Виробництво алюмінію
Одна вельми сумнівна легенда розповідає, що одного разу до римського імператора Тиберія (42 р. до н. е. — 37 р. н. е.) прийшла людина з металевою чашею, що не б'ється. Матеріал чаші нібито був отриманий з глинозему (Al2 O3 ) і, отже, повинен був являти собою алюміній. Побоюючись, що такий метал із глини може знецінити золото та срібло, Тіберій про всяк випадок наказав відрубати людині голову. Зрозуміло, цій розповіді важко повірити: самородний алюміній у природі не зустрічається, а за часів Римської імперії не могло бути технічних засобів, які б витягти алюміній з його сполук.
Рудами алюмінію можуть бути лише породи, багаті глиноземом (Al2 O3 ) і залягають великими масами лежить на поверхні землі. До таких пород відносяться боксити, нефеліни — (Na, K)2 OּAl2 O3 ּ2SiO2 , алуніти — (Na, K)2 SO4 ּAl2 (SO4 )3 ּ4Al(OH)3 і каоліни (глини), польовий шпат (ортоклаз) — K2 OּAl2 O3 ּ6SiO2 .
Основною рудою для одержання алюмінію є боксити. Алюміній у них міститься у вигляді гідроксиду Al(OH), AlOOH, корунду Al2 O3 і каолініту Al2 O3 2SiO2 2H2 O. Хімічний склад бокситів складний: 28-70% глинозему; 0,5-20% кремнезему; 2-50% окису заліза; 0,1-10% окису титану. Останнім часом як руду стали застосовувати нефеліни та алуніти.
Великі родовища бокситів перебувають на Уралі, в Тихвінському районі Ленінградської області, Алтайському і Красноярському краях.
Нефелін входить до складу апатитонефелінових порід (на Кольському півострові).
Вперше у вільному вигляді алюміній був виділений 1825 р. датським фізиком Ерстедом шляхом впливу амальгами калію на хлорид алюмінію. У 1827р. німецький хімік Велер удосконалив спосібЕрстеда, замінивши амальгаму калію металевим калієм:
AlCl3 + 3K→3KCl + Al (Реакція протікає із виділенням тепла).
У 1854 р. Сент-Клер Девіль у Франції вперше застосував спосіб Велера для промислового виробництва алюмінію, використавши замість калію більш дешевий натрій, а замість гігроскопічного хлориду алюмінію - стійкіший подвійний хлорид алюмінію та натрію. У 1865 р. український фізико-хімік М. М. Бекетов показав можливість витіснення алюмінію магнієм із розплавленого кріоліту. Ця реакція у 1888 р. була використана для виробництва алюмінію на першому німецькому заводі у Гмелінгені. Виробництво алюмінію цими так званими «хімічними» способами здійснювалося з 1854 по 1890 р. Протягом 35 років за допомогою цих способів, було отримано загалом близько 20 т алюмінію.
Наприкінці 80-х років позаминулого століття хімічні методи витіснив електролітичний метод, який дозволив різко знизити вартість алюмінію і створив передумови швидкого розвитку алюмінієвої промисловості. Основоположники сучасного електролітичного способу виробництва алюмінію Еру у Франції та Холл у США незалежно один від одного подали в 1886 майже аналогічні заявки на патентування способу отримання алюмінію електролізом глинозему, розчиненого в розплавленому кріоліті. З моменту появи патентів Еру і Холла і починається сучасна алюмінієва промисловість, яка за 115 років свого існування виросла в одну з найбільших галузей металургії.
Технологічний процес отримання алюмінію складається із трьох основних стадій:
1). Отримання глинозему (Al2 O3) з алюмінієвих руд;
2). Одержання алюмінію із глинозему;
3). Рафінування алюмінію.
Отримання глинозему з руд.
Сутність способу полягає в тому, що алюмінієві розчини швидко розкладаються при введенні в них гідроксиду алюмінію, а розчин, що залишився, після його випарювання в умовах інтенсивного перемішування при 169-170 про С може знову розчиняти глинозем, що міститься в бокситах. Цей спосіб складається з наступних основних операцій:
1). Підготовка бокситу, що полягає в його дробленні та подрібненні в млинах; в млина подають боксит, їдкий луг і невелику кількість вапна, що покращує виділення Al2 O3; отриману пульпу подають на вилуговування;
2). Вилужування бокситу (останнім часом застосовувані досі блоки автоклав круглої форми частково замінені трубчастими автоклавами, в яких при температурах 230-250°С (500-520 К) відбувається вилуговування), що полягає в його хімічному розкладанні від взаємодії з водним розчином лугу; гідрати окису алюмінію при взаємодії зі лугом переходять у розчин у вигляді алюмінію натрію:
кремнезем, що міститься в боксіті, взаємодіє з лугом і переходить в розчин у вигляді силікату натрію:
у розчині алюмінат натрію та силікат натрію утворюють нерозчинний натрієвий алюмосилікат; у нерозчинний залишок переходять окисли титану і заліза, що надають залишку червоного кольору; цей залишок називають червоним шламом. Після закінчення розчинення отриманий алюмінат натрію розбавляють водним розчином лугу при одночасному зниженні температури на 100°З;
3). Відділення алюмінатного розчину від червоного шламу зазвичай здійснюється шляхом промивання у спеціальних згущувачах; внаслідок цього червоний шлам осідає, а алюмінійний розчин зливають і потім фільтрують (освітлюють). В обмежених кількостях шлам знаходить застосування, наприклад як добавка до цементу. Залежно від сортубокситів на 1 т одержаного окису алюмінію припадає 0,6-1,0 т червоного шламу (сухого залишку);
4). Розкладання алюмінатного розчину. Його фільтрують та перекачують у великі ємності з мішалками (декомпозери). З пересиченого розчину при охолодженні на 60°С (330 К) і постійному перемішуванні витягується гідроксид алюмінію Al(OH)3. Так як цей процес протікає повільно і нерівномірно, а формування і зростання кристалів гідроксиду алюмінію мають велике значення при її подальшій обробці, декомпозери додають велику кількість твердого гідроксиду - затравки:
5). Виділення гідроксиду алюмінію та його класифікації; це відбувається у гідроциклонах та вакуум-фільтрах, де від алюмінатного розчину виділяють осад, що містить 50-60% частинок Al(OH). Значну частину гідроокису повертають у процес декомпозиції як затравний матеріал, яка залишається в обороті в незмінних кількостях. Залишок після промивання водою йде кальцинацію; фільтрат також повертається в оборот (після концентрації у випарних апаратах – для вилуговування нових бокситів);
6). Зневоднення гідроксиду алюмінію (кальцинації); це завершальна операція виробництва глинозему; її здійснюють у трубчастих обертових печах, а останнім часом також у печах з турбулентним рухом матеріалу при температурі 1150-1300 про З; сирий гідроксид алюмінію, проходячи через піч, що обертається, висушується і зневоднюється; при нагріванні відбуваються послідовно такі структурні перетворення:
| Al(OH)3 →AlOOH→ γ-Al2 O3 → α-Al2 O3 | ||
| 200 про С- | 950 про С- | 1200 про З. |
В остаточно прожареному глиноземі міститься 30-50% -Al2 O3 (корунд), решта -Al2 O3 .
Цим способом витягується 85-87% від всього одержуваного глинозему.Отриманий окис алюмінію являє собою міцну хімічну сполуку з температурою плавлення 2050 про С.
Отримання алюмінію з його окису
Електроліз окису алюмінію
а) самопалюючі аноди Зедерберга, що складаються з брикетів, так званих «хлібів» маси Зедерберга (малозолильне вугілля з 25-35% кам'яновугільного пеку), набитих в алюмінієву оболонку; під дією високої температури анодна маса випалюється (спікається);
б) обпалені, або «безперервні», аноди з великих вугільних блоків (наприклад, 1900 600 500 мм масою близько 1,1 т).
Сила струму на електролізерах становить 150 000 А. Вони входять у мережу послідовно, т. е. виходить система (серія) — довгий ряд електролізерів.