2.1.7 Одержання алюмінію високої чистоти

                Для одержання алюмінію високої чистоти (марок А995-А95) первинний алюміній технічної чистоти електролітично рафінують. Це дозволяє знизити в алюмінії вміст металевих і газоподібних домішок і тим самим значно підвищити його електропровідність, пластичність, відбивну здатність і корозійну стійкість.

                Електролітичне рафінування алюмінію здійснюють електролізом розплавлених солей тришаровим способом. Сутність способу полягає у такому. У рафінувальному електролізері є три розплавлених шари. Нижній, найбільш важкий, лежить на струмопровідному поді і служить анодом; він називається анодним сплавом й становить сплав рафінувального алюмінію з міддю, що вводять для обважнення шару. Середній шар - розплавлений електроліт; його щільність менше щільності анодного сплаву й вище щільності чистого рафінованого (катодного) алюмінію, що перебуває над електролітом (верхній, третій рідкий шар).

                При анодному розчиненні всієї домішки більше електропозитивні, ніж алюміній (Fe, Sі, Tі, Си та ін.), залишаються в анодному сплаві, не переходячи у електроліт. Анодно розчинятися буде тільки алюміній, що у формі іонів А13+ переходить в електроліт: А1- 3е  → Аl3+.

                При електролізі іони алюмінію переносяться до катода, на якому й розряджаються: А13+ + 3е → А1. У результаті на катоді накопичується шар розплавленого рафінованого алюмінію.

                Якщо в анодному сплаві наявні домішки більш електронегативні, ніж алюміній (наприклад, Ва, Na, Mg, Ca), то вони можуть електрохімічно розчинятися на аноді разом з алюмінієм й у вигляді іонів переходити в електроліт. Оскільки вміст електронегативних домішок в алюмінії-сирці невеликий, у помітній кількості в електроліті вони не накопичуються. Розряду цих іонів на катоді практично не відбувається, тому що їхній електродний потенціал електронегативний алюмінію.

                Як електроліт при електролітичному рафінуванні алюмінію у більшості країн застосовують фторидно-хлоридний електроліт, склад якого 55-60% ВаС12, 35-40% AlF4 + NaF і 0-4% NaCl. Молярне відношення NaF : A1F3 підтримують 1,5-2,0 при температурі плавлення електроліту 720-730°С. Температура процесу електролізу близько 800°С, а щільність електроліту 2,7 г/см3.

                Анодний сплав готують з первинного алюмінію і чистої міді (99,90-99,95% Сu), яку вводять у метал в кількості 30-40%. Щільність рідкого анодного сплаву такого складу 3-3,5 г/см3. Щільність чистого розплавленого катодного алюмінію дорівнює 2,3 г/см3. При такому співвідношенні щільності створюються умови, необхідні для хорошого розділення трьох розплавлених шарів.

                У четверній системі А1-Сu-Fe-Si, до якої належить анодний сплав, утворюється евтектика з температурою плавлення 520°С. Охолоджуючи анодний сплав, що містить домішки заліза і кремнію в кількостях вище за евтектичні концентрації, можна виділити залізо і кремній в тверду фазу у вигляді інтерметалевих сполук FeSiAl5 і Cu2FeAl7. Оскільки температура анодного сплаву в кишенях електролізера на 30-40°С нижча за температуру анодного сплаву в робочому просторі ванни, в них (у міру накопичення в анодному сплаві заліза і кремнію) виділятимуться тверді інтерметалеві осади. Періодично видаляючи ці осади, очищають анодний сплав (без його оновлення) від домішок заліза і кремнію. Оскільки в анодному сплаві концентрується галій, то витягувані з електролізера осідання (30-40 кг на 1 т алюмінію) можуть служити джерелом отримання цього металу.

                Для електролітичного рафінування служать електролізери, які за конструкцією нагадують електролізери з обпаленими анодами для електролітичного отримання первинного алюмінію, але мають інше підключення полюсів: під служить анодом, а верхній ряд електродів – катодом. Сучасні електролізери для електролітичного рафінування алюмінію розраховані на силу струму до 75 кА.

                Електролітичне рафінування алюмінію є дуже енергоємним виробництвом. Витрата електроенергії в змінному струмі, включаючи енергію, витрачену на підготовку електроліту і анодного сплаву, роботу вентиляційних пристроїв і транспортних засобів, а також втрати на перетворення змінного струму в постійний, становить 18,5-21,0 тис. кВт·год. на 1 т алюмінію. Енергетичний к. к. д. рафінувальних електролізерів не перевищує 5-7%, тобто 93-95% енергії витрачається у вигляді втрат тепла, що виділяється в основному в шарі електроліту (приблизно 80-85% від загального припливу тепла). Отже, основними шляхами подальшого зниження питомої витрати електроенергії на електролітичне рафінування алюмінію є вдосконалення теплоізоляції електролізера (особливо верхньої частини конструкції) і зниження шару електроліту (зменшення міжелектродної відстані).

                Чистота алюмінію, рафінованого за тришаровим методом, 99,995%; вона визначається за різницею з п'ятьма основними домішками – залізом, кремнієм, міддю, цинком і титаном. Кількість одержуваного металу такої марки може становити 45-48% від загального випуску (без його розшихтування з нижчими сортами).

                Слід, проте, відзначити, що в електролітично рафінованому алюмінії містяться в менших кількостях домішки інших металів, що знижує абсолютну чистоту такого алюмінію. Аналіз радіоактивації дозволяє знайти в електролітично рафінованому алюмінії до 30 домішок, сумарний вміст яких становить 60·10-4%. Отже, чистота рафінованого алюмінію за різницею з цими домішками становить 99,994%.

                Крім  домішок, передбачених державним стандартом,  найпоширеніша марка (А99)  електролітично рафінованого алюмінію міститься, мас. %:   Сг 0,00016;   V 0,0001; Ga 0,0006; Pb 0,002;   Sn 0,00005;   Са 0,002-0,003;   Na 0,001-0,008; Mn 0,001-0,007; Mg 0,001-0,007; As<0,0001; Sb<0,00002; Bi<0,00001; Cd<0,000001; S 0,0007.

                Одне з джерел забруднення катодного алюмінію – графітні струмовідводи,              що містять окисел  заліза і     кремнію і постійно стикаються з рафінованим алюмінієм. Якщо струм до катодного алюмінію підводити безпосередньо алюмінієвими шинами і застосовувати інструмент з дуже чистого графіту, можна одержувати метал чистотою 99,999% за різницею з визначуваними домішками (Fe, Si, Cu, Zn і Ті). У такому металі міститься в середньому, (у мас. %): Si 0,0002; Fe 0,00032; Сі 0,0002; Zn 0,0002 і Ті 0,00005. Проте через технічні труднощі такий спосіб підведення струму поки не знайшов широкого промислового застосування.