Производство алюминия из: Производство алюминия | Металлургический портал MetalSpace.ru

Theodore R. Beck
Electrochemical Technology Corp.
Seattle, WA 98125, USA

Редкий более 100 лет назад алюминий, полученный с помощью электролитического процесса, теперь повсеместно используется в транспортировке, упаковке, строительстве зданий и передаче электроэнергии.

Металлический алюминий был впервые получен Х. К. Эрстедом в Копенгагене в 1825 году. Он осторожно нагрел амальгаму калия (сплав калия и ртути) с хлоридом алюминия и отогнал ртуть из полученной амальгамы алюминия. Небольшой кусок металла с блеском олова остался позади. В 1845 году Фредрик Велер из Геттингенского университета получил частицы алюминия размером с булавочную головку путем восстановления хлорида алюминия калием. Он не смог сплавить их вместе, но измерил их удельный вес и получил значения 2,50 и 2,67 (г/см ³ ), довольно точно по сравнению с текущим значением 2,702. Низкий удельный вес, пластичность и стабильность на воздухе предвещали будущую полезность металла, если бы его можно было производить дешево. Г. Сент-Клер Девиль объявил об усовершенствовании процесса в 1854 г., а именно о восстановлении хлорида алюминия натрием. Полученный расплав хлорида натрия и хлорида алюминия действовал как флюс и позволял алюминиевым головкам штифтов сливаться в шарики размером с мрамор. Впоследствии завод был построен недалеко от Парижа. Натрий получали карботермическим восстановлением. Многие другие вышли на поле в Англии, Германии и Соединенных Штатах, и в процессе были внесены улучшения, но металл все еще был дорогим. В 1884 году была отлита пирамида весом 100 унций (~ 2,8 кг), чтобы увенчать монумент Вашингтона, одно из самых больших произведений, когда-либо созданных в то время.

Настоящий прорыв произошел в 1886 году, когда Чарльз Мартин Холл из Огайо и Поль Л. Т. Эрулт из Парижа независимо друг от друга подали заявку на получение патента на электролитический процесс в расплавленной соли для производства алюминия. Оба электролиза оксида алюминия (оксид алюминия) растворяются в расплавленном гренландском криолите (фторид натрия-алюминия) примерно при 1000 ^o C (1832 ^o F). Электрическая динамо-машина, которая вошла в обиход примерно 15 лет назад, позволила этой новой электролитической промышленности расти и процветать.

Алюминий обладает многими замечательными свойствами, благодаря которым он занимает второе место в производстве после железа и стали. Алюминий имеет низкую плотность, и производится много прочных сплавов, содержащих относительно небольшое процентное содержание меди, марганца, кремния, магния или цинка. Он обладает высокой тепло- и электропроводностью, немагнитен и очень пластичен. Алюминий и его сплавы могут быть литыми, прокатанными, экструдированными, коваными, волоченными и подвергнутыми механической обработке. Он коммерчески доступен во многих формах: плиты, листы, стержни, угловые и двутавровые балки, трубы, проволока и фольга. Хотя он занимает высокое место в ряду электродвижущих сил и должен быть активным металлом, он очень коррозионностойкий в обычных условиях в атмосфере и в воде, так как быстро образует защитную оксидную пленку. Коррозионная стойкость во многих случаях повышается за счет создания более толстой пленки оксида алюминия путем анодирования в электролите, таком как 15% серная кислота.

Процесс Байера для производства глинозема

Процесс Холла-Эру для производства алюминия

Первые электролитические ячейки Холла, или «горшки», были из чугуна, 24 дюйма (~ 61 см) в длину, 16 дюймов (~ 41 см) в ширину и 20 дюймов (~ 51 см) в глубину, с 3-дюймовым (~ 8 -см) запеченный карбон накладки. От шести до десяти угольных анодов диаметром 3 дюйма (~ 8 см) и длиной 15 дюймов (~ 38 см) в новом состоянии подвешивались в электролите (ванне) к медной шине наверху. Горшки вмещали от 300 до 400 фунтов (от ~ 136 до ~ 181 кг). криолитовой ванны, в которой растворялся глинозем. Горшки были устроены так, чтобы их можно было нагревать снизу газовым пламенем, но было обнаружено, что они самоподдерживались за счет вырабатываемого электрического тепла. Интересно, что современные клетки качественно имеют ту же конструкцию, но значительно крупнее и находятся под более точным контролем качества (рис. 2). Общая реакция клетки:

оксид алюминия + углерод = алюминий + углекислый газ
 

В настоящее время алюминиевые электролизеры бывают двух типов: с предварительно обожженными анодами и с обожженными на месте анодами (Soderberg). Оба типа анодов изготавливаются из обожженного нефтяного кокса марки и каменноугольной смолы или нефтяного пека. Предварительно обожженные аноды обжигаются в выложенных кирпичом колодцах, а отходящие углеводородные газы могут улавливаться и сжигаться. Аноды Содерберга обжигаются за счет тепла, выделяемого в ячейках, и отходящие газы труднее собрать. Экологические ограничения в более развитых странах остановили строительство электролизных заводов Содерберга. Современные электролизеры с предварительно обожженными анодами и анодами Содерберга показаны на рисунках 3 и 4.

Компоненты анодной ячейки с предварительным обжигом описываются следующим образом. Углеродная футеровка содержит ванну и ванну с расплавленным алюминием на дне. Углеродные аноды, подвешенные к анодной шине, проводят ток в ячейку. Анодные стержни проводят ток от анодной шины через стальные шпильки, отлитые из железа, в отверстия в вершинах анодов. Ток проводится из ячейки через стальные коллекторные стержни к катодной шине и далее к следующей ячейке. Металлическая алюминиевая прокладка является катодом, на который осаждается алюминий из ванны. Кислород из глинозема, растворенного в ванне, соединяется с нижней поверхностью угольного анода с образованием двуокиси углерода. Аноды расходуются в процессе, а замена добавляется в отдельных местах по регулярному графику. Анодные окурки отправляются обратно на завод по производству анодов для измельчения и смешивания с новой анодной пастой для прессования и обжига. Алюминий ежедневно перекачивают из электролизеров в вакуумные тигли и отправляют в литейный цех. Углеродная футеровка заключена в стальную оболочку с теплоизоляцией из глинозема или изоляционного кирпича.
 

В процессе эксплуатации криолит застывает на боковых стенках ячеек, образуя «уступ», защищающий боковую облицовку от сильного воздействия алюминия и расплавленного криолита. Криолит также замерзает поверх ванны и образует «корку», поддерживающую верхний слой теплоизоляции из глинозема. Глинозем подается в ванну через отверстия, пробитые в корке. Углекислый газ выходит через отверстия в земной коре и собирается под колпаками. Утечка углекислого газа и воздуха теперь направляется в сухие скрубберы, которые удаляют фториды из газового потока. Свежий оксид алюминия, контактирующий с газами, удаляет фтористый водород и испаренные частицы фторида. Этот оксид алюминия, подаваемый в элементы, возвращает фторид в элементы. Фторид водорода образуется из остаточных углеводородов в анодах и следов воды в глиноземе, а также влаги воздуха, реагирующей с фторидной ванной.

Концентрацию глинозема в клетках контролируют небольшим недокармливанием. Когда глинозем достигает критического уровня, в ячейке возникает анодный эффект, обусловленный ограничением скорости диффузии глинозема к поверхностям анода. Затем напряжение на ячейке повышается, и образуется некоторое количество фторуглеродов. Лампочка, подключенная к ячейке, загорается при повышенном напряжении ячейки, сигнализируя операторам, что нужно наполнить ячейку глиноземом и отключить анодный эффект. Ячейки теперь работают день или дольше между эффектами анода. Соотношение фторида натрия и фторида алюминия в криолитовой ванне со временем меняется, и на основе лабораторных анализов добавляются корректирующие добавки.

С момента запуска процесса количество ячеек на новых заводах со временем увеличивалось, как показано на рис. 5. Это увеличение обусловлено необходимостью снижения затрат на рабочую силу и повышения энергоэффективности. В среднем размер ячейки удваивался примерно каждые 18 лет в 20-9 гг.0028-й век. В результате увеличения размера ячейки и лучшего контроля процесса потребление энергии со временем улучшилось, как показано на рис. 6. Энергоэффективность приближается к 50% на основе теплоты реакции для реакции ячейки. Значительных дальнейших улучшений энергоэффективности может быть трудно достичь с существующей конструкцией ячейки. По мере увеличения размеров ячеек электромагнитные эффекты , вызванные взаимодействием тока, проходящего через ячейку, с магнитным полем шины, привели к закручиванию металлической прокладки и вертикальным искажениям на границе металл-ванна. Этот эффект ограничил минимальное расстояние между анодом и катодом (ACD) примерно до 4,5 см из-за ложных коротких замыканий из-за контакта металла с анодами. Поскольку значительное падение напряжения в ячейке вызвано сопротивлением ванны, этот эффект ограничивает эффективность использования энергии.

Промышленность в значительной степени решила проблему выбросов фтора с помощью сухой очистки, но экономичная утилизация использованных футеровок из углеродных элементов остается проблемой. Футеровки содержат сильнощелочную ванну, карбид алюминия, цианиды и другие материалы. Небольшая часть измельчается и добавляется в цементные печи в качестве источника фтора, но большая часть все еще попадает на свалки. Два усовершенствования процесса Холла-Эру разрабатывались в течение многих десятилетий, но еще не получили коммерческого применения: смачиваемые катоды и нерасходуемые аноды. Диборид титана — материал с хорошей электропроводностью, смачивается алюминием и обладает высокой стойкостью к коррозия алюминием и ванной, если она хранится катодной. Путем покрытия слегка наклонного дна углеродного элемента диборидом титана и создания отстойника для сбора алюминия проблема электромагнитного поля устраняется, и можно использовать меньшее ACD (расстояние между анодом и катодом) с меньшими потерями напряжения в ванне. В качестве нерасходуемых анодов были испытаны многие материалы, такие как гематит (оксид железа), оксид олова и кермет из феррита никеля и меди. Тогда клеточная реакция будет следующей:

оксид алюминия = алюминий + кислород

Энергетически эта реакция требует увеличения ячейки на один вольт, но это частично компенсируется более низким анодным перенапряжением. Экономия будет заключаться в отказе от производства и замене углеродных анодов . Производство парниковых газов, углекислого газа и фторуглеродов в клетках будет устранено. Путем объединения катодов из диборида титана и нерасходуемых анодов в качестве вертикальных электродов расстояние между анодом и катодом может быть дополнительно уменьшено, а напряжение ячейки может быть меньше, чем для обычных ячеек Холла-Эру.
 

Альтернативные процессы

Производство и использование алюминия

Рис. 7. Потребление алюминия в США в 1999 г.

Мировые алюминиевые мощности в декабре 1997 г. составляли 24 302 000 метрических тонн в год, из которых 1 861 900 тонн в год были закрыты. Мощность Соединенных Штатов составляла 4 215 000 метрических тонн в год, из которых 654 000 тонн в год были закрыты. Соединенные Штаты когда-то занимали более доминирующее положение, но новые электростанции по сокращению выбросов перемещаются в страны с менее дорогой гидро- и угольной энергией, такие как Норвегия, Бразилия, Венесуэла и Австралия. Распределение потребления алюминия в США в 1999 показано на рисунке 7.
 

Статьи по теме

Извлечение металлов из сульфидных руд
Производство металлического порошка электролизом
Переработка космических ресурсов

Чтобы узнать о других промышленных электролитических процессах, см.:

Электролиз рассола
Промышленные органические вещества

Дополнительная литература

• Алюминий — волшебный металл, Т. Я. Кэнби, «National Geographic», 19 августа.78.

Библиография

• Первичная алюминиевая промышленность на рубеже 1997/98 годов, Р. П. Павлек, «Век легких металлов», стр. 8, февраль 1998 г.
• Электролиз алюминия (2-е издание), К. Грйотхайм, К. Крон, М. Малиновский, К. Матиасовский и Дж. Тонстад, Aluminium-Verlag, Дюссельдорф, 1982.
• Алюминий и его производство, JD Edwards, FC Frary and Z. Jeffries, McGraw-Hill, New York, 1930.
• Процесс восстановления алюминия электролизом, С. М. Холл, патент США, № 400,766, 1889 г. Доступно в Интернете.
• Процесс электролиза расплавленных солей алюминия, C.M. Hall, US Patent, No. 400,667, 1889. Доступно на WWW.
• Процесс восстановления алюминия из его фторидных солей электролизом, C.M. Hall, US Patent, No. 400,664, 1889. Доступно в Интернете.
• Способ получения алюминиевой бронзы и других сплавов, П. Л. -Т. Hroult, Патент США, № 387,876, 1888 г. Доступно в Интернете.
• Recherches sur les mtaux, et en particulier sur l’alluminium et sur une nouvelle form du silicium, H. E, S,-C. Девиль, Annales de chimie et de physique Ser. 3 Том. 43. стр. 5–36, 1855 г. Доступно в Интернете.
• Notiz ber elektrolytische Gewinnung der Erd- und Alkalimetalle, R. W, Bunsen, Annalen der Physik und Chemi, Leipzig Vol. 168, (серия 2, том 92, серия 4, том 2), стр. 648-651, 1854. Доступно в Интернете.

Списки книг по электрохимии, обзорные главы, тома трудов и полные тексты некоторых исторических публикаций также доступны в Информационном ресурсе по науке и технологиям электрохимии (ESTIR). (http://knowledge.electrochem.org/estir/)

Вернуться к: Топ Домашняя страница энциклопедии Содержание Указатель авторов Предметный указатель Искать Словарь Домашняя страница ESTIR Домашняя страница ЭКС

Организатор: The Electrochemical Society, Inc. (ECS) | Уведомление об авторских правах * Под редакцией: Золтана Наги ([email protected]) | кафедра химии | UNC в Чапел-Хилл
ECS | Блог Redcat | Цифровая библиотека ECS