Производство алюминия

Алюминиевые деформируемые сплавы являются важнейшим конструкционным материалом в авиа-, судостроении и других отраслях техники.

Алюминий — наиболее распространенный металл в природе, он входит в состав более чем 250 минералов, основная его руда — бокситы, а также нефелины и алуниты. Бокситы содержат от 30 до 70% гидратов глинозема.

Производство чистого алюминия состоит из получения глинозема из бокситов и последующего получения алюминия из глинозема. Наиболее распространенный способ получения глинозема— щелочной. Боксит дробят и размалывают в шаровых мельницах, куда добавляют щелочь NaOH, в результате чего образуется суспензия тонкоизмельченного боксита с водой. Выщелачивание (варку) полученной пульпы производят в автоклавах при температуре 150—250 °С, давлении до 3,5 МПа и концентрации щелочи 250—300 г/л. При выщелачивании образуется алюминат натрия: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂0 = Na₂O · Al₂O₃ + 4H₂O. Для очистки алюмината натрия пульпу разбавляют, промывают водой и направляют в чаны-сгустители для фильтрования. Затем производят разложение алюмината натрия: Na₂O·Al₂O₃ + 4H₂O = 2NaОН + 2Al(ОН)₃↓ и обезвоживание Al(ОН)₃ путем прокаливания при 1200 °С во вращающихся печах или в установках с кипящим слоем гидрата окиси алюминия: 2Al(ОН)₃ = Al₂O₃ + ЗH₂O. На 1 т глинозема расходуется 2—2,5 т боксита.

Для получения металлического алюминия проводят электролиз глинозема в ваннах из стального кожуха, облицованного внутри углеродными блоками. В кладку пода ванны вмонтированы катодные шины. Анодом является вертикально установленный угольный электрод, нижняя часть которого погружена в электролит — расплав из глинозема Al₂O₃ (8—10 %) и криолита Na₃AlF₆. При электролизе электролит нагревается до рабочей температуры 930—950 °С. В результате электролиза происходит распад молекул криолита и глинозема: Na₃AlF₆ →3Na⁺ + AlF₆^3-; Al₂O₃ →Al³⁺ →AlO₃^3-. На катоде разряжаются катионы алюминия: Al³⁺ +3e →Al, и, таким образом для получения металлического алюминия расходуется только глинозем. Его периодически догружают в ванну. Отрицательно заряженные анионы AlO₃^3- направляются к аноду, и в результате процесса 2ALO₃^3- — 6е →Al₂O₃ + 1,5O₂ образуется глинозем, а кислород тратится при постепенном сгорании угольных анодов. Расплавленный алюминий скапливается на дне ванны, и его периодически удаляют.

Для получения 1 т алюминия расходуется 2 т глинозема, 0,6 т угольных анодов, около 0,1 т криолита и 16 500— 18 500 кВт · ч электроэнергии.

Полученный алюминий содержит примеси (железо, кремний), ухудшающие его свойства, и поэтому подвергается рафинированию хлором или электролитическому. Рафинирование хлором заключается в продувке расплавленного алюминия при 700—750 °С хлором в течение 10—15 мин с последующим отстаиванием в ковше в течение 30—45 мин. После хлорирования получают алюминий 99,86 %-й чистоты. При электролитическом рафинировании получают алюминий особой чистоты (до 99,999 %).

Выплавку алюминиевых сплавов производят в электрических и плазменных печах. Широко распространены электрические печи сопротивления типа САН, в которых нагревательные элементы из нихрома (сплава Ni с Cr) расположены над неглубокой, но широкой ванной. Шихту загружают через камеры, расположенные с обеих сторон ванны. В них металл нагревается до плавления и стекает в центральную часть печи. Емкость электрических печей 1—3 т, производительность до 15 т в сутки. Эти печи имеют ряд преимуществ перед пламенными: снижение угара, окисления и газонасыщенности металла; высокий КПД; легкость управления процессом.

Современными плавильными агрегатами являются электрические индукционные печи емкостью до 5 т. В качестве шихтовых материалов используют первичный алюминий заданной чистоты, добавляемый к основному металлу, и отходы производства. Металлическую шихту расплавляют, доводят температуру до 680—700 °С, и рафинируют металл хлористыми солями.

Алюминиевые сплавы при плавке склонны к поглощению газов (особенно водорода) и легко окисляются. Выделяясь при затвердевании, водород способствует образованию газовой пористости в слитках. Включения окислов Al₂O₃ снижают механические свойства. Для защиты от окисления и поглощения газов плавку проводят под слоем флюса, в состав которого входят NaCl, KCl, CaF₂ и другие компоненты, и производят рафинирование.

При производстве полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов выполняются следующие операции: отливка слитков (плоских — для листа, круглых — для прутков, труб и панелей) и горячее деформирование (прокатка, прессование, ковка, штамповка). Слитки получают методом непрерывного литья, а также отливкой в изложницах. Для обеспечения однородности состава и свойств металла их гомогенизируют при температурах 450—470 °С в течение 24—28 ч для устранения ликвации. Слитки, полученные полунепрерывной разливкой, имеют толщину 200—300, ширину 900—1500, длину 2500— 6000 мм и массу до 5000 кг.