Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

291

новная масса имеющихся в алюминиевой руде примесей со щелочами не взаи-

модействует и поэтому остается в нерастворенном состоянии, а алюминий пе-

реходит в раствор. Но есть примеси, которые могут взаимодействовать со ще-

лочами. Важнейшая из них - кремнезем. Освободить раствор от него не просто.

Однако щелочные способы экономичнее кислотных, потому что все операции

можно проводить в обычной стальной и чугунной аппаратуре. Поэтому щелоч-

ные способы сейчас применяются широко

Разберем один из наиболее употребительных щелочных способов полу-

чения окиси алюминия -

способ спекания - более

подробно. Примерная схема

этого способа представлена

на рис, 152.

Боксит и известняк

дробят и дозируют с рас-

твором соды в следующей

пропорции: на каждую

грамм-молекулу А1

добавляют одну

грамм-молекулу соды и на

каждую грамм-молекулу

кремнезема в шихту вво-

дятся две грамм-молекулы

известняка. 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 трубча-

тые медленно вращающиеся печи (длиной 80-120 м, диаметром 2,5-

292

3,5 м). Указанную жидкую пульпу подают в «холодный» конец печи, где

она встречается с отходящими печными газами, имеющими температуру по-

рядка 300-400° С. В результате влага испаряется; высохшая шихта, постепенно

нагреваясь, перемещается в горячую зону, в которой температура достигает

1200- 1250° С. Схематически такая печь показана на рис. 153.

По мере нагревания в шихте протекает много сложных химических про-

цессов, важнейшие из которых можно охарактеризовать следующими химиче-

скими уравнениями

+ Fe

= Na

О • Fe

+ CО

;

CО

+ SiО

= Na

О • SiО

+ CО

;

CО

+ A1

= Na

О • A1

+ CО

;

О • SiО

+ 2CaO + A1

= Na

О • A1

+ 2CaO • SiО

Наряду с этими основными реакциями в печи спекания протекают и дру-

гие более сложные процессы, которые приводят к образованию алюминатов

кальция и ферритов кальция и некоторых других комплексных соединений.

Продукты реакций выделяются из печи в виде так называемого спека (на-

поминающего 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

О • Fe

+ 4Н

О = Fe(OH)

+ 2NaOH

Образовавшаяся гидроокись железа выпадает в осадок, а раствор обога-

щается едким натром. Полученный раствор отделяют от не-растворившихся

примесей отстаиванием и фильтрацией.

Наряду с этими желательными реакциями происходят и другие реакции,

осложняющие технологию производства чистой окиси алюминия. Так, напри-

293

мер, в раствор переходит некоторое количество силикатов натрия, что заставля-

ет проводить специальную операцию, называемую обескремниванием раствора.

Сущность этой операции сводится к длительному нагреванию и перемешива-

нию алюминатного раствора с известковым молоком в прочных закрытых ци-

линдрических сосудах со сферическими днищами, называемых автоклавами,

при температуре 150-180° С. В результате протекает ряд химических процес-

сов, главнейший из которых охарактеризуется следующим уравнением

О • А1

+ 2(Na

О • SiО

) + Са(ОН)

+ 4Н

О =

= СаО•А1

• 2SiО

• 2Н

О + 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 за-

грязненной другими веществами.

294

295

Эту операцию проводят в

ских баках с мешалками, изображенных на

рис. 154, в которые подают углекислый газ

(обычно очи щенные печные газы). Под дей-

ствием СО

алюминатный раствор разлагает-

ся, из него выпадает белый осадок- гидрат

окиси алюминия, который отделяется от рас-

твора соды фильтрацией

О•Al

+ CО

+ + 3H

О =

=Na

CО

+ А1

•ЗН

Оставшийся оборотный раствор соды

после добавления в него некоторого количест-

ва свежей соды возвращается на подготовку

шихты для очередного спекания, а гидрат оки-

си алюминия прокаливается в трубчатых вра-

щающихся печах (аналогичных печам спека-

ния) при температуре 1200° С, в результате чего получается безводный, негиг-

роскопичный глинозем, вполне пригодный для получения алюминия электро-

лизом.

§ 4. Электролитическое получение алюминия

Металлический алюминий получают электролизом расплавленных солей,

т. е. пропуская постоянный электрический ток через расплавленный криолит, в

котором растворен глинозем. Сущность этого процесса можно понять, рассмот-

рев рис. 155.

296

Электролизер состоит из основного кор-

пуса 1, футерованного внутри угольными бло-

ками, в подовую часть которого с помощью

шин 2 и 3 подведен отрицательный полюс ис-

точника тока. Над корпусом подвешен уголь-

ный анод 4, к которому с помощью шин 5 и 6

подведен положительный ток. Если в

электролизер залить расплав, состоящий их

криолита и глинозема, опустить в этот расплав

анод и пропускать через расплав постоянный

ток большой силы и необходимого напряжения, то через определенное время

на дне электролизера можно обнаружить расплавленный алюминий а, под сло-

ем б- расплавленного электролита, состоящего из криолита Na

AlF

, в котором

при температуре, близкой к 1000° С, обычно растворено от 1 до 10 % глинозе-

ма. Электролит поддерживается в расплавленном состоянии только за счет теп-

ла, выделяющегося при прохождении через него электрического тока, поэтому

часть электролита всегда настывает на холодных стенках и образует твердую

застывшую корку в, на которую сверху всегда насыпают порошкообразную

окись алюминия г.

Основы теории электролитического получения алюминия еще в двадца-

тых годах разработал профессор П. П. Федотьев. Многие ученые СССР, а также

ученые Франции, Японии и других стран изучали процессы, протекающие в

электролизерах, и на основе их работ получение металлического алюминия

электролизом может быть объяснено следующим образом. Расплавленный

криолит диссоциирует по следующей схеме

AlF

3Na

+ AlF

Комплексный ион AlF

, видимо, может диссоциировать и дальше вплоть

до ионов алюминия и фтора.

297

Такой характер диссоциации криолита хорошо подтверждается строением

его кристаллической решетки (рис. 156, а), в узлах которой отчетливо выделя-

ется октаэдр с ионом алюминия в центре и шестью ионами фтора по углам.

Глинозем, растворенный в расплавленном криолите, диссоциирует на алюми-

ний и кислородсодержащие ионы. Кристаллическая решетка корунда (рис. 156,

б) не исключает возможность первичного отщепления ионов кислорода О

поэтому диссоциацию глинозема можно представить в виде следующей схемы

А1

2А1

+ 3О

Все эти ионы принимают участие в переносе электронов при пропуска-

нии тока через электролит, но не все из них разряжаются на электродах. На ка-

тоде в первую очередь разряжаются ионы А1

, в результате чего на дне ванны

образуется слой металлического алюминия. На аноде преимущественно разря-

жаются ионы кислорода, который немедленно окисляет угольный анод, образуя

СО и СО

Конструкции промышленных электролизов в различных странах и на за-

водах, построенных в разное время, существенно отличаются, но в настоящее

время наиболее широко применяют электролизеры силой тока, превышающей

100 000 А, с верхним подводом тока к самообжигающимся анодам. Схематиче-

ский разрез такой ванны представлен на рис. 157. Получение алюминия на та-

298

ком электролизере осуществляется непрерывно в течение двух-трех лет; при

этом выполняются следующие основные операции: наблюдение за составом

электролита, обеспечение своевременной загрузки глинозема и извлечения

алюминия, наблюдение за напряжением на ванне и обслуживание самообжи-

гающейся анодной системы.

Как видно, процесс электролиза сводится к разряду ионов Аl

и О

, из

которых состоит глинозем, который непрерывно расходуется. Криолит не под-

вергается непосредственному электролизу и расходуется мало, однако из-за его

физических потерь (испарения, выплескивания и т. д.), а также взаимодействия

его отдельных составляющих с примесями глинозема и футеровкой электроли-

зера приходится систематически следить за его уровнем в ванне, равным 18-25

см, и химическим составом.

Некоторые заводы вводят в электролит небольшие добавки CaF

и MgF

для снижения температуры плавления электролита на несколько десятков гра-

299

дусов. Когда в электролите остается мало глинозема (менее 1%), возникает

анодный эффект. Внешне он проявляется быстрым скачком напряжения на

электролизере от обычных 4,0-4,7 В до 30-50 В; около анода появляются элек-

трические дуги, электролит начинает перегреваться и бурлить. Для ликвидации

анодного эффекта пробивают корку электролита и, перемешивая, растворяют в

нем глинозем (очередная порция которого всегда заранее насыпается на корку

электролита).

После растворения глинозема в электролите анодный эффект обычно

прекращается, и напряжение делается нормальным. Анодный эффект в процес-

се получения алюминия играет как положительную, так и отрицательную роль.

С одной стороны, он сигнализирует о количестве в электролите глинозема и да-

ет возможность получить представление о ходе электролиза, с другой стороны -

он приводит к перерасходу электроэнергии и нарушению теплового равновесия

ванны. Поэтому на заводах стремятся предотвратить частое появление анодных

эффектов, вводя глинозем до их появления.

Но избыток глинозема, введенного в электролит, нежелателен, так как он

не растворяется, оседает на дно под слой алюминия, который изолирует его от

электролита, что затрудняет нормальный ход электролиза. Поэтому считают

нормальным возникновение на электролизере одного-двух анодных эффектов в

сутки.

Изучением природы анодного эффекта занималось много исследователей.

На основе исследований, проведенных в Московском институте цветных ме-

таллов и золота под руководством проф. А. И. Беляева, можно сделать вывод,

что причиной, вызывающей анодный эффект, является изменение смачивае-

мости угольного анода расплавленным электролитом алюминиевой ванны при

различном содержании в нем окислов. Когда в электролите имеется значитель-

ное количество окиси алюминия, электролит хорошо смачивает угольную по-

300

верхность анода и поэтому образующиеся анодные газы легко удаляются с его

поверхности, не препятствуя прохождению электрического тока.

При уменьшении количества глинозема смачиваемость электролитом

медленно изменяется и при содержании глинозема менее 1 % количество пере-

ходит в качество - электролит перестает смачивать угольную поверхность и в

результате между электролитом и угольным анодом образуется газовая пленка,

препятствующая прохождению электрического тока, что и приводит к резкому

повышению напряжения на ванне.

Алюминий извлекают из электролизера, пробивая корку электролита и

опуская на дно футерованную огнеупором стальную трубку, через которую

алюминий откачивают в вакуумный ковш. На современной алюминиевой ванне

на 100 ООО А получают в сутки около 700 кг

алюминия, поэтому извлечение металла про-

водят не чаще чем один раз в сутки (из менее

мощных ванн один раз за двое суток).

По мере извлечения алюминия произ-

водят постепенное опускание анода и тща-

тельно регулируют напряжение и межпо-

люсное расстояние электролизера. Посколь-

ку нижняя часть анода сгорает и он посте-

пенно опускается, его необходимо наращи-

вать в верхней части. В кожух анода систе-

матически загружают анодную массу, кото-

рая постепенно коксуется на горячем конусе

анода за счет тепла, выделяющегося из ван-

ны. Токоподводящие стальные штыри посте-

пенно опускаются с анодом и во избежание их расплавления в очередной по-

следовательности они выдергиваются из его тела и поднимаются на более вы-