Получение металлического алюминия

Наиболее эффективным способом массового получения металлического алюминия является электролиз из расплавленных солей, имеющих ионное строение. Основой такого расплава является криолит - 3NaF*A1F₃.

Температура плавления криолита 1008°С, но обычно присутствующие в электролите CaF₂ и MgF₂ снижают температуру плавления. Предельная растворимость А1₂0₃ в криолите при 1050°С - примерно 20%. На практике электролиз ведут при содержании глинозема в расплаве 4-8%.

Растворение глинозема в криолитовом расплаве сопровождается хими­ческой реакцией

Na₃AlF₆ + А1₂0₃ = 3NaA10F₂

Образующееся соединение немедленно диссоциирует на ионы: AlOF₂^- и Na⁺ .

Кроме того, вероятна реакция диссоциации:

Al₂O₃ <-> Al³⁺ + AlO₃ ^3-

Таким образом, расплавленный электролит алюминиевой ванны, видимо, состоит из ионов Al^3+, Na⁺, F^-, O ^2-, которые, находясь в непрерывном движении, участвуют в переносе тока, хотя их доля в этом переносе неодинакова, так как она определяется их концентрацией и подвижностью.

На катоде будет в первую очередь разряжаться ион Al³⁺, а на аноде - O^2-. В упрощенном виде электрохимические реакции на электродах можно представить в виде следующей схемы:

катодный процесс: 3A10F^{2 -} + 6е = 2Al + AIO₃^3-+ 6F^- или A1^3- + 3е = Al

анодный процесс: 3AIOF^2- - 6е = 3AI³⁺ + 6F^- + 1,50₂ или 2O^2- - 4е = 0₂

Таким образом, в конечном итоге на катоде восстанавливается алюминий, а на аноде образуется газообразный кислород.

Жидкий алюминий, выделившийся на подине, служащей катодом, тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают. Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, с выделением окиси углерода СО и двуокиси углерода CO₂. Выделяющийся на аноде кислород взаимодействует с углеродом анода и образует смесь газов СО и СО₂, которые удаляются в атмосферу. При этом СО сгорает до СО₂, образуя над коркой языки пламени.

Таким образом, процесс электролиза сводится к получению алюминия и расходованию Al₂O₃.

Глинозем вводят в ванну периодически, следя за тем, чтобы максимальное его содержание в электролите было не более 8%.

По мере хода электролиза, содержание глинозема в электролите постепенно снижается, и когда в нем остается около 1% глинозема, на нормально работающем электролизере наступает анодный эффект. Внешне он проявляется так: напряжение на ванне (обычно = 4,3- 4,5 В) начинает подниматься на несколько десятых долей вольта, а затем скачком возрастает до 20-40 вольт. На поверхности анода, соприкасающейся с электролитом, возникают мелкие электрические дуги, что сопровождается характерным шумом. Электролит быстро разогревается, усиливается его испарение, но достаточно растворить в электролите новую порцию глинозема, как напряжение на ванне снижается, анодный эффект исчезает и восстанавливается нормальный ход электролиза.

Конструкция алюминиевых ванн

На бетонном фундаменте укладываются несколько рядов строительного кирпича, на который устанавливается кожух печи. Внутри кожуха помещают два-три ряда шамотного кирпича, на котором на подушке из углеродистой массы устанавливают катодные прессованные предварительно обожженные угольные блоки.

Ток подается к катоду с помощью массивных стальных стержней. Контакт между стержнями и угольными блоками осуществляется путем заполнения промежутков между блоками угольной массой.

Для контроля за электролитом раз в день делаются анализы на криолитовое отношение. В случае недостатка фтористого алюминия или фтористого натрия, в ванну вводят недостающие соли. Для обеспечения достаточной электропроводности и жидкоподвижности электролита температуру его поддерживают в пределах 930-970°С, что значительно выше температуры плавления алюминия (660 С). Температура в электролизной ванне регулируется изменением зазора между анодами и катодным металлоприемником, на который осаждается расплавленный алюминий.

Получающийся в результате электролиза жидкий алюминий (Т_пл=660°С) скапливается на углеродистой подине, выполняющей роль катода. Над ним располагается слой расплавленного электролита (с плотностью примерно 2,1 г/см³; плотность алюминия 2,7 г/см³).

Извлечение алюминия из ванны

Вакуум-ковш

Алюминий извлекают обычно раз в 1-3 суток. В ванне на 100 000 ампер за сутки накапливается примерно 700 кг алюминия. Извлекают алюминий из ванны вакуум-ковшом.

Вакуум-ковш представляет собой литейный ковш, снабженный плотно пригнанной крышкой, через которую пропущена коленчатая труба. Другой конец трубы погружают в расплавленный металл на подине ванны. Ковш состоит из стального корпуса 1, футерованного огнеупорным кирпичом, крышки с жаровой трубой, съемного сифона со второй жаровой трубой, снабженной запирающим устройством. После погружения заборной трубы сифона в летку электролизера, в ковше создается разрежение за счет подключения жаровой трубы на крышке ковша к вакуум-линии. При этом запирающее устройство на жаровой трубе сифона должно быть закрыто. По окончании набора металла, ковш отсоединяют от вакуум-линии. Чтобы предотвратить самопроизвольный обратный перелив металла из ковша в электролизер, осуществляют разрыв струи металла в сифоне подачей воздуха через жаровую трубу и запирающее устройство. В результате одна часть металла из сифона стекает в ковш, а вторая - в электролизер. После заполнения ковша металлом, сифон извлекают, переставляют в пустой ковш и продолжают откачку металла из ванны. Ковш с набранным металлом вместе с крышкой направляют в литейный цех.