Алюмінієва промисловість. Як отримують високочистий алюміній?

Цей метал відомий більше 2000 років і характеризується широким технічним застосуванням. Тож для чого ми можемо це використовувати? У промисловості алюміній використовують переважно у вигляді сплавів, що покращує його корисні властивості. У такому вигляді він стає універсальним конструкційним матеріалом з дуже різноманітним застосуванням. Серед алюмінієвих сплавів можна виділити ливарні сплави і сплави для пластичного формування. Крім алюмінію до їх складу входять такі елементи, як мідь, магній, кремній і марганець. Алюмінієві сплави використовуються, зокрема, в авіації, хімічній промисловості, автомобілебудуванні та навіть у суднобудуванні. Алюміній широко використовується в промисловості також у чистому вигляді. У такому вигляді він використовується для виробництва різноманітних предметів повсякденного вжитку, таких як дзеркала, банки для напоїв і їжі, кухонне начиння або загальновідома алюмінієва фольга. Його також використовують для виробництва хімічного обладнання, електричних проводів і навіть вибухових речовин. Щоб виділити цей елемент з бокситової руди, необхідно здійснити два етапи. Першим з них є процес Байєра, який дозволяє отримати оксид алюмінію з мінералу. Потім суміш піддається електролізу, в результаті чого утворюється алюміній високої чистоти.

З чого виготовляють алюміній?

Чистий алюміній не зустрічається в природі через його здатність до пасивації. Це явище включає окислення металу в присутності повітря, в результаті чого на його поверхні утворюється пасивний захисний шар. У випадку алюмінію спочатку його покривають шаром оксиду алюмінію (Al ₂ O ₃ ) товщиною кілька нм. Потім під дією вологи зовнішній шар піддається частковому гідролізу, при якому додатково утворюється гідроксид, тобто Al(OH) ₃ . Алюміній входить до складу різних мінеральних порід, що зустрічаються в природі у вигляді руд. Для виробництва чистого алюмінію використовують переважно глинисті бокситові руди. Найчастіше вони з’являються в місцях вивітрювання алюмосилікатних порід в жаркому кліматі і також містять сполуки заліза. Це породи характерного червоного або коричневого кольору, які зустрічаються у двох варіантах: силікатних і карбонатних.

Виробництво алюмінію високої чистоти

Алюміній високої чистоти (понад 99%) отримують промисловим способом в результаті двох послідовних процесів. На першому отримують оксид алюмінію (процес Байєра), а на наступному етапі здійснюють процес електролітичного відновлення (процес Холла–Еру), завдяки якому отримують чистий алюміній. Завдяки зниженню витрат, пов’язаних з транспортуванням бокситової руди, більшість збагачувальних фабрик будують поблизу шахт.

Процес Байєра

Першим етапом після видобутку руди є її промивання водою. Таким чином видаляється більшість водорозчинних домішок. Потім до такої підготовленої сировини додають СаО, або оксид кальцію. Потім його подрібнюють за допомогою спеціальних трубчастих млинів до тих пір, поки зерна не стануть дуже малим діаметром, тобто менше 300 мкм. Надзвичайно важливим є тонке подрібнення сировини, оскільки це забезпечує досить велику питому поверхню зерен, що в свою чергу призводить до більш ефективного процесу екстракції. Наступним етапом виробництва оксиду алюмінію є розчинення зерен водним розчином каустичної соди. У групі PCC гідроксид натрію виробляють мембранним електролізом. Отриманий таким чином продукт характеризується надзвичайно високою якістю та чистотою, при цьому відповідає вимогам останнього видання Європейської Фармакопеї. Суміш, що містить подрібнене зерно і гідроксид натрію, зберігається кілька годин у спеціальних реакторах, які називаються автоклавами. Під час процесу осадження в реакторах підтримується високий тиск і підвищена температура. Таким чином отримують алюмінат натрію, який потім очищають за допомогою різних фільтрів. На наступному етапі очищений розчин алюмінату натрію розкладається. В результаті виходить содовий луг (це водний розчин каустичної соди) і кристали гідроксиду алюмінію високого ступеня чистоти. Отриманий при кристалізації осад потім фільтрують і промивають водою. У свою чергу, содовий луг, що залишився, нагрівається та переробляється для повторного використання в процесі. Останнім етапом виробництва оксиду алюмінію є прожарювання. Він полягає в нагріванні гідроксиду алюмінію при температурі вище 1000 ^o C, що призводить до його розкладання до Al ₂ O ₃ , який виходить у вигляді чистого білого порошку. Оксид алюмінію, підготовлений таким чином, транспортується в печі для отримання металевого алюмінію в процесі електролітичного відновлення.

Електроліз оксиду алюмінію

Наступним етапом отримання чистого алюмінію є проведення процесу електролізу за методом Холла–Еру. Спочатку Al ₂ O ₃ , отриманий у процесі Байєра, розплавляють з кріолітом, а потім піддають електролізу при температурі не вище 900°C. Отриманий таким чином рідкий алюміній відокремлюють від електроліту і видаляють з електролітичних ванн за допомогою так званих вакуумних сифонів. Потім сировину відправляють на ливарний пристрій, де потім вводять в нагріті печі, в яких відбувається процес рафінування. Він полягає в очищенні алюмінію з метою отримання його максимальної чистоти. Алюміній можна очистити промисловим способом двома способами. Перший полягає в плавленні алюмінію і пропусканні через нього хлору , завдяки чому домішки зв’язуються у вигляді хлоридів і видаляються з процесу. Другий спосіб передбачає електролітичне відновлення алюміній – мідного сплаву. Отриманий таким чином кінцевий продукт характеризується дуже високою чистотою.

Алюміній – матеріал майбутнього

Розробка методу отримання чистого алюмінію з бокситів за допомогою процесу Байєра і електролізу Холла-Еру розширила застосування цього елемента. Крім того, завдяки поєднанню високої міцності і легкості алюмінію в деяких сферах застосування він може замінити більш дорогу сталь. Крім того, завдяки своїй стійкості до погодних умов алюміній використовується для виробництва віконних і дверних профілів. Ще однією перевагою є можливість багаторазової переробки, що робить його відносно екологічно чистим матеріалом. Таким чином, алюміній є надзвичайно універсальним матеріалом, який широко використовується в харчовій, енергетичній, хімічній, транспортній, будівельній, автомобільній та аерокосмічній промисловості. Завдяки численним перевагам сфера його використання, ймовірно, ще не вичерпана, і в найближчому майбутньому алюміній продовжить набирати популярність.