2.1.8 Отримання алюмінію особливої чистоти

                Алюміній особливої чистоти (марки А999) може бути отриманий трьома способами: зонною плавкою, дистиляцією через субгалогеніди і електролізом алюміній-органічних сполук. З перелічених способів отримання алюмінію особливої чистоти практичного застосування набув спосіб зонної плавки.

                Принцип зонної плавки полягає в багаторазовому проходженні розплавленої зони уздовж зливка алюмінію. За величиною коефіцієнтів розподілу К = Ств/Сж (де Ств – концентрація домішки у твердій і Сж – у рідкій фазах), які значною мірою визначають ефективність очищення від домішок, ці домішки можуть бути розбиті на три групи. До першої групи відносять домішки, що знижують температуру плавлення алюмінію; вони мають К<1, при зонній плавці концентруються в розплавленій зоні і переносяться нею до кінцевої частини зливка. До цих домішок належать Ga, Sn, Be, Sb, Ca, Th, Fe, Co, Ni, Се, Ті, Ba, Pt, Au, Bi, Pb, Cd, In, Na, Mg, Cu, Si, Ge, Zn. До другої групи належать домішки, що підвищують температуру плавлення алюмінію; вони характеризуються К>1 і при зонній плавці концентруються в твердій (початкової) частині зливка. До цих домішок відносять Nb, Та, Сг, Ті, Мо, V. До третьої групи відносять домішки з коефіцієнтом поділу, дуже близьким до одиниці (Mn, Sc). Ці домішки практично не відділяються при зонній плавці алюмінію.

                Алюміній, призначений для зонної плавки, піддають деякій підготовці, яка полягає у фільтрації, дегазації і травленню. Фільтрація необхідна для видалення з алюмінію тугоплавкої і міцної окисної плівки, диспергованої в металі. Окисел алюмінію, наявний в розплавленому алюмінії, може при його затвердінні створювати центри кристалізації, що веде до отримання полікристалічного зливка і порушення ефекту перерозподілу домішок між твердим металом і розплавленою зоною. Фільтрацію алюмінію ведуть у вакуумі (залишковий тиск 0,1-0,4 Па) через отвір у дні графітного тигля діаметром  1,5-2 мм. Попередню дегазацію алюмінію перед зонною плавкою (також нагріванням у вакуумі) проводять для попередження розбризкування металу при розплавленні зони у разі проведення процесу в глибокому вакуумі. Остання стадія підготовки алюмінію до зонної плавки – травлення його поверхні сумішшю концентрованих соляної і азотної кислот.

                Оскільки алюміній має значну хімічну активність і як основний матеріал для контейнерів (човників) застосовують особливо чистий графіт, то зонну плавку алюмінію проводять у вакуумі або в атмосфері інертного газу (аргон, гелій).

                Зонною плавкою у вакуумі забезпечується велика чистота алюмінію внаслідок випаровування частини домішок при вакуумуванні (магнію, цинку, кадмію, лужних і лужноземельних металів), а також виключається забруднення очищеного металу домішками у результаті застосування захисних інертних газів. Зонну плавку алюмінію у вакуумі можна проводити при безперервному відкачуванні кварцової труби, куди поміщають графітний човник із зливком алюмінію, а також у запаяних кварцових ампулах, з яких заздалегідь відкачують повітря до залишкового тиску приблизно 1-10 Па.

                Для створення розплавленої зони на зливку алюмінію при його зонній плавці може бути застосовано нагрівання за допомогою невеликих печей опору або ж струмів високої частоти. Для електроживлення печей електроопору не вимагається складної апаратури, печі прості в експлуатації. Єдиний недолік цього методу нагрівання – невеликий перетин зливка алюмінію, що очищається.

                Індукційний нагрів струмами високої частоти – ідеальний спосіб створення розплавленої зони на зливку при зонній плавці. Метод високочастотного нагрівання (крім того, що він дозволяє здійснити зонну плавку зливків великих перетинів) має важливу перевагу, що полягає у тому, що розплавлений метал безперервно перемішується в зоні; це полегшує дифузію атомів домішки від фронту кристалізації вглиб розплаву.

                Уперше промислове виробництво алюмінію високої чистоти зонною плавкою було освоєне на Волховському алюмінієвому заводі у 1965 р. на установці УЗПІ-3, розробленій ВІАМ. Ця установка була оснащена чотирма кварцовими ретортами з індукційним нагрівом, при цьому індуктори були рухомими, а контейнери з металом нерухомими. Продуктивність її становила 20 кг металу за цикл очищення. Згодом була створена і введена в промислову експлуатацію в 1972 р. на Волховському алюмінієвому заводі більш високопродуктивна суцільнометалева установка УЗПІ-4.

                Ефективність очищення алюмінію при зонній плавці може бути охарактеризована такими даними. Якщо сумарний вміст домішок в електролітично рафінованому алюмінії становить (30-60)·10-4%, то після зонної плавки воно знижується до (2,8-3,2)·10-4 %, тобто в 15-20 разів. Це відповідає залишковому електроопору алюмінію ρо (при температурі рідкого гелію 4,2 К) відповідно (20-40)·10-10 і (1,8-2,1)·10-10  або чистоті 99,997-99,994 і 99,9997%.

                Останніми роками розроблена і випробувана в промислових умовах технологія отримання алюмінію чистотою 99,9999% методом каскадної зонної плавки. Сутність способу каскадної зонної плавки полягає у тому, що очищення вихідного алюмінію чистотою А999 ведуть, послідовно повторюючи цикли (каскади) зонної плавки. При цьому вихідним матеріалом кожного подальшого каскаду служить середня, найчистіша частина зливка, одержуваного в результаті попереднього циклу очищення.

                Для отримання металу чистотою 99,9999% достатньо провести два каскади зонної плавки. Подальше збільшення числа каскадів не підвищує чистоту алюмінію, хоча і збільшує загальний вихід металу чистотою 99,9999%.

                Для  глибшого  очищення  алюмінію  і  отримання  металу чистотою 99,99999% і більше можна використовувати комбінування вказаних вище способів: електроліз алюмінійорганічних з'єднань або сублімацію через субфторид з подальшою зонною плавкою одержаного алюмінію.