швейцарии (1888 г.).

Алюминий по этому способу получают из окиси алюминия. Но это вещество плавится при очень высокой температуре (2050°С). Поэтому электролизу подвергают раствор окиси алюминия в расплавленном криолите Na₃AlF₆. Такой электролит относительно легкоплавок и обладает высокой электропроводностью.

При температуре около 950°С в электролите растворяется мало алюминия, при повышении же температуры растворимость алюминия быстро увеличивается, что ведет к большим потерям металла. Поэтому оптимальная температура электролиза 950°С.

При электролизе на катоде выделяется жидкий алюминий:

Аl³⁺ + 3 = Аl⁰

На применяемом на заводах угольном аноде образуются окислы углерода.

Наиболее вредными примесями из металлических являются железо и кремний, которые образуют с алюминием соединения, понижающие его пластические свойства и стойкость к коррозии. Поэтому для электролиза пригодна только очень чистая окись алюминия, свободная от окислов железа и двуокиси кремния.

Важнейшим сырьем для производства окиси алюминия служат бокситы. В Советском Союзе крупные месторождения бокситов имеются в Тихвинском районе Ленинградской области, на Урале и в Северном Казахстане.

У нас в стране создано производство алюминия также из нефелина - щелочного алюмосиликата. Месторождения нефелиновых пород находятся в СССР на Кольском полуострове, в Красноярском крае и в Кемеровской области. На Кольском полуострове нефелин входит в состав апатитонефелиновой породы. Она подвергается обогащению с целью получения апатита - сырья для производства фосфорных удобрений. Из отходов выделяют нефелиновый концентрат, из "него получают окись алюминия. Щелочи, содержащиеся в сырье, превращаются в соду и поташ, кремнезем служит для получения высококачественного цемента.

Промышленный электролизер (рис. 70) представляет собой стальную ванну прямоугольной формы, выложенную внутри огнеупорным кирпичом и блоками из угольной массы. В нижние блоки закладывают стальные стержни, концы которых выводят из ванны наружу. Собирающийся на дне ванны жидкий алюминий служит катодом. Над слоем жидкого алюминия находится расплавленный электролит, в который сверху опущен угольный анод. Электрический ток подводится к аноду через стальные штыри (стержни). Анод постепенно сгорает, поэтому его наращивают, загружая в алюминиевый кожух анода углеродистую массу. Сверху и со стороны боковых стенок электролит вследствие охлаждения окружающим воздухом застывает, образуя сплошную корку. Для выхода образующихся при электролизе газов в корке пробивают отверстия.

Рис. 70. Промышленный электролизер для выплавки алюминия

Электролизер работает непрерывно, но окись алюминия загружают в ванну порциями. Предварительно ее насыпают на корку электролита и периодически взламывают корку пневматическими молотками. Примерно через 2-3 суток накопившийся алюминий сливают в ковш (рис. 71), из которого предварительно отсасывают воздух. Жидкий алюминий по трубе засасывается в ковш, а затем из него разливается по формам.

Рис. 71. Вакуумный ковш для извлечения алюминия из ванны

Для производства алюминия требуется очень много электроэнергии на лучших установках расходуется 15 000 квт*ч на 1 т алюминия. С увеличением мощности электролизеров уменьшаются потери тепла в окружающую атмосферу, следовательно, понижается удельный расход энергии, легче механизировать отдельные стадии производства, выше производительность труда.

Управление процессом электролиза связано с большими трудностями, обусловленными прежде всего тем, что в ходе процесса изменяется состав электролита, загрузка сырья и выгрузка алюминия происходят периодически и т. д.

Создание алюминиевой промышленности в СССР связано с осуществлением разработанного, под руководством. В. И. Ленина плана электрификации. Первенец советской алюминиевой промышленности - Волховский алюминиевый завод имени С. М. Кирова - был пущен в 1932 г.

Алюминий, полученный электролизом, загрязнен железом, кремнием, неметаллическими и газообразными примесями. Алюминий более высокой чистоты получают посредством очистки переплавкой и электролизом.

Часть полученного алюминия расходуется на получение сплавов. Широко применяется сплав дуралюмин - сплав алюминия с медью, магнием и марганцем. Из дуралюминов изготовляют листы, проволоку, трубы. Из литейных сплавов наиболее широко применяются силумины - сплавы алюминия с кремнием, которые хорошо свариваются.

1. Каким требованиям должен отвечать электролит, применяемый для производства алюминия?
2. На производство 1 т алюминия было израсходовано 1,92 т окиси алюминия. Каковы потери окиси алюминия в производстве?