Получение чистого алюминия

Электролизом криолито-глиноземных расплавов при условии применения чистых исходных материалов (в первую очередь глинозема и углеродистых ма­териалов) удается получать металл, содержащий не выше 99,5 – 99,8% алюминия. Это так называемый технический (черновой) алюминий.

Этот извлекаемый из ванн черновой алюминий содержит ряд примесей, ухудшающих его качество, поэтому для превращения в готовый продукт, черновой алюминий рафинируют.

Примеси, содержащиеся в таком алюминии, можно разбить на три группы:

1. Неметаллические (электролит, глинозем, карбид алюминия, угольные частицы), механически увлекаемые при выпуске металла из ванны

2. Металлические (железо, кремний, титан, натрий и кальций, переходящие из сырья (глинозема) - выделяющиеся на катоде совместно с алюминием)

3. Газообразные (преимущественно водород Н₂, 0₂, СО₂, СО). Водород растворяется в расплавленном алюминии в количестве до 20% его объема, и появляется в металле преимущественно в результате электролитического разложения воды, попадающей в криолитоглиноземный расплав с сырьем. При затвердевании содержащего водород металла, в нем образуются пустоты, создающие брак при его литье и прокатке.

От неметаллических и газообразных примесей, а так же от натрия и кальция, алюминий очищают либо продувкой расплавленного металла хлором, либо переплавкой.

При продувке слоя металла хлором образующиеся в результате хлорирования соединения всплы­вают на поверхность, откуда их удаляют.

Во время рафинирования, одновременно с очисткой алюминия от примесей, происходит смешивание различных по качеству его партий, благодаря чему получается средний по составу металл.

Смешивание ведут в определенных соотношениях с таким расчетом, чтобы первичный алюминий получался установленных марок.

Рафинирование алюминия хлором ведут или непосредственно в ковшах, доставляемых из цеха электролиза, или в электропечи (используются отражательные печи (миксеры) с электрическим обогревом) для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. Через расплавленный алюминий при этом по кварцевым или графитовым трубкам продувают газообразный хлор. Хлор реагирует с некоторой частью металлического алюминия, образуя AlCl₃.

Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей - глинозема, фтористых солей, карбида и угля, которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии. Обволакиваясь газовой оболочкой хлорида алюминия, эти частицы так же легко всплывают на поверхность расплавленного металла, образуя рыхлый порошок, который снимают дырчатой ложкой.

Для ковша емкостью 1300 кг продувка хлором занимает 10-15 минут при 750-770С, в электропечи рафинирование продолжается 30—45 минут при температуре 690—730 °С.

Расход хлора составляет примерно 0,1% от веса металла, а потери алюминия – около 1%.

Если рафинирование ведут в ковшах, то после хлорирования металл, предназначенный для разливки в чушки, направляют для смешивания и некоторой дополнительной очистки в рафинировочную печь. Она представляет собой электрическую печь сопротивления, под сводом которой расположены спирали из толстой нихромовой проволоки. На одной из продольных сторон печь имеет летку. Для наклона при литье печь снабжена поворотным механизмом. Алюминий из печи после рафинирования отливают в слитки – чушки (15кг), плиты (100 кг) и вайербарсы (35 кг).

Получаемый алюминий имеет чистоту 99,80-99,85%.

Алюминий высокой чистоты получают более сложными приемами: специальным электролитическим рафинированием (чистота 99,996%), зонной плавкой (99,9999%) или дистилляцией.

Зонную плавку для рафинирования алюминия разработали в СССР, в институте ВАМИ (Всесоюзный алюминиево-магниевый институт, г.Ленинград) в 1960-х годах.

Зонная плавка — один из методов разделения и очистки веществ. Метод основан на неодинаковой растворимости примесей в твердой и жидкой фазах очищаемого металла. Зонная плавка алюминия основана на том, что растворимость примесей в твердом металле (в алюминии) ниже, чем в расплавленном.

При зонной плавке алюминий помещают в тигель специальной формы - лодочку из специально очищенного графита. И этот тигель со слитком очищаемого металла передвигают с весьма малой скоростью через печь по подогреваемой кварцевой трубке, находящейся под вакуумом. При этом происходит расплавление небольшого участка (зоны) металла, находящегося в данный момент в печи. По мере перемещения тигля, зона жидкого металла передвигается от одного конца слитка к другому. Примеси, содержащиеся в металле, собираются в зоне плавления, перемещаются вместе с ней и после окончания плавки оказываются в конце слитка. Этим методом очищают от примесей германий, кремний, олово, алюминий, висмут и галлий.

Для очистки алюминия требуется до 15 повторных плавок. Можно получить хороший алюминий чистотой 99,9999%.

Так как алюминий обладает значительной химической активностью, то в ка­честве основного материала для контейнеров (лодочек) применяют особо чи­стый графит, а зонную плавку алюминия проводят в вакууме или в атмосфере инертного газа (аргон, гелий).

Зонная плавка в вакууме предпочтительнее, т.к. она обеспечивает большую чистоту алюминия из-за улетучивания части примесей при вакуумировании (улетучиваются магний, цинк, кад­мий, щелочные и щелочноземельные металлы), а также исключает загряз­нение очищенного металла примесями в результате применения защитных инертных газов.

Зонную плавку алюминия в вакууме можно проводить при не­прерывной откачке воздуха из кварцевой трубы, куда помещают графитовую лодочку со слитком алюминия, а также в запаянных кварцевых ампулах, из которых пред­варительно откачивают воздух до остаточного давления примерно 1*10^–3 Па.

55

алюминий