Материаловед

Алюминий – наиболее  распространенный металл в земной коре (8,8 %), но в чистом виде не встречается. Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы, в которых алюминий содержится в виде минералов – гидроксидов Al(OH)₃, AlO(OH), корунда Al₂O₃ и каолинита Al₂O₃ ∙ 2SiO₂ ∙ 2H₂O.

Алюминий получают электролизом глинозема – оксида алюминия (Al₂O₃) в расплавленном криолите с добавлением фтористых алюминия и натрия.

Получение алюминия включает: получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия; получение криолита из плавикого шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью. Полученный в результате этого 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 ⁰С и получают обезвоженный глинозем Al₂O_3.

Для производства криолита сначала из плавикого шпата получают фтористый водород, а затем  плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al(OH)₃, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой, и получают криолит, выпадающий в осадок:

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

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250…300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и криолит. Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в  электролит. Для  электролиза и разогрева электролита до 1000 ⁰С подводят постоянный ток. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют: на катоде разряжается ион Al ³⁺ и образуется алюминий, а на аноде – ион O ^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 алюминием-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, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению натрия, кальция, магния и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30…45 мин при температуре 690…730 ⁰С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5…99,85 %.

Познакомьтесь подробнее с технологией производства алюминия, посмотрев учебный видеофильм «Электролитическое производство алюминия».