§ 32. Способы получения чистого глинозема

Чистый глинозем — окись алюминия А1₂0₃ — служит исходным мате­риалом в современном производстве алюминия электролитическим способом. Глинозем, идущий в электролиз, должен быть свободен от примесей и влаги.. Промышленное производство глинозема зависит от вида и качества, алю­миниевых руд и может осуществляться различными способами. В мировой практике было предложено более 200 способов получения глинозема. Прак­тически все эти способы можно разделить на три характерные группы:

1. чисто химические, когда алюминиевую руду обрабатывают химиче­скими веществами с целью образования растворимых в воде химических соединений алюминия;

2. спекание руд с последующей химической обработкой; спекание уско­ряет последующее растворение алюминия и способствует отделению посто­ронних примесей; химическая обработка помогает извлечь глинозем из раствора;

3) металлургическая обработка руды с восстановлением примесей и образованием глиноземистых шлаков, которые после химической обработки дают растворимые в воде соединения алюминия; этим способом получают ценный продукт — ферросплав железа с кремнием.

Все эти три разновидности процесса преследуют одну цель — отделить от руды посторонние примеси и получить при помощи химических реаген­тов NaOH, Na₂C0₃, ВаС0₃ растворимые соединения алюминия в воде в виде алюмината натрия Al₂0₃-Na₂0, из которого затем в водном растворе осаждается гидрат окиси алюминия при помощи углекислоты:

Al₂0₃Na₂0 + С0₂ + ЗН₂0 2A1 (ОН)₃ + Na₂C0₃.

Гидрат окиси алюминия выпадает в осадок, его отфильтровывают, сушат и прокаливают, в результате чего получается чистая окись алюминия:

2А1 (ОН), А1₂0₃ + ЗН₂0.

Чистая окись алюминия имеет высокую температуру плавления — до 2000°.

Для электролиза окись алюминия растворяют в солях — электролите — с таким расчетом, чтобы электролиз можно было вести при более низких температурах. В качестве электролита используют криолит — фторид алю­миния и натрия Na₃AlF₂; расплавленный криолит хорошо растворяет окись алюминия А1₂0₃.

Криолит может быть природным или искусственным, полученным хими­ческим путем. Последний находит большее применение в промышленности.

§ 33. Электролиз глинозема и применяемое оборудование

Для электролиза окиси алюминия применяют электролизные ванны —■ электролизеры. На фиг. 32 приведена схема ванны для электролиза алю­миния с непрерывным самообжигающимся анодом. Анод / снабжен ко­жухом 2 из алюминиевых листов толщиной 1 мм. Кожух постепенно на­ращивают коробками 3 высотой 1 м, которые вставляют одна в другую.

Подвод тока к аноду в современных ваннах может быть осуществлен сверху и сбоку. На фиг. 32 показан подвод тока сбоку. В анод забивают стальные - штыри 4 диаметром 60 мм и длиной 700—800 мм под углом 15—20° по отно­шению к горизонтальной плоскости. Штыри при помощи гибких медных лент 5 соединяют с шиной анода 6. Анод укрепляется на жесткой раме из швеллеров, которая снабжена механизмом для опускания и подъема анода. Закрепляется анод с подъемной рамой при помощи забиваемых штырей. Горизонтальная площадка 7 предназначена для обслуживания анода, наращивания коробок 3, загрузки анодной массы, засыпки порошка окиси алюминия в бункеры 8.

Ванна закрывается шторным кожухом. Газы улавливают и удаляют для извлечения HF. В кожух анода загружают анодную массу в виде брикетов

Фиг. 32. Схема электролизной алюминиевой ванны с непрерывным самообжигающимся анодом.

А; по мере опускания и нагрева эта масса расплавляется, переходит в состояние Б. В нижней части, где развиваются высокие темпера­туры, анодная масса спекается в прочный монолит В, прочность которого равна 300 кг/см² при пористости ниже 20%.

Ванну электролизера 9 выкладывают обожженными углеродистыми блоками, к которым подведены катодные шины 10. На дне ванны соби­рается алюминий 11.

По мере накопления алюминий из ванны удаляют вакуумными ков­шами 12 с трубой 13, опускаемой в алюминий. Часть электролита затвер­девает и образует корку 14. На корку периодически засыпают из бунке­ров 8 окись алюминия 15.

Для растворения очередной порции окиси алюминия корку электролита пробивают и опускают ее в расплавленный электролит 16.

Напряжение тока при электролизе составляет 5—10 в, сила тока на одну ванну достигает 100 000 а.

Электролит служит сопротивлением для прохождения тока и является элементом, нагревающим ванну до 1000°. Электролиз происходит при 950-1000°.

Общий расход материала на 1 т алюминия составляет глинозема 1,92—1,98т, криолита 0,08-0,09 т.

Механизм электролиза согласно теории П. П. Федотьева следующий расплавленный криолит, проводящий ток, сильно диссоциирует на ионы.

Na₃AlF₆ 3Na +

Глинозем, не являясь растворителем для Na₃AlF₆, диссоциируется слабо:

А1₂0₃ Al³⁺+ A10

+ з+

Ток к катоду переносится ионами Na и А1; однако по величине по­тенциалов только алюминий. А1³⁺ получает разряд и переходит в метал­лический А1:

АР³⁺ + Зе А1.

Ионы натрия с анионом А10^3- образуют алюминат натрия:

3Na⁺ + Аl Na₃A1O₃.

К аноду ток переносится ионами A1F₆, но анодный разряд проте­кает с участием А1₂0₃ с образованием газообразного кислорода'

2AlF + А1₂0₃ + 6е 2A1₂F₆ + O₂.

Выделяющийся на угольном аноде кислород вступает с углем анода в химическое взаимодействие:

2С + О₂ 2СО;

C+O₂ CO₂

поэтому аноды приходится делать сменными или непрерывными, т. е. постепенно опускаемыми. В процессе перемешивания происходит восста­новление первоначального состава электролита:

Na₃A1O₃ + Al₂F₆ = Na₃AlF₆ + A1₂0₃

Когда весь глинозем, находящийся в расплаве, восстановится, напря­жение в ванне повышается. Это явление называют анодным эффектом. Его обнаруживают по накаливанию лампочки. В этот момент пробивают корку 14 и опускают глинозем 15 в расплавленный электролит 16 (фиг. 32).

Электролизная ванна (на 50 000 а) дает около 350 кг алюминия в сутки.

В современной практике расход электроэнергии (постоянного тока) на 1 г алюминия достигает 17 500—18500 квт-ч.