6.2. Производство глинозема

Для производства алюминия сначала нужно получить чистую окись алюминия. В настоящее время известны патенты на несколько сотен способов получения чистой окиси алюминия. Современная алюминиевая промышленность использует несколько способов, которые можно разбить на три группы.

Электротермические способы. Суть этих способов заключается в восстановлении алюминиевой руды в электропечи; примеси, имеющиеся в руде, восстанавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремнистый чугун), оставляют в шлаке не восстановленной только окись алюминия, но в шлаке остаются некоторые частично не восстановленные примеси. Эти способы применяются для получения глинозема, идущего на изготовление шлифовальных кругов и других абразивных изделий, но для производства высококачественного алюминия такой глинозем не пригоден.

Кислотные способы. Сущность этих способов сводится к тому, что алюминиевая руда подвергается обработке какой-либо минеральной кислотой, например соляной или серной. В процессе такой обработки кислота взаимодействует с окисью алюминия и получается соответствующая растворимая соль (например, хлористый алюминий).

Основные примеси с кислотами не реагируют (кремнезем, окись кальция и целый ряд других). Однако ряд примесей взаимодействует со многими кислотами (например, окислы железа), что создает большие дополнительные трудности, так как полностью отделить соли железа от солей алюминия в растворе очень трудно. Эти способы применяются мало, однако на них существует много патентов и за границей и у нас. А поскольку руду можно обрабатывать кислотой только в кислотоупорной аппаратуре, это очень удорожает и осложняет производство глинозема.

Щелочные способы. Эти способы в большинстве стран применяют и для получения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, что алюминиевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи (едким натром, кальцинированной содой и др.). В результате взаимодействия окиси алюминия, имеющейся в руде, с едким натром при определенных условиях образуются так называемые алюминаты натрия. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворяются в воде.

Основная масса имеющихся в алюминиевой руде примесей со щелочами не взаимодействует и поэтому остается в нерастворенном состоянии, а алюминий переходит в раствор. Но есть примеси, которые могут взаимодействовать со щелочами. Важнейшая из них – кремнезем. Однако щелочные способы экономичнее кислотных, потому что все операции можно проводить в обычной стальной и чугунной аппаратуре. Поэтому щелочные способы сейчас применяются широко.

Рассмотрим один из наиболее употребительных щелочных способов получения окиси алюминия – способ спекания – более подробно.

Боксит и известняк дробят и дозируют с раствором соды в определенных пропорциях. Полученную таким образом мокрую шихту тонко размалывают в шаровых мельницах, и она выходит из них в виде жидкой пульпы. Пульпу после проверки и некоторой корректировки направляют в трубчатые медленно вращающиеся печи (длиной 80÷120 м, диаметром 2,5÷3,5 м). Указанную жидкую пульпу подают в «холодный» конец печи, где она встречается с отходящими печными газами, имеющими температуру порядка 300÷400⁰С. В результате влага испаряется; высохшая шихта, постепенно нагреваясь, перемещается в горячую зону, в которой температура достигает 1200÷1250⁰С. По мере нагревания в шихте протекает много сложных химических процессов, которые приводят к образованию алюминатов кальция и ферритов кальция и некоторых других комплексных соединений.

Продукты реакций выделяются из печи в виде так называемого спека (напоминающего пористую гальку серого цвета), состоящего главным образом из алюмината натрия, феррита натрия и двукальциевого силиката. Полученный спек охлаждают, дробят и подвергают выщелачиванию, сущность которого заключается в воздействии на спек слабых растворов соды. В результате выщелачивания, из спека в раствор переходит алюминат натрия, а также происходит гидролиз ферритов натрия по реакции:

Na₂O^.Fe₂O₃+4H₂O=Fe(OH)₃+2NaOH

Образовавшаяся гидроокись железа выпадает в осадок, а раствор обогащается едким натром. Полученный раствор отделяют от нерастворившихся примесей отстаиванием и фильтрацией. Наряду с этими желательными реакциями происходят и другие реакции, осложняющие технологию производства чистой окиси алюминия. Так, например, в раствор переходит некоторое количество силикатов натрия, что заставляет проводить специальную операцию, называемую обескремниванием раствора. Сущность этой операции сводится к длительному нагреванию и перемешиванию алюминатного раствора с известковым молоком в прочных закрытых цилиндрических сосудах со сферическими днищами, называемых автоклавами, при температуре 150÷180⁰С. В результате протекает ряд химических процессов, главнейший из которых охарактери­зуется следующим уравнением:

Na₂O^.А1₂О₃+2(Na₂O^.Si О₂)+Са(ОН)₂+4Н₂О=СаО·А1₂Оз·2SiO₂·2Н₂О+6NaOH

Осадок

После осветления раствора от взвешенных в нем частиц фильтрацией чистый алюминатный раствор подвергается карбонизации. Назначением этой операции является выделение из раствора чистой гидроокиси алюминия, не загрязненной другими веществами. Эту операцию проводят в цилиндрических баках с мешалками, в которые подают углекислый газ (обычно очищенные печные газы). Под действием С0₂ алюминатный раствор разлагается, из него выпадает белый осадок – гидрат окиси алюминия, который отделяется от раствора соды фильтрацией

Na₂OAl₂O₃+CO₂+3H₂O=Na₂CO₃+А1₂О₃-ЗН₂О.

Оставшийся оборотный раствор соды после добавления в него некоторого количества свежей соды возвращается на подготовку шихты для очередного спекания, а гидрат окиси алюминия прокаливается в трубчатых вращающихся печах (аналогичных печам спекания) при температуре 1200⁰С, в результате чего получается безводный, негигроскопичный глинозем, вполне пригодный для получения алюминия электролизом.