2.1.6. Виробництво алюмінію технічної чистоти

                Електролітичний спосіб - єдиний, що застосовується у всьому світі для виробництва металевого алюмінію технічної чистоти. Всі інші способи (цинкотермічний, карбідотермічний, субхлоридний, нітридний та ін.), за допомогою яких алюміній може бути витягнутий з алюмінієвих руд, розроблялися в лабораторному й дослідно-промисловому масштабах, однак поки не знайшли практичного застосування.

                Для одержання алюмінієво-кремнієвих сплавів успішно застосовується електротермічний спосіб. Він складається із двох стадій: на першій стадії одержують первинний алюмінієво-кремнієвий сплав із вмістом 60-63% А1 шляхом прямого відновлення алюмо-кремнистих руд у рудно-термічних електричних печах; на другій стадії первинний сплав розбавляють технічним  алюмінієм,   одержуючи  силумін  й  інші  ливарні  й  деформовані алюмінієво-кремнієві   сплави. Ведуться   дослідження   з   витягу   з первинного сплаву алюмінію технічної чистоти. В цілому одержання алюмінію електролітичним способом містить у собі виробництво глинозему (окису алюмінію) з алюмінієвих руд, виробництво фтористих солей (кріоліту, фтористого алюмінію і фтористого натрію), виробництво вуглецевої анодної маси, обпалених вугільних анодних і катодних блоків й інших футерувальних матеріалів, а також властиве електролітичне виробництво алюмінію, що є завершальним етапом сучасної металургії алюмінію. Характерним для виробництва глинозему, фтористих солей і вуглецевих виробів є вимога максимального ступеня чистоти цих матеріалів, тому що в кріолітоглиноземних розплавах, що піддаються електролізу, не повинні утримуватися домішки елементів, більш електропозитивних, ніж алюміній, які, виділяючись на катоді в першу чергу, забруднювали б метал.

                У глиноземі марок Г-00, Г-0 і Г-1, які переважно використовуються при електролізі, вміст SіО2 становить 0,02-0,05%, a Fe2O3 - 0,03-0,05%. У кріоліті в середньому утримується 0,36-0,38% SіО2 і 0,05-0,06% Fe2O3, у фтористому алюмінії 0,30-0,35% (SіО2 + Fe2O3). В анодній масі утримується не більше 0,25% SіО2 і 0,20% Fe2O3.

                При електролітичному одержанні алюмінію глинозему А12О3,  розчиненому  у  розплавленому кріоліті Na3Al6, електрохімічно розкладається з розрядом катіонів алюмінію на катоді (рідкому алюмінії), а іонів, які містять кисень (іонів кисню), – на  вуглецевому  аноді. За сучасними поданнями  кріоліт   у    розплавленому  стані  дисоціює на іони  Na+  і  AlF63- :  Na3AlF6 ↔  3Na+ + A1F63-,  а  глинозем  –  на   комплексні   іони  АlO-  і  АlO+ :  А12О3  ↔  А1O2-  +  АlO+,   які    перебувають   у     рівновазі     із      простими     іонами:   А1О2-  ↔ Аl3+ +  2О2-,  А1О+  ↔ А13+ + О2-.

                Основним   процесом,   що   відбувається   на  катоді, є   відновлення   іонів   тривалентного    алюмінію:        А13+ + Зе → А1 (I).

                На вугільному аноді відбувається розряд іонів кисню: 2О2- - 4е → О2. Однак кисень не виділяється у вільному виді, тому що він окиснює вуглець анода з утворенням суміші СО2 і СО.

                Сумарна реакція, що відбувається в електролізері, може бути представлена рівнянням

                   А12О3 + хС ↔  2А1 + (2х-3)СО + (3-х)СО2.            (2.4)

                До складу електроліту промислових алюмінієвих електролізерів, крім основних компонентів - кріоліту, фтористого алюмінію й глинозему входять у невеликій кількості (у сумі до 8-9%) деякі інші солі - CaF2, MgF2, NaCl і LіF (добавки), які поліпшують деякі фізико-хімічні властивості електроліту й тим самим підвищують ефективність роботи електролізерів. Максимальний вміст глинозему в електроліті становить звичайно 6-8%, знижуючись у процесі електролізу. У міру збідніння електроліту глиноземом у нього вводять чергову порцію глинозему. Для нормальної роботи алюмінієвих електролізерів відношення NaF: A1F3 в електроліті підтримують у межах 2,7-2,8, додаючи порції кріоліту й фтористого алюмінію.

                У виробництві алюмінію застосовують електролізери з  вугільними анодами, що самообпалюються, і бічним або верхнім підведенням струму, а також електролізери з попередньо обпаленими вугільними анодами. Найбільш перспективна конструкція електролізерів з обпаленими анодами, що дозволяє збільшити одиничну потужність агрегату, знизити питому витрату електроенергії постійного струму на електроліз, одержати більш чистий метал, поліпшити санітарно-гігієнічні умови праці й зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу.

                Електролізом кріоліто-глиноземних розплавів за умови застосування чистих вихідних матеріалів (у першу чергу глинозему й вуглецевих матеріалів) вдається одержати алюміній-сирець марок А85 і А8 (99,85 й 99,80%). Найбільша частка металу цих марок (60-70 % від загального випуску) виходить на електролізерах з обпаленими анодами, а також на електролізерах з бічним підведенням струму (до 70% від загального виробництва). На електролізерах з  анодами, що самообпалюються, і верхнім струмопідведенням випуск алюмінію-сирцю марки А8 невисокий (становить 1-3%), а метал марки А85 одержати не вдається через значні домішки заліза, що надходить в алюміній з несировинних джерел (анодні штирі, чавунні секції газоскладників, технологічний інструмент, катодний вузол). Розплавлений первинний алюміній, витягнутий з електролізерів за допомогою вакуумного ковша, надходить у ливарне відділення для рафінування від неметалічних і газових домішок і подальшої переробки в товарну продукцію (чушки, циліндричні й плоскі зливки, катанку й т.п. ). Перед розливанням алюміній-сирець витримують у розплавленому стані в електричних печах опору (міксерах) або в газових відбивних печах. У цих печах не тільки проводять раціональну шихтовку різних за складом порцій рідкого алюмінію, але й частково очищають від неметалічних включень, окисних плівок і натрію.

                Розливання алюмінію з міксера в чушки  пропонують за допомогою ливарних машин конвеєрного типу; циліндричні й плоскі зливки виготовляють методом напівбезперервного лиття, а для одержання катанки застосовують спеціальні агрегати сполученого лиття й прокатки. На вітчизняних алюмінієвих заводах при литті зливків алюміній, що надходить із міксера в кристалізатор ливарної машини, піддають найпростішому виду рафінування - фільтрації розплаву через склосітку з осередками розміром від 0,6x0,6 до 1,7x1,7 мм. Цей метод дозволяє очищати алюміній тільки від дуже грубих окисних включень; більш досконалий метод фільтрації розплаву через склосітку у висхідному потоці. При такому способі фільтрування частки окисних включень, зіштовхуючись із сіткою, не захоплюються потоком розплаву, а осаджуються на дні ливарного жолоба.

                Для одночасного очищення алюмінію як від неметалічних домішок, так і від водню успішно застосовується метод фільтрації через флюсовий фільтр у поєднанні із продуванням азотом. Як  флюс можна використати кислий електроліт алюмінієвих електролізерів. У результаті такого очищення  вміст водню в алюмінії знижується з 0,22 до 0,16 см3 на 100 г металу.

                У первинному алюмінії, використовуваному для виробництва сплавів системи Al-Mg, вміст натрію не повинен перевищувати 0,001%. Це пов'язане із тим, що наявність натрію в цих сплавах погіршує механічні й інші експлуатаційні властивості виробів, застосовуваних у ряді галузей народного господарства.

                Найбільш ефективним методом одночасного рафінування алюмінію від натрію, водню й неметалічних домішок є продувка розплавленого металу газовою сумішшю азоту з 2-10% хлору, що вводять у розплав у вигляді дрібних пухирців за допомогою спеціальних пристроїв. Цей спосіб рафінування дозволяє знизити вміст натрію в алюмінії до 0,0003- 0,001% при витраті газової суміші від 0,8 до 1,5 м3/т метали.

                Витрата електроенергії на виробництво 1 т товарного алюмінію з металу-сирцю при використанні електропечей становить 150-200 кВт·год; безповоротні втрати металу на ливарному переділі дорівнюють 1,5-5% залежно від виду товарної продукції.