Получение аллюминия. Гидроксид алюминия


При обработке щелочью (выщелачивании) образуются легко растворимые в воде соединения — алюминаты. Основная же масса не взаимодействует со щелочами. Чтобы отделить алюминаты от нерастворимых веществ, их пропускают через фильтры и отстойники. Затем алюминатный раствор смешивают с затравкой — небольшим количеством гидрата алюминия — и в течение 100-120 час. перемешивают в специальных мешалках. В результате в осадок выделяется глинозем.

Но такой глинозем содержит еще много влаги, поэтому его необходимо обезводить. Операция обезвоживания называется кальцинированием. Глинозем загружают в огромные вращающиеся трубчатые печи. В первой их части он сушится газовым потоком, нагретым до 600°, в следующей зоне при температуре 900°. В результате вся вода из него испаряется. Затем глинозем прокаливают при температуре 1200° и охлаждают. В таком виде он поступает в электролизный цех завода.

Так из спека получают глинозем.
Так из спека получают глинозем.

Глинозем получают и другим способом-спеканием. Боксит дробят, сушат, тонко измельчают и смешивают с известняком. Потом его подвергают мокрому помолу, добавляя содовые растворы. Получается шихта. Ее спекают во вращающихся трубчатых печах при температуре 1200-1300°. Спек, содержащий алюминат натрия, измельчают и выщелачивают водой или содовыми растворами. При выщелачивании образуется алюминат натрия и твердый остаток — красный шлам. Остаток удаляют в отвал, а концентрированный раствор алюмината натрия очищают в автоклавах с добавкой извести. Чистый алюминатный раствор разлагают методом карбонизации, пропуская его через поток топочных газов, содержащих углекислоту. Гидроокись алюминия выпадает в остаток. Ее отфильтровывают, промывают и направляют во вращающиеся трубчатые печи на кальцинацию.

Очень интересен и перспективен способ комплексной переработки нефелиновых руд. При его применении наряду с глиноземом получают очень ценные продукты — соду, поташ и цемент. Переработка нефелина на глинозем требует добавления в шихту только одного компонента — известняка.

Прежде всего нефелины спекают с известняком в трубчатых вращающихся печах при температуре около 1300°. Нефелин разлагается, и образуется спек, в который входят соединения силиката и алюминаты. Его измельчают в шаровых мельницах, а затем выщелачивают. Алюминий переходит в раствор, а силикат выпадает в виде твердого осадка — шлама.

Шлам на 80-85% состоит из ценнейшего полуфабриката, который идет затем на производство высококачественного портланд-цемента. А раствор нагревают. При этом гидроокись алюминия кристаллизуется, а в растворе остаются поташ и сода. Полученный гидрат окиси алюминия прокаливают в печи и получают безводный глинозем.

При такой комплексной, т. е. одновременной, переработке используются все составные части нефелина — ни одна не идет в отходы и не выбрасывается. Этот способ выгодно отличается от способа переработки бокситов, так как дает дополнительные ценные продукты: цемент, поташ, соду.

Итак, полученный тем или иным путем глинозем надо подвергнуть дальнейшей переработке, чтобы получить чистый алюминий. Но как? Получить из глинозема чистый алюминий прямым восстановлением окисью углерода, как обычно получают железо, не удается. Для этого понадобится чрезвычайно высокая температура, и алюминий получится уже не в виде жидкости, как чугун в доменной печи, а в виде пара; кроме того, алюминий активно взаимодействует с углеродом и образует большое количество карбидов. Может быть, путем электролиза? Но обычным электролизом алюминий из глинозема получить нельзя. Окись алюминия имеет чрезвычайно высокую температуру плавления, и сам металл при такой температуре будет превращаться в пар. Пришлось, как всегда делается в таких случаях, искать специальное вещество — растворитель.

Как известно, в процессе электролиза молекулы соли или кислоты распадаются на заряженные частицы — ионы. Положительно заряженные ионы стремятся к катоду (отрицательно заряженной пластине), а отрицательные — к аноду (положительно заряженной пластине). Если раствор состоит из солей металла, то на катоде скапливаются частицы чистого металла, входившего ранее в состав этих солей.

Ванна для электролиза алюминия.
Ванна для электролиза алюминия.

Трудность получения алюминия электролизом заключается в том, что воспользоваться водным раствором какой-нибудь его соли (так, например, получают медь) не удается потому, что при этом на катоде начинает выделяться только положительный водород. Приходится пропускать электрический ток через соли, растворяющие окись алюминия (глинозем) и не содержащие в себе воды.

Наиболее подходящей солью для этого оказался криолит. В природе этот минерал в чистом виде встречается только в одном месте — в Гренландии. Добыча и вывоз его оттуда затруднены. Поэтому во всех странах мира криолит получают искусственным путем из плавикового шпата. Для этого на алюминиевом заводе есть специальное производство.

Плавиковый шпат сперва обогащают на флотационной фабрике и в виде концентрата смешивают с серной кислотой. Смесь поступает в специальную печь, где ее нагревают и получают в результате фтористый водород и гипс. Гипс идет в отвал, а газообразный фтористый водород подают в поглотительные башни. Здесь он смешивается с водой — получается плавиковая кислота. Ее очищают от различных примесей и подают в варочное отделение, где при нагревании из нее и образуется криолит.

Криолит плавят при температуре 950-1000°. И хотя эта температура очень высокая, она все же значительно ниже температуры плавления окиси алюминия. В расплавленном криолите растворяют до 20% окиси алюминия. Такой криолито-глиноземный расплав готов для электролиза.

Но это еще не все! Для электролиза необходимы электроды. При получении алюминия их расходуется очень много — примерно 600 к Г на тонну металла. Электроды должны отличаться хорошей электропроводностью, большой огнеупорностью и химической стойкостью. Их тоже изготовляют на алюминиевом заводе.

Электроды делают из нефтяного кокса, пекового кокса, антрацита. Их дробят и прокаливают при высокой температуре. Потом измельчают на шаровых мельницах, сортируют и смешивают с вяжущим веществом — каменноугольным пеком. Сырую углеродную массу прессуют и обжигают. Угольные электроды готовы.

Однако и это еще не все. В процессе электролиза необходима электроэнергия. И в очень большом количестве! Для получения тонны алюминия ее требуется не менее 18 тыс. квт-ч. Электролитическое производство алюминия невозможно без мощной энергетической базы. Поэтому алюминиевые заводы располагаются обычно вблизи наиболее дешевых источников получения электроэнергии — гидро- или тепловых электростанций.

Не стоит спорить

— Ага,— сказали алюминий и пластмассы,— мы самые главные. Только в кабельном производстве мы сэкономим до 10 млрд. руб., заменив 400 тыс. Т свинца и столько же меди.

— Я умею заменять не хуже вас, — возразил газ. И он прав: в одном лишь Узбекистане в конце семилетки его будет добыто 18 млрд. м³, причем рабочих на это потребуется всего 3 тыс. человек. А чтобы добыть равноценное количество угля, пришлось бы трудиться на 50 специально созданных шахтах 60 тыс. шахтеров.

— Химия меня сделала самым лучшим заменителем, — послышался голос древесины. И к ее словам стоит прислушаться: 1 м³ ее может заменить шерсть, настриженную с 30 овец, или урожай хлопка более чем с 0,5 га поливных земель.

В народном хозяйстве нужны и цветные металлы, и пластмассы, и уголь, и газ, и древесина, и хлопок. Только использовать их надо разумно. И очень хорошо, что они могут, где это нужно, заменять друг друга.

Электролизный цех — это целый завод. Огромные металлические кожухи ванн, укрепленных на фундаментах, выложены изнутри огнеупорным кирпичом и угольными плитами. Дно ванны — подина — служит катодом. А анод погружают сверху в электролит — криолито-глиноземный расплав. В процессе электролиза анод медленно сгорает, так как на нем скапливается кислород. А на катоде осаждается металлический алюминий. Плавка идет непрерывно. Сгоревшие электроды меняют, а скопившийся в ваннах жидкий алюминий периодически забирают вакуум-ковшами.

Последний этап — разливка жидкого алюминия в изложницы. Готовые остывшие слитки складывают, сортируют и отправляют по назначению.

Как видите, извлечение алюминия из руд — это чрезвычайно сложный и многообразный процесс, который состоит, по существу, из четырех самостоятельных производств.