Металлургия алюминия.

Ю.В.Борисоглебский, Г.В.Галевский, Н.М.Кулагин, М.Я.Минцис, Г.А.Сиразутдинов

Наука, 1999 г.

В настоящее время по объему производства алюминий занима¬ет первое место среди цветных металлов, и производство его постоянно расширяется.
Исторически первое упоминание о металлическом алю¬минии имело место в трудах First Century Roman. В зна¬менитой энциклопедии "Historia naturalis" можно найти следу¬ющую историю [1]. Однажды римскому ювелиру было позволе¬но показать императору Тибериусу обеденную тарелку из нового металла. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. Ювелир рассказал императору, что он добыл металл из обыкновенной глины. Он также заверил императора, что только он и бога знают, как получить металл из глины. Император очень заинтересовался. Однако он сразу понял, что вся его казна золота и серебра придет в упадок, если люди начнут производить этот светлый металл из глины. Поэтому, вместо ожидаемого ювелиром вознаграждения, он был обез¬главлен.
Неизвестно, насколько правдива эта история, но описан¬ные события происходили за 2000 лет до открытия человечеством способа производства алюминия. Это произошло в 1825 г., когда датский физик Г. Эрстед получил несколько миллиграм¬мов металлического алюминия термическим восстановлением хлорида алюминия калиевой амальгамой.
Немалые трудности в получении алюминия возникли вследствие следующих факторов:
— большое сродство алюминия к кислороду. алюминий может быть восстановлен углеродом из оксида при температуре около 2000 °С. Однако уже при 1200 °С углерод взаимодейст¬вует с алюминием, давая карбид;
— высокий электрохимический потенциал алюминия (-1,67 В). Из водных растворов получить алюминий невозмож¬но, так как на катоде практически будет идти процесс выде¬ления водорода (разложения воды);
— высокая температура плавления глинозема (2050 °С), что исключает возможность проведения электролиза расплав¬ленного глинозема.
Промышленное производство алюминия связано с именем француза Анри Сент-Клер Девиля. Ему хорошо были известны эксперименты Г. Эрстеда и другого ученого — Ф. Велера, которому в 1827 г. удалось выделить крупинки алюминия. Причиной неудачи Ф. Велера было то, что эти крупинки на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида алюминия.
Прежде всего А.С.-К. Девиль в процессе получения метал¬ла заменяет калий более дешевым натрием и проводит лабора¬торные опыты в крупном масштабе. Полученный хлорид алю¬миния загружался в большую стальную трубу, в которой на равном расстоянии друг от друга были расставлены сосуды, наполненные металлическим натрием. При нагреве проис¬ходило взаимодействие хлорида алюминия с натрием в газовой фазе и частицы алюминия оседали на дно трубы. Образован¬ные в результате реакции зернышки тщательно собирали, плавили и получали слитки металла.
Новый способ производства алюминия оказался очень трудоемким. Кроме того, взаимодействие паров хлорида алю¬миния с натрием нередко протекает со взрывом. В лаборатор¬ных условиях это не представляло серьезной опасности, а в заводских условиях могло вызвать катастрофу. А.С.-К. Девиль заменил хлорид алюминия смесью А1С13 с NaCl. Теперь участ¬ники реакции находились в расплавленном состоянии. Взрывы прекратились, но, что самое главное, вместо небольших ко¬рольков металла, которые надо было собирать вручную, полу¬чали значительное количество жидкого алюминия.
Опыты на заводе Жавеля увенчались успехом. R 1855 г. был получен первый слиток металла массой 6—8 кг. Эстафету производства алюминия химическим способом продолжил русский ученый Н.Н. Бекетов. Он проводил реакцию взаимодействия между криолитом (Na3AlF6) и маг¬нием. способ Н.Н. Бекетова мало чем отличался от метода А.С.-К. Девиля, но был проще. В немецком городе Гмелингеме в 1885 г. был построен завод, использующий способ Н.Н. Бекетова, где за пять лет было получено 58 т алю¬миния — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890 г. [2].
Получение алюминия химическим способом не могло обес¬печить промышленность дешевым металлом. Он был мало¬производителен и не давал чистый без примесей алюминий. Это заставило исследователей разных стран мира искать новые способы производства алюминия.
На помощь ученым пришел электрический ток. Еще в 1808 г. Г. Дэви пытался разложить глинозем с помощью мощ¬ной электрической батареи, но безуспешно. Спустя почти 50 лет Р. Бунзен и А.С.-К. Девиль независимо друг от друга провели электролиз смеси хлоридов алюминия и натрия. Они были удачливее своего предшественника и сумели получить маленькие капельки алюминия. Однако в те времена не было еще дешевых и достаточно мощных источников электро¬энергии. Поэтому электролиз алюминия имел только чисто теоретический интерес.
В 1867 г. была изобретена динамо-машина, а вскоре элек¬троэнергию научились передавать на большие расстояния. Электричество начало вторгаться в промышленность.
В 1886 г. П. Эру во Франции и Ч. Холл в США почти одновременно положили начало современному способу про¬изводства алюминия, предложив получать его электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите (способ Холла — Эру). С этого момента новый способ производства алюминия начинает быстро развиваться, чему способствовали усовершенствование электротехники, а также разработка спо¬собов извлечения глинозема из алюминиевых руд. Значитель¬ный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К.И. Байер, Д.А. Пеняков, А.Н. Кузнецов, Е.И. Жу¬ковский, А.А. Яковкин и др.
В царской России не существовало собственной алю¬миниевой промышленности. Однако первые теоретические ис¬следования в области электролиза алюминия принадлежали выдающемуся русскому ученому, основоположнику электроме¬таллургии цветных металлов в нашей стране проф. П.П. Федотьеву. В 1912 г. им совместно с В.П. Ильинским был опуб¬ликован труд "Экспериментальные исследования по электроме¬таллургии алюминия", который был сразу переведен на многие иностранные языки и стал настольной книгой для металлургов всего мира. П.П. Федотьев и В.П. Ильинский в Петербургском политехническом институте (С.-Петербургский государствен¬ный технический университет) провели тщательные исследо¬вания по выбору оптимального состава электролита, а также выяснили, как влияют на растворимость глинозема в криолите и температуру кристаллизации добавки фторидов натрия, алю¬миния и кальция.
28 марта 1929 г. в газете "Ленинградская правда" была опубликована заметка, в которой сообщалось о том, что на опытной установке завода "Красный выборжец" впервые полу¬чено из одной ванны 8 кг металлического алюминия. Это положило начало нашей алюминиевой промышленности.
В 1931 г. был организован научно-исследовательский ин¬ститут алюминиево-магниевой промышленности (ВАМИ), в 1932 г. пущен Волховский, а в 1933 г. — Днепровский алю¬миниевые заводы. С тех пор алюминиевая промышленность стала бурно развиваться в различных районах страны.
2.2. Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов
электролиз криолитоглиноземных расплавов является основ¬ным способом получения алюминия, хотя некоторое коли¬чество алюминиевых сплавов получается электротермическим способом.
Первые промышленные электролизеры были на силу тока до 0,6 кА и за последующие 100 лет она возросла до 300 кА. Тем не менее это не внесло существенных изменений в основы производственного процесса.
Общая схема производства алюминия представлена на рис. 2.1. Основным агрегатом является электролизер. Электролит представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фторида алюминия, в котором растворен глинозем. процесс ведут при переменных концентрациях глинозема при¬близительно от 1 до 8 % (мае). Сверху в ванну опущен угольный анод, частично погруженный в электролит. Сущест¬вуют два основных типа расходуемых анодов: самообжига¬ющиеся и предварительно обожженные. Первые используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего — пека. Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего. Подробно технология производ¬ства анодной массы и обожженных анодов описана в литера¬туре (см., например, [3, 4]).
Расплавленный алюминий при температуре электролиза (950—960 °С) тяжелее электролита и находится на подине электролизера. Криолитоглиноземные расплавы — очень аг¬рессивны, противостоять которым могут углеродистые и неко¬торые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера.