การผลิตอลูมิเนียม การผลิตอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่

มีการใช้อลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่ (Al 2 O 3) อุตสาหกรรมเคมีเป็นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา (การปฏิรูปตัวเร่งปฏิกิริยา) ตัวเร่งปฏิกิริยาและสารทำให้แห้ง และเป็นอนุพันธ์สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบผสม เนื่องจากเป็นสารอสัณฐาน Al 2 O 3 จึงมีความสม่ำเสมอของรูพรุน ซึ่งทำให้เป็นตัวดูดซับที่ชอบน้ำคุณภาพสูง ซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับซิลิกาเจลที่มีรูพรุนละเอียด จำเป็นสำหรับการอบแห้งของเหลวต่างๆ (น้ำมัน, น้ำมันเบนซิน, เฮกเซน), ก๊าซ (อากาศ, ก๊าซธรรมชาติ, ก๊าซไฮโดรคาร์บอนเหลว, คาร์บอนไดออกไซด์), การทำให้น้ำมันทางเทคนิคบริสุทธิ์จากผลิตภัณฑ์ออกซิเดชั่น, ในโครมาโตกราฟี, สำหรับการอบแห้งแบบคงที่ในระหว่างการอนุรักษ์อุปกรณ์ เช่นเดียวกับสำหรับ งานอื่นๆ อุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันและก๊าซ

อลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่: การผลิตและมาตรฐาน

การผลิตอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่ได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐานของกฎระเบียบทางเทคโนโลยี Al 2 O 3 มีรูปแบบของเม็ดทรงกระบอกหรือลูกบอลสีขาวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. บางครั้งเม็ดก็มีสีครีมซึ่งก็ได้รับอนุญาตเช่นกัน สารมีสูตรดังต่อไปนี้ขึ้นอยู่กับยี่ห้อที่ผลิต: AOA-1, AOA-2 และ AOA-3 อลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่ไม่มีคุณสมบัติในการติดไฟหรือระเบิด แต่เมื่อใช้งานก็จำเป็นต้องใช้ การป้องกันส่วนบุคคล, เพราะ สารมีแนวโน้มที่จะระคายเคืองต่อเยื่อเมือกของดวงตา ปาก และจมูก และยังสะสมในปอด ทำให้การเอ็กซเรย์มีสีเข้มขึ้น ตามมาตรฐานของรัฐ ในห้องที่ทำงานกับสารหรือ การผลิตอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่จะต้องมีการระบายอากาศเข้าและออกซึ่งไม่อนุญาตให้ความเข้มข้นของสารในอากาศเกินที่อนุญาต

การผลิตอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่

1. การได้ตะกอนจากสารละลายที่เป็นกรดของอะลูมิเนียมซัลเฟต (Al2(SO4)3) หรือไนเตรต (Al(NO3)3) โดยใช้สารละลายเบส

2. การได้ตะกอนจากสารละลายอัลคาไลน์ของอลูมิเนียม (อลูมิเนต) โดยใช้ซัลฟิวริก ไนโตรเจน หรือ ของกรดไฮโดรคลอริกเช่นเดียวกับสารละลายที่เป็นกรดของเกลืออลูมิเนียม

อะลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่ การผลิตซึ่งใช้เทคโนโลยีการตกตะกอนแบบไหลสองครั้งในขั้นเริ่มต้นของการผลิตจะได้มาในรูปแบบของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์สองส่วนประกอบ หลังจากได้รับมวลตะกอนแล้ว การดัดแปลงทั้งสองจะถูกผสม กรอง ล้าง และก่อตัวเป็นสิ่งที่เรียกว่า ขนมปังแผ่น การทำให้เม็ดอะลูมิเนียมออกไซด์แห้งจะเกิดขึ้นในกระแสอากาศเมื่อได้รับความร้อนถึง 110-120° C หลังจากการอบแห้ง เม็ดจะถูกเผาด้วยความร้อนถึง 550° C

การผลิตอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ใช้งานอยู่ดำเนินการต่อบนเครื่องอัดรีดแบบสกรู โดยที่วัสดุจะถูกผสมอย่างสม่ำเสมอและอยู่ภายใต้การบำบัดความร้อนและการสัมผัสไปพร้อมๆ กัน กรดไนตริก- หลังจากกวนในเครื่องอัดรีดแล้ว อลูมิเนียมออกไซด์จะถูกทำให้แห้งบนเครื่องอบแห้งแบบสายพาน การรับอะลูมิเนียมออกไซด์ที่แอคทีฟจะดำเนินการเป็นชุด

ตำนานที่น่าสงสัยอย่างหนึ่งเล่าว่าวันหนึ่งมีชายคนหนึ่งมาหาจักรพรรดิแห่งโรมัน Tiberius (42 ปีก่อนคริสตกาล - 37 AD) พร้อมชามโลหะที่ไม่แตกหัก วัสดุของชามน่าจะมาจากอลูมินา (Al 2 O 3) และดังนั้นจึงต้องเป็นอะลูมิเนียม ด้วยความกลัวว่าโลหะที่ทำจากดินเหนียวอาจทำให้ทองคำและเงินเสื่อมราคา ทิเบเรียสจึงสั่งให้ตัดศีรษะของชายคนนั้นออก เผื่อไว้ แน่นอนว่าเรื่องราวนี้ยากที่จะเชื่อ: อะลูมิเนียมพื้นเมืองไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ และในสมัยของจักรวรรดิโรมันก็ยังไม่มีวิธีการทางเทคนิคที่จะทำให้สามารถแยกอะลูมิเนียมออกจากสารประกอบได้

ในแง่ของความชุกในธรรมชาติ อลูมิเนียมเป็นอันดับแรกในบรรดาโลหะ เนื้อหาในเปลือกโลกคือ 7.45% อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการเกิดขึ้นอย่างกว้างขวางในธรรมชาติ แต่อะลูมิเนียมก็ยังขึ้นอยู่กับ ปลาย XIXศตวรรษเป็นของโลหะหายาก ไม่พบอลูมิเนียมในรูปแบบบริสุทธิ์เนื่องจากมีฤทธิ์ทางเคมีสูง ส่วนใหญ่พบในรูปของสารประกอบที่มีออกซิเจนและซิลิคอน - อะลูมิโนซิลิเกต

มีเพียงหินที่อุดมไปด้วยอลูมินา (Al 2 O 3) และเกิดขึ้นเป็นจำนวนมากบนพื้นผิวโลกเท่านั้นที่สามารถทำหน้าที่เป็นแร่อะลูมิเนียมได้ หินเหล่านี้ได้แก่ บอกไซต์, เนฟีลีน - (Na, K) 2 OּAl 2 O 3 ּ2SiO 2, อะลูไนต์ - (Na, K) 2 SO 4 ּAl 2 (SO 4) 3 ּ4Al(OH) 3 และดินขาว (ดินเหนียว), สปาร์ฟิลด์ (ออร์โธเคลส) - K 2 OּAl 2 O 3 ּ6SiO 2 .

แร่หลักในการผลิตอะลูมิเนียมคือแร่บอกไซต์ ประกอบด้วยอลูมิเนียมในรูปของไฮดรอกไซด์ Al(OH), AlOOH, คอรันดัม Al 2 O 3 และ kaolinite Al 2 O 3 ּ2SiO 2 ּ2H 2 O องค์ประกอบทางเคมีอะลูมิเนียมประกอบด้วย: อลูมินา 28-70%; ซิลิกา 0.5-20%; เหล็กออกไซด์ 2-50%; ไทเทเนียมออกไซด์ 0.1-10% ใน เมื่อเร็วๆ นี้ Nephelines และ alunite เริ่มถูกนำมาใช้เป็นแร่

แร่บอกไซต์จำนวนมากตั้งอยู่ในเทือกเขาอูราลในเขต Tikhvin ของภูมิภาคเลนินกราดในดินแดนอัลไตและครัสโนยาสค์

เนฟีลีน (KּNa 2 OּAl 2 O 3 ּ2SiO 2) เป็นส่วนหนึ่งของหินอะพาไทต์เนฟิลีน (บนคาบสมุทรโคลา)

อะลูมิเนียมถูกแยกออกครั้งแรกในรูปแบบอิสระในปี พ.ศ. 2368 โดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก เออร์สเตด โดยทำปฏิกิริยาโพแทสเซียมอะมัลกัมกับอะลูมิเนียมคลอไรด์ ในปี พ.ศ. 2370 นักเคมีชาวเยอรมัน Wöhler ปรับปรุงวิธีการของ Oersted โดยแทนที่โพแทสเซียมอะมัลกัมด้วยโพแทสเซียมของโลหะ:

AlCl 3 + 3K→3KCl + Al (ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเมื่อปล่อยความร้อน)

ในปี ค.ศ. 1854 Sainte-Clair Deville ในฝรั่งเศสใช้วิธีการของ Wöhler เป็นครั้งแรก การผลิตภาคอุตสาหกรรมอลูมิเนียมโดยใช้โซเดียมราคาถูกแทนโพแทสเซียมและแทนอลูมิเนียมคลอไรด์ที่ดูดความชื้น - คลอไรด์สองเท่าของอลูมิเนียมและโซเดียมที่เสถียรกว่า ในปี ค.ศ. 1865 นักเคมีกายภาพชาวรัสเซีย N. N. Beketov แสดงให้เห็นความเป็นไปได้ที่จะแทนที่อะลูมิเนียมด้วยแมกนีเซียมจากไครโอไลท์ที่หลอมละลาย ปฏิกิริยานี้ใช้ในปี พ.ศ. 2431 เพื่อผลิตอะลูมิเนียมที่โรงงานแห่งแรกในเยอรมันในเมือง Gmelingen การผลิตอะลูมิเนียมโดยวิธีที่เรียกว่า "เคมี" เหล่านี้ดำเนินการตั้งแต่ปี พ.ศ. 2397 ถึง พ.ศ. 2433 ตลอดระยะเวลา 35 ปี มีการผลิตอะลูมิเนียมทั้งหมดประมาณ 20 ตันโดยใช้วิธีการเหล่านี้

ในช่วงปลายทศวรรษที่ 80 ของศตวรรษก่อนหน้านั้น วิธีการทางเคมีแทนที่วิธีอิเล็กโทรไลต์ซึ่งทำให้สามารถลดต้นทุนของอลูมิเนียมได้อย่างมากและสร้างข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมอลูมิเนียม Héroux ผู้ก่อตั้งวิธีการผลิตอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าสมัยใหม่ Héroux ในฝรั่งเศสและ Hall ในสหรัฐอเมริกา ยื่นคำขอที่คล้ายกันโดยอิสระในปี พ.ศ. 2429 สำหรับการจดสิทธิบัตรวิธีการผลิตอะลูมิเนียมด้วยกระแสไฟฟ้าของอลูมินาที่ละลายในไครโอไลท์หลอมเหลว นับตั้งแต่การปรากฏตัวของสิทธิบัตรของ Heroux และ Hall อุตสาหกรรมอะลูมิเนียมยุคใหม่ก็เริ่มต้นขึ้น ซึ่งตลอดระยะเวลากว่า 115 ปีของการดำรงอยู่ได้เติบโตขึ้นจนกลายเป็นสาขาโลหะวิทยาที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่ง

กระบวนการทางเทคโนโลยีในการผลิตอะลูมิเนียมประกอบด้วยสามขั้นตอนหลัก:

1). การได้รับอลูมินา (Al 2 O 3) จากแร่อะลูมิเนียม

2). การผลิตอะลูมิเนียมจากอลูมินา

3). การกลั่นอลูมิเนียม

การได้รับอลูมินาจากแร่

สาระสำคัญของวิธีการนี้คือสารละลายอะลูมิเนียมจะสลายตัวอย่างรวดเร็วเมื่อมีการนำอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์เข้าไปและสารละลายที่เหลือจากการสลายตัวหลังจากการระเหยภายใต้สภาวะการกวนอย่างเข้มข้นที่ 169-170 o C สามารถละลายอลูมินาที่มีอยู่ในอะลูมิเนียมได้อีกครั้ง วิธีนี้ประกอบด้วยการดำเนินการพื้นฐานดังต่อไปนี้:

1). การเตรียมอะลูมิเนียมซึ่งประกอบด้วยการบดและบดในโรงสี โรงสีจะจัดหาแร่บอกไซต์ ด่างกัดกร่อน และไม่ใช่ จำนวนมากมะนาวซึ่งช่วยเพิ่มการปล่อย Al 2 O 3; เยื่อกระดาษที่ได้จะถูกป้อนเพื่อการชะล้าง

2). การชะล้างแร่อะลูมิเนียม (เมื่อเร็ว ๆ นี้ บล็อกหม้อนึ่งความดันทรงกลมที่ยังคงใช้อยู่ได้ถูกแทนที่ด้วยหม้อนึ่งความดันแบบท่อบางส่วน ซึ่งการชะล้างเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 230-250 ° C (500-520 K) ซึ่งประกอบด้วยการสลายตัวทางเคมีจากปฏิกิริยากับ สารละลายที่เป็นน้ำด่าง; เมื่อทำปฏิกิริยากับอัลคาไล อะลูมิเนียมออกไซด์ไฮเดรตจะเข้าสู่สารละลายในรูปของโซเดียมอะลูมิเนต:

AlOOH+NaOH → NaAlO 2 +H 2 O

อัล(OH) 3 + NaOH → NaAlO 2 + 2H 2 O;

SiO 2 +2NaOH→นา 2 SiO 3 +H 2 O;

ในสารละลาย โซเดียมอะลูมิเนตและโซเดียมซิลิเกตทำให้เกิดโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตที่ไม่ละลายน้ำ ออกไซด์ของไทเทเนียมและเหล็กผ่านเข้าไปในสารตกค้างที่ไม่ละลายน้ำทำให้สารตกค้างมีสีแดง สารตกค้างนี้เรียกว่าโคลนแดง เมื่อการละลายเสร็จสิ้น โซเดียมอะลูมิเนตที่ได้จะถูกเจือจางด้วยสารละลายอัลคาไลที่เป็นน้ำในขณะเดียวกันก็ลดอุณหภูมิลง 100°C ในเวลาเดียวกัน

3). การแยกสารละลายอะลูมิเนตออกจากโคลนสีแดง มักดำเนินการโดยการล้างด้วยสารเพิ่มความข้นพิเศษ ผลที่ได้คือ โคลนสีแดงจะตกตะกอน และสารละลายอะลูมิเนตจะถูกระบายออกแล้วจึงกรอง (ทำให้กระจ่าง) ตัวอย่างเช่น มีการใช้ตะกอนในปริมาณที่จำกัด เป็นสารเติมแต่งให้กับซีเมนต์ อลูมิเนียมออกไซด์ที่ผลิตได้ 1 ตันขึ้นอยู่กับประเภทของแร่บอกไซต์ คิดเป็นโคลนแดง (กากแห้ง) 0.6-1.0 ตัน

4) การสลายตัวของสารละลายอะลูมิเนต มันถูกกรองและปั๊มลงในภาชนะขนาดใหญ่พร้อมเครื่องกวน (ตัวย่อยสลาย) อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ Al(OH) 3 ถูกสกัดจากสารละลายอิ่มตัวยวดยิ่งเมื่อเย็นลงถึง 60°C (330 K) และกวนอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากกระบวนการนี้ดำเนินไปอย่างช้าๆ และไม่สม่ำเสมอ และการก่อตัวและการเติบโตของผลึกอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์มีความสำคัญอย่างยิ่งในระหว่างการประมวลผลขั้นต่อไป จึงมีการเพิ่มไฮดรอกไซด์ที่เป็นของแข็งจำนวนมากซึ่งเป็นเมล็ดพืชเข้าไปในตัวย่อยสลาย:

นา 2 Oּอัล 2 O 3 +4H 2 O→อัล(OH) 3 +2NaOH;

5). การแยกอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์และการจำแนกประเภท สิ่งนี้เกิดขึ้นในไฮโดรไซโคลนและตัวกรองสุญญากาศ โดยที่ตะกอนที่มีอนุภาคอัล (OH) 50-60% จะถูกแยกออกจากสารละลายอะลูมิเนต ส่วนสำคัญของไฮดรอกไซด์จะถูกส่งกลับไปยังกระบวนการสลายตัวในฐานะวัสดุเมล็ดซึ่งยังคงหมุนเวียนอยู่ในปริมาณที่ไม่เปลี่ยนแปลง สารตกค้างหลังจากล้างด้วยน้ำจะถูกเผา การกรองจะถูกส่งกลับไปสู่การไหลเวียน (หลังจากความเข้มข้นในเครื่องระเหย - เพื่อชะล้างแร่อะลูมิเนียมใหม่)

6). การคายน้ำของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ (การเผา); นี่เป็นขั้นตอนสุดท้ายในการผลิตอลูมินา ดำเนินการในเตาเผาแบบหมุนแบบท่อและเมื่อเร็ว ๆ นี้ในเตาเผาที่มีการเคลื่อนย้ายวัสดุอย่างปั่นป่วนที่อุณหภูมิ 1,150-1300 o C; อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ดิบที่ผ่านเตาเผาแบบหมุนทำให้แห้งและขาดน้ำ เมื่อได้รับความร้อน การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างต่อไปนี้จะเกิดขึ้นตามลำดับ:

อลูมินาที่เผาในที่สุดจะมี 30-50% α-Al 2 O 3 (คอรันดัม) ส่วนที่เหลือคือγ-Al 2 O 3

วิธีนี้จะสกัดอลูมินาที่ผลิตได้ทั้งหมด 85-87% อลูมิเนียมออกไซด์ที่ได้จะเป็นสารประกอบเคมีชนิดเข้มข้นที่มีจุดหลอมเหลว 2,050 o C

การเตรียมอะลูมิเนียมจากออกไซด์

อิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียมออกไซด์

ก) แอโนด Zederberg ที่เผาไหม้ตัวเองซึ่งประกอบด้วยก้อนอิฐที่เรียกว่า "ขนมปัง" ของมวล Zederberg (ถ่านหินเถ้าต่ำที่มีระดับน้ำมันดินถ่านหิน 25-35%) ยัดลงในเปลือกอลูมิเนียม ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงมวลแอโนดจะถูกเผา (เผา)

b) แอโนดแบบอบหรือ "ต่อเนื่อง" ที่ทำจากบล็อกคาร์บอนขนาดใหญ่ (เช่น 1900x600x500 มม. หนักประมาณ 1.1 ตัน)

ความแรงของกระแสในอิเล็กโทรไลเซอร์คือ 150,000 A ซึ่งเชื่อมต่อกับเครือข่ายแบบอนุกรมนั่นคือได้รับระบบ (ซีรีย์) - อิเล็กโทรไลเซอร์แถวยาว

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานบนอ่าง 4-5 V สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่อะลูมิเนียมออกไซด์สลายตัวอย่างมาก เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าสูญเสียใน ส่วนต่างๆระบบ ความสมดุลของวัตถุดิบและพลังงานในการผลิตอลูมิเนียม 1 ตันแสดงไว้ในรูปที่ 1 3.

อิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียมคลอไรด์ (วิธีแอลโค)

ประโยชน์ วิธีนี้ก่อนกระแสไฟฟ้าที่มีอยู่ของการหลอมไครโอไลท์-อลูมินาเหลว (Al 2 O 3 ละลายใน Na 3 AlF 6 cryolite) ให้พิจารณา: ประหยัดพลังงานได้มากถึง 30%; ความเป็นไปได้ของการใช้อลูมิเนียมออกไซด์ซึ่งไม่เหมาะสำหรับการอิเล็กโทรไลซิสแบบเดิม (เช่น Al 2 O 3 ด้วย เนื้อหาสูงซิลิคอน); แทนที่ไครโอไลท์ราคาแพงด้วยเกลือราคาถูก หายจากอันตรายจากการปล่อยฟลูออไรด์

การลดอะลูมิเนียมคลอไรด์ด้วยแมงกานีส (วิธี Toth)

การได้รับอลูมิเนียมบริสุทธิ์

สำหรับอะลูมิเนียม การกลั่นอิเล็กโทรไลซิสด้วยการสลายตัวของสารละลายเกลือในน้ำนั้นเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากเพื่อวัตถุประสงค์บางประการระดับการทำให้บริสุทธิ์ของอลูมิเนียมอุตสาหกรรม (Al 99.5 - Al 99.8) ที่ได้จากอิเล็กโทรไลซิสของการหลอมด้วยไครโอไลท์ - อลูมินานั้นไม่เพียงพอแม้แต่อลูมิเนียมที่บริสุทธิ์กว่า (Al 99, 99 R) ก็ได้จากอลูมิเนียมอุตสาหกรรมหรือเศษโลหะด้วย การกลั่น วิธีการกลั่นที่รู้จักกันดีที่สุดคือการอิเล็กโทรไลซิสแบบสามชั้น

กลั่นด้วยกระแสไฟฟ้าสามชั้น

หุ้มด้วยแผ่นเหล็กซึ่งทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสตรง (แสดงในรูปที่ 4 - ดูด้านบน) อ่างกลั่นประกอบด้วยเตาถ่านหินที่มีสายไฟในปัจจุบันและบุด้วยแมกนีไซต์ที่เป็นฉนวนความร้อน ตรงกันข้ามกับการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของการหลอมไครโอไลท์-อลูมินา ตามกฎแล้วขั้วบวกคือโลหะหลอมเหลวที่ได้รับการขัดเกลา (ชั้นขั้วบวกด้านล่าง) อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยฟลูออไรด์บริสุทธิ์หรือส่วนผสมของแบเรียมคลอไรด์กับอะลูมิเนียมและโซเดียมฟลูออไรด์ (ชั้นกลาง) อะลูมิเนียมที่ละลายจากชั้นแอโนดในอิเล็กโทรไลต์ ถูกปล่อยออกมาเหนืออิเล็กโทรไลต์ (ชั้นแคโทดด้านบน) โลหะบริสุทธิ์ทำหน้าที่เป็นแคโทด กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังชั้นแคโทดโดยอิเล็กโทรดกราไฟท์

อ่างทำงานที่อุณหภูมิ 750-800°C ปริมาณการใช้ไฟฟ้าคือ 20 kWh ต่ออะลูมิเนียมบริสุทธิ์ 1 กิโลกรัม ซึ่งสูงกว่าอะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลซิสทั่วไปเล็กน้อย

โลหะแอโนดมี Cu 25-35%; สังกะสี 7-12%; 6-9% ศรี; Fe มากถึง 5% และแมงกานีส นิกเกิล ตะกั่วและดีบุกจำนวนเล็กน้อย ส่วนที่เหลือ (40-55%) เป็นอลูมิเนียม โลหะหนักและซิลิคอนทั้งหมดจะยังคงอยู่ในชั้นแอโนดระหว่างการกลั่น การมีแมกนีเซียมในอิเล็กโทรไลต์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่พึงประสงค์ในองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์หรือเกิดตะกรันอย่างรุนแรง ในการกำจัดแมกนีเซียม ตะกรันที่มีแมกนีเซียมจะถูกบำบัดด้วยฟลักซ์หรือก๊าซคลอรีน

จากการกลั่น ทำให้ได้อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ (99.99%) และผลิตภัณฑ์แยก (ผลิตภัณฑ์ Ziger) ซึ่งประกอบด้วยโลหะหนักและซิลิคอน และถูกปล่อยออกมาในรูปของสารละลายอัลคาไลน์และกากผลึก สารละลายอัลคาไลน์ถือเป็นของเสีย และกากของแข็งจะถูกใช้สำหรับการดีออกซิเดชัน

อลูมิเนียมบริสุทธิ์มักจะมีองค์ประกอบดังต่อไปนี้%: Fe 0.0005-0.002; ศรี 0.002-0.005; ลูกบาศ์ก 0.0005-0.002; สังกะสี 0.0005-0.002; ร่องรอยมก.; อัลส่วนที่เหลือ

อลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นแล้วจะถูกแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปในองค์ประกอบที่ระบุหรือเจือด้วยแมกนีเซียม (ดูตารางที่ 1.2)

ตารางที่ 1.2องค์ประกอบทางเคมีของอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงและอะลูมิเนียมปฐมภูมิตาม ดิน 1712, แผ่นที่ 1.

การกลั่นด้วยสารประกอบออร์กาโนอลูมิเนียมและการถลุงโซน

อลูมิเนียมที่มีระดับความบริสุทธิ์สูงกว่าเกรด A1 99.99 R สามารถรับได้โดยการกลั่นด้วยไฟฟ้าของอลูมิเนียมบริสุทธิ์หรือบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์โดยใช้สารประกอบออร์กาโนอลูมิเนียมเชิงซ้อนของอลูมิเนียมเป็นอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลซิสเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 1,000°C ระหว่างอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมที่เป็นของแข็ง และมีหลักการคล้ายกับการกลั่นอิเล็กโทรไลซิสของทองแดง ลักษณะของอิเล็กโทรไลต์เป็นตัวกำหนดความจำเป็นในการทำงานโดยไม่มีอากาศเข้าถึงและมีความหนาแน่นกระแสต่ำ

อิเล็กโทรไลซิสเพื่อการกลั่นชนิดนี้ ซึ่งเริ่มแรกใช้เฉพาะในระดับห้องปฏิบัติการเท่านั้น และได้ดำเนินการแล้วในระดับอุตสาหกรรมขนาดเล็ก โดยมีการผลิตโลหะหลายตันต่อปี ระดับการทำให้บริสุทธิ์เล็กน้อยของโลหะที่ได้คือ 99.999-99.9999% การใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับโลหะที่มีความบริสุทธิ์นี้ ได้แก่ วิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์แบบแช่แข็ง

สามารถใช้วิธีการกลั่นที่ได้รับการพิจารณาในการชุบด้วยไฟฟ้าได้

ความบริสุทธิ์ที่สูงกว่า - ในนามสูงถึง A1 99.99999 - สามารถรับได้จากการหลอมโลหะในโซนที่ตามมา เมื่อแปรรูปอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป แผ่นหรือสายไฟ จำเป็นต้องคำนึงถึง อุณหภูมิต่ำการตกผลึกของโลหะ ให้ใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษ คุณสมบัติที่โดดเด่นของโลหะที่ผ่านการกลั่นแล้วคือค่าการนำไฟฟ้าสูงในช่วงอุณหภูมิแช่แข็ง

การผลิตอะลูมิเนียมทุติยภูมิ

การรีไซเคิลวัตถุดิบทุติยภูมิและของเสียจากการผลิตนั้นให้ผลกำไรเชิงเศรษฐกิจ โลหะผสมทุติยภูมิที่ได้นั้นสามารถตอบสนองความต้องการอลูมิเนียมได้ประมาณ 25%

การเตรียมเศษอะลูมิเนียมอย่างไร้ที่ติในสัดส่วนที่หลากหลายสามารถทำได้ในโรงถลุงที่มีอุปกรณ์พิเศษเท่านั้น แนวคิดเกี่ยวกับกระบวนการทำงานที่ซับซ้อนในโรงงานดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ 1 5.

ของเสียจะถูกละลายหลังจากการคัดแยกเบื้องต้นอย่างคร่าวๆ เหล็ก, นิกเกิลหรือทองแดงที่มีอยู่ในของเสียนี้ซึ่งมีจุดหลอมเหลวซึ่งสูงกว่าจุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมเมื่อละลายในเตาหลอมจะยังคงอยู่ในนั้นและอลูมิเนียมจะถูกหลอม ในการกำจัดสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ เช่น ออกไซด์ ไนไตรด์ คาร์ไบด์ หรือก๊าซ ออกจากของเสีย โลหะหลอมเหลวจะถูกบำบัดด้วยเกลือหรือเป่าด้วยก๊าซ - คลอรีนหรือไนโตรเจน (อย่างสมเหตุสมผล)

ทราบวิธีการต่างๆ ในการกำจัดสิ่งเจือปนของโลหะออกจากโลหะหลอม เช่น วิธีเติมแมกนีเซียมและการดูดฝุ่น - วิธี Becksche การเติมสังกะสีหรือปรอทตามด้วยการอพยพ - วิธีซับฮาโลเจน การกำจัดแมกนีเซียมถูกจำกัดโดยการนำคลอรีนเข้าไปในโลหะหลอมเหลว ด้วยการแนะนำสารเติมแต่งที่กำหนดอย่างแม่นยำโดยองค์ประกอบของการหลอมละลาย จะได้โลหะผสมหล่อที่กำหนด

การผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ทางเทคนิค

วิธีการอิเล็กโทรไลต์เป็นวิธีเดียวที่ใช้กันทั่วโลกสำหรับการผลิตโลหะอลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ทางเทคนิค วิธีการอื่นๆ ทั้งหมด (ซิงค์ความร้อน คาร์บิโดเทอร์มอล ซับคลอไรด์ ไนไตรด์ ฯลฯ) ซึ่งสามารถสกัดอะลูมิเนียมจากแร่อะลูมิเนียมได้ได้รับการพัฒนาในห้องปฏิบัติการและระดับอุตสาหกรรมนำร่อง แต่ยังไม่พบการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ

ในการผลิตโลหะผสมอลูมิเนียมซิลิกอนนั้นใช้วิธีการความร้อนด้วยไฟฟ้าซึ่งพัฒนาและนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรมในสหภาพโซเวียตเป็นครั้งแรกซึ่งประสบความสำเร็จ ประกอบด้วยสองขั้นตอน: ในระยะแรกโลหะผสมอลูมิเนียม - ซิลิคอนหลักที่มี 60-63% Al ได้มาจากการลดแร่อลูมิเนียม - ซิลิคอนโดยตรงในเตาไฟฟ้าแร่ความร้อน ในขั้นตอนที่สอง โลหะผสมปฐมภูมิจะถูกเจือจางด้วยอะลูมิเนียมเชิงเทคนิค ทำให้เกิดไซลูมินและโลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอนหล่อและขึ้นรูปอื่นๆ การวิจัยอยู่ระหว่างดำเนินการเพื่อสกัดอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ทางเทคนิคจากโลหะผสมปฐมภูมิ

โดยทั่วไป การผลิตอะลูมิเนียมโดยวิธีอิเล็กโตรไลติก ได้แก่ การผลิตอลูมินา (อะลูมิเนียมออกไซด์) จากแร่อะลูมิเนียม การผลิตเกลือฟลูออไรด์ (ไครโอไลท์ อะลูมิเนียมฟลูออไรด์ และโซเดียมฟลูออไรด์) การผลิตมวลแอโนดคาร์บอน แอโนดคาร์บอนที่ถูกเผา และ บล็อกแคโทดและวัสดุซับในอื่นๆ รวมถึงการผลิตอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าซึ่งเป็นขั้นตอนสุดท้ายของโลหะวิทยาอะลูมิเนียมสมัยใหม่

ลักษณะเฉพาะสำหรับการผลิตอลูมินาเกลือฟลูออไรด์และผลิตภัณฑ์คาร์บอนเป็นข้อกำหนดสำหรับระดับความบริสุทธิ์สูงสุดของวัสดุเหล่านี้เนื่องจากการหลอมของไครโอไลท์ - อลูมินาภายใต้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสไม่ควรมีสิ่งเจือปนขององค์ประกอบทางไฟฟ้ามากกว่าอลูมิเนียมซึ่งปล่อยออกมาที่แคโทดใน อันดับแรกจะก่อให้เกิดมลพิษต่อโลหะ

ในเกรดอลูมินา G-00, G-0 และ G-1 ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการอิเล็กโทรไลซิส ปริมาณ SiO 2 คือ 0.02-0.05%, aFe 2 O 3 - 0.03-0.05% Cryolite ประกอบด้วย SiO 2 โดยเฉลี่ย 0.36-0.38% และ 0.05-0.06% Fe 2 O 3 อลูมิเนียมฟลูออไรด์ประกอบด้วย 0.30-0.35% (SiO 2 + Fe 2 O 3) มวลแอโนดประกอบด้วย SiO 2 ไม่เกิน 0.25% และ Fe 2 O 3 0.20%

แร่อลูมิเนียมที่สำคัญที่สุดในการสกัดอลูมินาคือแร่บอกไซต์ ในอะลูมิเนียมมีอะลูมิเนียมอยู่ในรูปของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ ในสหภาพโซเวียต นอกเหนือจากแร่อะลูมิเนียมแล้ว หินเนฟีลีนยังใช้ในการผลิตอลูมินา - โซเดียมและโพแทสเซียมอะลูมิโนซิลิเกต เช่นเดียวกับหินอลูไนต์ซึ่งพบอลูมิเนียมในรูปของซัลเฟต วัตถุดิบสำหรับการผลิตมวลแอโนดและบล็อกแอโนดแบบอบคือวัสดุคาร์บอนบริสุทธิ์ - ปิโตรเลียมหรือพิตช์โค้กและพิตช์น้ำมันถ่านหินเป็นสารยึดเกาะ และสำหรับการผลิตไครโอไลท์และเกลือฟลูออไรด์อื่นๆ - แคลเซียมฟลูออไรด์ (ฟลูออร์สปาร์)

ในระหว่างการผลิตอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้า อลูมินา Al 2 O 3 ซึ่งละลายในไครโอไลท์ Na 3 AlF 6 หลอมละลาย จะสลายตัวทางเคมีไฟฟ้าด้วยการปล่อยประจุบวกของอะลูมิเนียมที่แคโทด (อลูมิเนียมเหลว) และไอออนที่มีออกซิเจน (ไอออนออกซิเจน) ที่คาร์บอน ขั้วบวก.

โดย ความคิดที่ทันสมัยไครโอไลท์ในสถานะหลอมละลายแยกตัวออกเป็นไอออน

กระบวนการหลักที่เกิดขึ้นที่แคโทดคือการลดไอออนของอะลูมิเนียมไตรวาเลนท์: Al 3+ + 3 จ→ อัล (I)

นอกเหนือจากกระบวนการหลักแล้ว ยังสามารถปล่อยไอออนอะลูมิเนียมไตรวาเลนต์ที่ไม่สมบูรณ์ได้ด้วยการก่อตัวของไอออนโมโนวาเลนท์: Al 3+ + 2 จ→ Al + (II) และสุดท้ายคือการปล่อยไอออนโมโนวาเลนต์พร้อมกับการปล่อยโลหะ: Al + + จ→ อัล(III)

ภายใต้เงื่อนไขบางประการ (ความเข้มข้นของ Na + ไอออนค่อนข้างสูง ความร้อนฯลฯ) อาจเกิดการคายประจุของโซเดียมไอออนเมื่อมีการปล่อยโลหะ: Na + + จ→ นา(IV) ปฏิกิริยา (II) และ (IV) ทำให้กระแสเอาต์พุตของอะลูมิเนียมลดลง

ไอออนออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาที่ขั้วบวกของคาร์บอน: 2O 2– – 4 จ→ โอ 2 . อย่างไรก็ตาม ออกซิเจนจะไม่ถูกปล่อยออกมาในรูปแบบอิสระ เนื่องจากมันจะออกซิไดซ์คาร์บอนของขั้วบวกจนกลายเป็นส่วนผสมของ CO 2 และ CO

ปฏิกิริยาโดยรวมที่เกิดขึ้นในอิเล็กโทรไลเซอร์สามารถแสดงได้ด้วยสมการ Al 2 O 3 + xค ↔ 2อัล + (2 x–3)คาร์บอนไดออกไซด์ + (3– x)CO2 .

องค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ของอิเล็กโทรไลเซอร์อลูมิเนียมอุตสาหกรรมนอกเหนือจากส่วนประกอบหลัก - ไครโอไลท์, อลูมิเนียมฟลูออไรด์และอลูมินาแล้วยังรวมถึงเกลืออื่น ๆ ในปริมาณเล็กน้อย (รวมมากถึง 8-9%) - CaF 2, MgF 2, NaCl และ LiF (สารเติมแต่ง) ซึ่งปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีบางอย่างของอิเล็กโทรไลต์ และด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลเซอร์ ปริมาณอลูมินาสูงสุดในอิเล็กโทรไลต์มักจะอยู่ที่ 6-8% ซึ่งจะลดลงในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส เมื่ออิเล็กโทรไลต์หมดอลูมินา จะมีการนำอลูมินาอีกส่วนหนึ่งเข้าไป สำหรับการทำงานปกติของอิเล็กโทรไลเซอร์อะลูมิเนียม อัตราส่วน NaF:AlF 3 ในอิเล็กโทรไลต์จะคงอยู่ภายในช่วง 2.7-2.8 โดยการเติมไครโอไลท์และอะลูมิเนียมฟลูออไรด์บางส่วน

ในการผลิตอะลูมิเนียม จะใช้อิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีคาร์บอนแอโนดอบเองและจ่ายกระแสไฟด้านข้างหรือด้านบน เช่นเดียวกับอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีคาร์บอนแอโนดอบล่วงหน้า การออกแบบอิเล็กโตรไลเซอร์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดพร้อมขั้วบวกแบบอบ ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มกำลังหน่วยของยูนิตได้ ลดการใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเฉพาะสำหรับอิเล็กโทรลิซิส รับโลหะที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้น ปรับปรุงสภาพการทำงานที่ถูกสุขลักษณะและถูกสุขลักษณะ และลดการปล่อยสารที่เป็นอันตราย สู่ชั้นบรรยากาศ

พารามิเตอร์ทางเทคนิคหลักและตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลเซอร์อะลูมิเนียมประเภทต่างๆ แสดงไว้ในตาราง 1 1.3.

ตารางที่ 1.3

พารามิเตอร์ทางเทคนิคหลักและตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของอะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลเซอร์

อลูมิเนียมปฐมภูมิที่สกัดจากอิเล็กโทรไลเซอร์ (อลูมิเนียมดิบ) มีสารเจือปนจำนวนหนึ่ง ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม: อโลหะ (เกลือฟลูออไรด์ α- และ γ-อลูมินา, อลูมิเนียมคาร์ไบด์และไนไตรด์, อนุภาคคาร์บอนที่ถูกกักขังโดยกลไกเมื่อเทโลหะจากอิเล็กโทรไลเซอร์) โลหะ (เหล็ก ซิลิคอน) ที่มาจากวัตถุดิบ วัสดุถ่านหิน และองค์ประกอบโครงสร้างของอิเล็กโทรไลเซอร์ ก๊าซ - ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ซึ่งเกิดขึ้นในโลหะอันเป็นผลมาจากการสลายตัวด้วยไฟฟ้าของน้ำที่เข้าสู่อิเล็กโทรไลต์ด้วยวัตถุดิบ

ในบรรดาโลหะเจือปน นอกเหนือจากเหล็กและซิลิคอนแล้ว ยังมีแกลเลียม สังกะสี ไทเทเนียม แมงกานีส โซเดียม วาเนเดียม โครเมียม และทองแดงในปริมาณมากที่สุดอีกด้วย เนื้อหาของสิ่งเหล่านี้และสิ่งสกปรกขนาดเล็กอื่นๆ ของโลหะใน อลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าได้รับด้านล่าง %:

แหล่งที่มาหลักของโลหะปนเปื้อนขนาดเล็กในอะลูมิเนียมคืออลูมินา ซึ่งอาจมีแกลเลียม สังกะสี โพแทสเซียม ฟอสฟอรัส ซัลเฟอร์ วาเนเดียม ไทเทเนียม และโครเมียม ขึ้นอยู่กับประเภทของวัตถุดิบ วัสดุคาร์บอน (มวลแอโนด แอโนดอบ ผลิตภัณฑ์แคโทด) ทำหน้าที่เป็นแหล่งของสิ่งเจือปนขนาดเล็ก เช่น วาเนเดียม ไทเทเนียม แมงกานีส สังกะสี

ด้วยกระแสไฟฟ้าของการหลอมไครโอไลท์-อลูมินา โดยมีเงื่อนไขว่าต้องใช้วัสดุตั้งต้นบริสุทธิ์ (โดยหลักแล้วคือวัสดุอลูมินาและคาร์บอน) จึงเป็นไปได้ที่จะได้อะลูมิเนียมดิบเกรด A85 และ A8 (99.85 และ 99.80%) โลหะส่วนใหญ่ในเกรดเหล่านี้ (60-70% ของผลผลิตทั้งหมด) ผลิตในอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีขั้วบวกแบบอบ เช่นเดียวกับในอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีกระแสไฟด้านข้าง (มากถึง 70% ของการผลิตทั้งหมด) ในอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีขั้วบวกแบบอบตัวเองและมีกระแสไฟบน เอาต์พุตของอะลูมิเนียมดิบเกรด A8 จะต่ำ (1-3%) และไม่สามารถรับเกรดโลหะ A85 ได้เนื่องจากมีเหล็กเจือปนจำนวนมากเข้าสู่อะลูมิเนียมจากแหล่งที่ไม่ใช่วัตถุดิบ (หมุดแอโนด, ส่วนเหล็กหล่อของตัวสะสมก๊าซ, เครื่องมือทางเทคโนโลยี, หน่วยแคโทด)

อะลูมิเนียมปฐมภูมิหลอมเหลวซึ่งสกัดจากเครื่องอิเล็กโตรไลเซอร์โดยใช้กระบวยสุญญากาศ เข้าสู่แผนกโรงหล่อเพื่อทำการกลั่นเพื่อกำจัดสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะและก๊าซ และนำไปแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ (หมู แท่งทรงกระบอกและแท่งแบน เหล็กลวด ฯลฯ) ก่อนการหล่อ อลูมิเนียมดิบจะถูกเก็บไว้ในสถานะหลอมเหลวในเตาต้านทานไฟฟ้า (เครื่องผสม) หรือในเตาก๊าซสะท้อนกลับ ในเตาเผาเหล่านี้ พวกเขาไม่เพียงแต่ผสมส่วนของอลูมิเนียมเหลวที่มีองค์ประกอบต่างๆ อย่างมีเหตุผล แต่ยังทำความสะอาดบางส่วนจากการรวมตัวที่ไม่ใช่โลหะ ฟิล์มออกไซด์ และโซเดียมอีกด้วย

อลูมิเนียมถูกหล่อจากเครื่องผสมให้เป็นแท่งโลหะโดยใช้เครื่องหล่อแบบสายพานลำเลียง แท่งทรงกระบอกและแท่งแบนผลิตโดยการหล่อแบบกึ่งต่อเนื่อง และใช้หน่วยพิเศษของการหล่อและการรีดแบบรวมเพื่อผลิตเหล็กลวด

ที่โรงถลุงอะลูมิเนียมในประเทศ เมื่อทำการหล่อหลอม อลูมิเนียมที่มาจากเครื่องผสมลงในเครื่องตกผลึกของเครื่องหล่อจะต้องผ่านกระบวนการกลั่นที่ง่ายที่สุด โดยกรองการหลอมผ่านตาข่ายไฟเบอร์กลาสที่มีเซลล์ขนาดตั้งแต่ 0.6 × 0.6 ถึง 1.7 × 1.7 มม. วิธีนี้ช่วยให้คุณทำความสะอาดอะลูมิเนียมได้เฉพาะเมื่อมีออกไซด์ที่หยาบมากเท่านั้น วิธีการขั้นสูงกว่านั้นคือการกรองของเหลวที่หลอมละลายผ่านตาข่ายไฟเบอร์กลาสในการไหลขึ้น ด้วยวิธีการกรองนี้ อนุภาคของออกไซด์ที่รวมอยู่ซึ่งชนกับตาข่ายจะไม่ถูกดักจับโดยการไหลของของเหลว แต่จะถูกสะสมไว้ที่ด้านล่างของร่องหล่อ

หากต้องการทำให้อะลูมิเนียมบริสุทธิ์จากทั้งสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะและไฮโดรเจนไปพร้อมๆ กัน จึงใช้วิธีการกรองผ่านตัวกรองฟลักซ์ร่วมกับการไล่ไนโตรเจนได้สำเร็จ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรดของอิเล็กโทรไลเซอร์อะลูมิเนียมสามารถใช้เป็นฟลักซ์ได้ จากผลของการทำให้บริสุทธิ์นี้ ปริมาณไฮโดรเจนในอลูมิเนียมจะลดลงจาก 0.22 เป็น 0.16 ซม. 3 ต่อโลหะ 100 กรัม

ในอะลูมิเนียมปฐมภูมิที่ใช้ในการผลิตโลหะผสมของระบบ Al-Mg ปริมาณโซเดียมไม่ควรเกิน 0.001% นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าการมีโซเดียมในโลหะผสมเหล่านี้ทำให้คุณสมบัติทางกลและประสิทธิภาพอื่น ๆ ของผลิตภัณฑ์ที่ใช้ในหลายภาคส่วนของเศรษฐกิจของประเทศแย่ลง

ที่สุด วิธีการที่มีประสิทธิภาพการกลั่นอะลูมิเนียมพร้อมกันจากโซเดียม ไฮโดรเจน และสิ่งสกปรกที่ไม่ใช่โลหะ เป่าโลหะหลอมเหลวด้วยส่วนผสมก๊าซไนโตรเจนกับคลอรีน 2-10% นำเข้าสู่การหลอมในรูปของฟองขนาดเล็กโดยใช้อุปกรณ์พิเศษ วิธีการกลั่นนี้ทำให้สามารถลดปริมาณโซเดียมในอะลูมิเนียมลงเหลือ 0.0003-0.001% โดยใช้ส่วนผสมก๊าซ 0.8 ถึง 1.5 ม.3 /ตันของโลหะ

ปริมาณการใช้ไฟฟ้าสำหรับการผลิตอลูมิเนียมเชิงพาณิชย์ 1 ตันจากโลหะดิบโดยใช้เตาไฟฟ้าคือ 150-200 kWh การสูญเสียโลหะที่แก้ไขไม่ได้ในขั้นตอนการหล่อจะเท่ากับ 1.5-5% ขึ้นอยู่กับประเภทของผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์

ผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง

เพื่อให้ได้อะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (เกรด A995-A95) อลูมิเนียมปฐมภูมิที่มีความบริสุทธิ์ทางเทคนิคจะต้องผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้า ทำให้สามารถลดปริมาณโลหะและก๊าซเจือปนในอลูมิเนียมได้ และส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้า ความเหนียว การสะท้อนแสง และความต้านทานการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นอย่างมาก

การกลั่นอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าจะดำเนินการโดยอิเล็กโทรไลซิสของเกลือหลอมเหลวโดยใช้วิธีสามชั้น สาระสำคัญของวิธีการมีดังนี้ อิเล็กโทรไลเซอร์สำหรับการกลั่นมีชั้นหลอมเหลวสามชั้น ส่วนล่างที่หนักที่สุดจะอยู่ที่ด้านล่างที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและทำหน้าที่เป็นขั้วบวก เรียกว่าโลหะผสมแอโนดและเป็นโลหะผสมของอลูมิเนียมกลั่นกับทองแดง ซึ่งเพิ่มเข้าไปเพื่อทำให้ชั้นมีน้ำหนักมากขึ้น ชั้นกลางคืออิเล็กโทรไลต์หลอมเหลว ความหนาแน่นของมันน้อยกว่าความหนาแน่นของโลหะผสมแอโนดและสูงกว่าความหนาแน่นของอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นบริสุทธิ์ (แคโทด) ซึ่งอยู่เหนืออิเล็กโทรไลต์ (ชั้นของเหลวชั้นบนและชั้นที่สาม)

ในระหว่างการละลายขั้วบวก สิ่งเจือปนทั้งหมดที่มีอิเล็กโตรบวกมากกว่าอะลูมิเนียม (Fe, Si, Ti, Cu ฯลฯ) จะยังคงอยู่ในอัลลอยด์ขั้วบวกโดยไม่ผ่านเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ มีเพียงอะลูมิเนียมเท่านั้นที่จะละลายในขั้วบวก ซึ่งอยู่ในรูปของไอออน Al 3+ ผ่านเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์: Al– 3 จ→ อัล 3+ .

ในระหว่างอิเล็กโทรไลซิส ไอออนของอลูมิเนียมจะถูกถ่ายโอนไปยังแคโทด ซึ่งจะถูกปล่อยออกมา: อัล 3+ + 3 จ→ อัล เป็นผลให้ชั้นของอะลูมิเนียมกลั่นหลอมเหลวสะสมอยู่บนแคโทด

หากโลหะผสมแอโนดมีสิ่งเจือปนที่มีอิเลคโตรเนกาติวิตีมากกว่าอะลูมิเนียม (เช่น Ba, Na, Mg, Ca) พวกมันก็สามารถละลายทางเคมีไฟฟ้าที่ขั้วบวกพร้อมกับอะลูมิเนียมและส่งผ่านเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ในรูปของไอออน เนื่องจากปริมาณสิ่งเจือปนทางอิเล็กโทรเนกาติวิตีในอะลูมิเนียมดิบมีน้อย จึงไม่สะสมอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ในปริมาณที่เห็นได้ชัดเจน ในทางปฏิบัติแล้วไม่มีการคายประจุไอออนเหล่านี้ที่แคโทด เนื่องจากศักย์ไฟฟ้าของพวกมันมีประจุไฟฟ้ามากกว่าอะลูมิเนียม

อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในการกลั่นอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าในสหภาพโซเวียตและในประเทศส่วนใหญ่เป็นอิเล็กโทรไลต์ฟลูออไรด์ - คลอไรด์ซึ่งมีองค์ประกอบคือ 55-60% BaCl 2, 35-40% AlF 4 + NaF และ 0-4% NaCl . อัตราส่วนโมลของ NaF: AlF 3 คงไว้ที่ 1.5-2.0; อุณหภูมิหลอมละลายของอิเล็กโทรไลต์ 720-730°C; อุณหภูมิของกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสอยู่ที่ประมาณ 800°C; ความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์ 2.7 g/cm3

โลหะผสมแอโนดเตรียมจากอลูมิเนียมปฐมภูมิและทองแดงบริสุทธิ์ (99.90-99.95% Cu) ซึ่งใส่เข้าไปในโลหะในปริมาณ 30-40% ความหนาแน่นของโลหะผสมแอโนดเหลวขององค์ประกอบนี้คือ 3-3.5 g/cm3 3 ; ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมแคโทดหลอมเหลวบริสุทธิ์คือ 2.3 g/cm3 ด้วยอัตราส่วนความหนาแน่นนี้ เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการแยกชั้นหลอมเหลวทั้งสามชั้นที่ดีจึงถูกสร้างขึ้น

ในระบบควอเทอร์นารี Al-Cu-Fe-Si ซึ่งรวมถึงโลหะผสมแอโนด ยูเทคติกจะเกิดขึ้นโดยมีจุดหลอมเหลวที่ 520°C โดยการหล่อเย็นโลหะผสมขั้วบวกที่มีสิ่งเจือปนของเหล็กและซิลิคอนในปริมาณที่สูงกว่าความเข้มข้นของยูเทคติก จึงเป็นไปได้ที่จะปล่อยเหล็กและซิลิคอนเข้าสู่สถานะของแข็งในรูปของสารประกอบระหว่างโลหะ FeSiAl 5 และ Cu 2 FeAl 7 เนื่องจากอุณหภูมิของโลหะผสมแอโนดในช่องของอิเล็กโตรไลเซอร์อยู่ที่ 30-40°C ต่ำกว่าอุณหภูมิของโลหะผสมแอโนดในพื้นที่ทำงานของอ่าง การสะสมตัวของโลหะระหว่างโลหะจะถูกปล่อยออกมา (เนื่องจากเหล็กและซิลิคอนสะสมอยู่ใน โลหะผสมแอโนด) ด้วยการเอาคราบเหล่านี้ออกเป็นระยะๆ โลหะผสมแอโนดจะถูกทำความสะอาด (โดยไม่ต้องอัพเดต) จากสิ่งสกปรกของเหล็กและซิลิคอน เนื่องจากแกลเลียมมีความเข้มข้นในโลหะผสมแอโนด ตะกอนที่สกัดจากอิเล็กโทรไลเซอร์ (30-40 กิโลกรัมต่ออะลูมิเนียม 1 ตัน) จึงสามารถใช้เป็นแหล่งที่มาของโลหะนี้ได้

สำหรับการกลั่นด้วยไฟฟ้านั้น จะใช้อิเล็กโทรไลเซอร์ ซึ่งในการออกแบบจะมีลักษณะคล้ายกับอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีแอโนดแบบอบสำหรับการผลิตอะลูมิเนียมปฐมภูมิด้วยไฟฟ้า แต่มีการเชื่อมต่อขั้วที่แตกต่างกัน: เตาทำหน้าที่เป็นแอโนดและอิเล็กโทรดแถวบนทำหน้าที่เป็นแคโทด อิเล็กโทรไลเซอร์สมัยใหม่สำหรับการกลั่นอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าได้รับการออกแบบสำหรับความแรงของกระแสไฟฟ้าสูงถึง 75 kA

ด้านล่างนี้เป็นตัวชี้วัดทางเทคนิคและเศรษฐกิจหลักของอิเล็กโตรไลเซอร์ในปี 1979 ซึ่งประสบความสำเร็จโดยองค์กรในประเทศ (1, 2, 3)

ประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้าเคมีซึ่งคำนวณจากโลหะที่เทจากอิเล็กโทรไลเซอร์คือ 97-98% ประสิทธิภาพปัจจุบันที่แท้จริงซึ่งคำนวณตามปริมาณโลหะเชิงพาณิชย์คือ 92-96%

ปัจจัยหลักที่ลดประสิทธิภาพในปัจจุบัน นอกเหนือจากการสูญเสียกระแสตรงอันเนื่องมาจากการปล่อยไอออนอิเลคโตรเนกาติตีมากขึ้น การสูญเสียโลหะอันเนื่องมาจากการเกิดออกซิเดชันและการสูญเสียทางกลของอลูมิเนียมคือการทำงานของอิเล็กโทรไลเซอร์ด้วยการปล่อยโลหะคุณภาพต่ำ ซึ่งจะถูกส่งกลับไปยังโลหะผสมแอโนดเพื่อการกลั่นในภายหลัง ระยะเวลาการทำงานของอิเล็กโตรไลเซอร์เหล่านี้เกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้นอิเล็กโทรไลเซอร์และการละเมิดระบอบเทคโนโลยี

การกลั่นอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมาก ปริมาณการใช้ไฟฟ้าในไฟฟ้ากระแสสลับรวมถึงพลังงานที่ใช้ในการเตรียมอิเล็กโทรไลต์และโลหะผสมแอโนดการทำงานของอุปกรณ์ระบายอากาศและยานพาหนะตลอดจนการสูญเสียในการแปลงกระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรงคือ 18.5-21.0 พันกิโลวัตต์ชั่วโมงต่อ 1 ตัน อลูมิเนียม ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของอิเล็กโทรไลเซอร์ในการกลั่นไม่เกิน 5-7% นั่นคือ 93-95% ของพลังงานถูกใช้ไปในรูปแบบของการสูญเสียความร้อน ซึ่งส่วนใหญ่ปล่อยออกมาในชั้นอิเล็กโทรไลต์ (ประมาณ 80-85% ของความร้อนที่ป้อนทั้งหมด) ดังนั้น วิธีหลักในการลดการใช้พลังงานจำเพาะสำหรับการกลั่นอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าคือการปรับปรุงฉนวนกันความร้อนของอิเล็กโทรไลเซอร์ (โดยเฉพาะส่วนบนของโครงสร้าง) และลดชั้นอิเล็กโทรไลต์ (ลดระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด)

ความบริสุทธิ์ของอลูมิเนียมที่กลั่นโดยใช้วิธีสามชั้นคือ 99.995% มันถูกกำหนดโดยความแตกต่างกับสิ่งสกปรกหลักห้าประการ - เหล็ก, ซิลิคอน, ทองแดง, สังกะสีและไทเทเนียม ปริมาณโลหะของเกรดนี้ได้อยู่ที่ 45-48% ของผลผลิตทั้งหมด (โดยไม่มีการสลายตัวด้วยเกรดที่ต่ำกว่า)

อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้าประกอบด้วยโลหะอื่นเจือปนในปริมาณที่น้อยกว่า ซึ่งจะลดความบริสุทธิ์สัมบูรณ์ของอะลูมิเนียมดังกล่าว การวิเคราะห์กัมมันตภาพรังสีทำให้สามารถตรวจจับสิ่งเจือปนในอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้าได้มากถึง 30 ชนิด ซึ่งมีปริมาณรวมประมาณ 60ּ10–4% ดังนั้นความบริสุทธิ์ของอลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นแล้วเมื่อเทียบกับสิ่งเจือปนเหล่านี้คือ 99.994%

นอกจากสิ่งเจือปนที่ GOST ระบุไว้ (ดูตารางที่ 1.1) เกรดที่พบมากที่สุด (A99) ของอลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้าแล้วยังมี %: Cr 0.00016; วี 0.0001; กา 0.0006; หน้า 0.002; เอสเอ็น 0.00005; แคลิฟอร์เนีย 0.002-0.003; นา 0.001-0.008; ล้าน 0.001-0.007; มก. 0.001-0.007; เช่น<0,0001; Sb<0,00002; Bi<0,00001; Cd<0,000001; S 0,0007.

แหล่งที่มาของการปนเปื้อนอะลูมิเนียมแคโทดประการหนึ่งคือตัวนำกระแสไฟฟ้ากราไฟต์ซึ่งประกอบด้วยเหล็กและซิลิคอนออกไซด์และสัมผัสกับอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นอยู่ตลอดเวลา หากกระแสไฟถูกส่งไปยังอะลูมิเนียมแคโทดโดยตรงด้วยแท่งอะลูมิเนียม และใช้เครื่องมือที่ทำจากกราไฟต์บริสุทธิ์มาก ก็เป็นไปได้ที่จะได้โลหะที่มีความบริสุทธิ์ 99.999% โดยความแตกต่างกับสิ่งเจือปนที่ตรวจพบได้ (Fe, Si, Cu, Zn และติ) โลหะนี้มีค่าเฉลี่ย %: Si 0.0002; เฟ 0.00032; ลูกบาศ์ก 0.0002; สังกะสี 0.0002 และ Ti 0.00005 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปัญหาทางเทคนิค วิธีการจ่ายกระแสไฟฟ้าด้วยวิธีนี้ยังไม่พบการประยุกต์ใช้ทางอุตสาหกรรมในวงกว้าง

การผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง

อลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (เกรด A999) สามารถผลิตได้สามวิธี: การถลุงแบบโซน การกลั่นผ่านซับฮาไลด์ และการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของสารประกอบอะลูมิเนียม-อินทรีย์ จากวิธีการที่ระบุไว้ในการผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง วิธีการหลอมโซนได้รับการนำไปใช้จริงในสหภาพโซเวียต

หลักการของการหลอมโซนคือการผ่านโซนหลอมเหลวไปตามแท่งอลูมิเนียมซ้ำๆ ตามค่าสัมประสิทธิ์การกระจาย เค=สโทรทัศน์ /กับว (ที่ไหน กับทีวี - ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในของแข็งและ กับ g - ในเฟสของเหลว) ซึ่งส่วนใหญ่กำหนดประสิทธิภาพของการทำให้บริสุทธิ์จากสิ่งสกปรก สิ่งสกปรกเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม กลุ่มแรกประกอบด้วยสิ่งเจือปนที่ทำให้จุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมลดลง พวกเขามี ถึง<1 ในระหว่างการหลอมโซน จะถูกรวมตัวอยู่ในโซนหลอมเหลวและถ่ายโอนไปยังส่วนสุดท้ายของแท่งโลหะ สิ่งเจือปนเหล่านี้ ได้แก่ Ga, Sn, Be, Sb, Ca, Th, Fe, Co, Ni, Ce, Te, Ba, Pt, Au, Bi, Pb, Cd, In, Na, Mg, Cu, Si, Ge, Zn . กลุ่มที่สองประกอบด้วยสิ่งเจือปนที่เพิ่มจุดหลอมเหลวของอลูมิเนียม พวกเขามีลักษณะเฉพาะ เค>1และในระหว่างการหลอมโซน พวกมันจะกระจุกตัวอยู่ในส่วนที่เป็นของแข็ง (เริ่มต้น) ของแท่งโลหะ สิ่งเจือปนเหล่านี้ ได้แก่ Nb, Ta, Cr, Ti, Mo, V กลุ่มที่สามประกอบด้วยสิ่งเจือปนที่มีค่าสัมประสิทธิ์การกระจายใกล้กับความสามัคคีมาก (Mn, Sc) สิ่งเจือปนเหล่านี้จะไม่ถูกกำจัดออกไปในระหว่างการหลอมโซนของอะลูมิเนียม

อะลูมิเนียมที่มีไว้สำหรับการหลอมแบบโซนนั้นต้องผ่านการเตรียมการบางอย่าง ซึ่งประกอบด้วยการกรอง การกำจัดก๊าซ และการดอง จำเป็นต้องกรองเพื่อขจัดฟิล์มออกไซด์ที่ทนไฟและทนทานที่กระจายตัวอยู่ในโลหะออกจากอลูมิเนียม อะลูมิเนียมออกไซด์ที่มีอยู่ในอะลูมิเนียมหลอมเหลวสามารถสร้างจุดศูนย์กลางการตกผลึกในระหว่างการแข็งตัว ซึ่งนำไปสู่การผลิตแท่งโลหะโพลีคริสตัลไลน์ และการหยุดชะงักของผลกระทบของการกระจายตัวของสิ่งเจือปนระหว่างโลหะแข็งและโซนหลอมเหลว อลูมิเนียมถูกกรองในสุญญากาศ (ความดันตกค้าง 0.1-0.4 Pa) ผ่านรูที่ด้านล่างของเบ้าหลอมกราไฟท์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5-2 มม. การไล่แก๊สอะลูมิเนียมเบื้องต้นก่อนการหลอมโซน (รวมถึงการให้ความร้อนในสุญญากาศด้วย) จะดำเนินการเพื่อป้องกันการกระเด็นของโลหะเมื่อโซนละลายหากดำเนินการในสุญญากาศสูง ขั้นตอนสุดท้ายของการเตรียมอะลูมิเนียมสำหรับการหลอมโซนคือการกัดพื้นผิวด้วยส่วนผสมของกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้นและกรดไนตริก

เนื่องจากอะลูมิเนียมมีฤทธิ์ทางเคมีที่สำคัญ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งกราไฟท์บริสุทธิ์จึงถูกใช้เป็นวัสดุหลักสำหรับบรรจุภัณฑ์ (เรือ) การหลอมโซนของอะลูมิเนียมจึงดำเนินการในสุญญากาศหรือในบรรยากาศของก๊าซเฉื่อย (อาร์กอน ฮีเลียม)

การหลอมแบบโซนในสุญญากาศทำให้อะลูมิเนียมมีความบริสุทธิ์มากขึ้น เนื่องจากการระเหยของสิ่งเจือปนบางส่วนในระหว่างการอพยพ (แมกนีเซียม สังกะสี แคดเมียม โลหะอัลคาไล และอัลคาไลน์เอิร์ธ) และยังช่วยขจัดการปนเปื้อนของโลหะบริสุทธิ์ด้วยสิ่งเจือปนอันเป็นผลมาจากการใช้ ก๊าซเฉื่อยป้องกัน การหลอมอะลูมิเนียมแบบโซนในสุญญากาศสามารถทำได้ด้วยการปั๊มท่อควอทซ์อย่างต่อเนื่อง โดยวางเรือกราไฟท์ที่มีแท่งอลูมิเนียมไว้ เช่นเดียวกับในหลอดควอตซ์แบบปิดผนึก ซึ่งอากาศจะถูกสูบออกสู่แรงดันตกค้างในขั้นแรก ประมาณ 1ּ10 –3 Pa

ในการสร้างโซนหลอมเหลวบนแท่งอะลูมิเนียมระหว่างโซนหลอมเหลว สามารถใช้การให้ความร้อนโดยใช้เตาต้านทานขนาดเล็กหรือกระแสความถี่สูง การจ่ายไฟให้กับเตาต้านทานไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อน เตาใช้งานง่าย ข้อเสียเปรียบประการเดียวของวิธีการให้ความร้อนนี้คือส่วนตัดขวางเล็กๆ ของแท่งอะลูมิเนียมที่กำลังทำให้บริสุทธิ์

การทำความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำด้วยกระแสความถี่สูงเป็นวิธีที่เหมาะในการสร้างบริเวณหลอมเหลวบนแท่งโลหะระหว่างการหลอมโซน วิธีการให้ความร้อนความถี่สูง (นอกเหนือจากข้อเท็จจริงที่ว่ามันช่วยให้โซนหลอมแท่งโลหะที่มีหน้าตัดขนาดใหญ่ได้) มีข้อได้เปรียบที่สำคัญคือโลหะหลอมเหลวจะถูกผสมอย่างต่อเนื่องในโซน สิ่งนี้เอื้อต่อการแพร่กระจายของอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์จากด้านหน้าของการตกผลึกไปสู่ส่วนลึกของการหลอมละลาย

นับเป็นครั้งแรกที่การผลิตทางอุตสาหกรรมของอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยการหลอมแบบโซนได้รับการควบคุมที่โรงถลุงอะลูมิเนียม Volkhov ในปี 1965 โดยใช้การติดตั้ง UZPI-3 ที่พัฒนาโดย VAMI การติดตั้งนี้ติดตั้งเครื่องรีทอร์คควอตซ์สี่ตัวพร้อมระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ ในขณะที่ตัวเหนี่ยวนำสามารถเคลื่อนย้ายได้ และภาชนะที่มีโลหะอยู่นิ่ง ผลผลิตคือโลหะ 20 กิโลกรัมต่อรอบการทำความสะอาด ต่อมาได้มีการสร้างการติดตั้ง UZPI-4 ที่เป็นโลหะทั้งหมดที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่งขึ้นและเปิดดำเนินการเชิงพาณิชย์ในปี พ.ศ. 2515 ที่โรงหลอมอลูมิเนียม Volkhov

ประสิทธิภาพของการทำให้อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ในระหว่างการหลอมโซนสามารถแสดงลักษณะเฉพาะได้จากข้อมูลต่อไปนี้ หากปริมาณสิ่งเจือปนทั้งหมดในอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้าคือ (30۞60)ּ10–4% จากนั้นหลังจากการหลอมโซนจะลดลงเป็น (2.8۞3.2)ּ10–4% เช่น 15-20 เท่า ซึ่งสอดคล้องกับความต้านทานไฟฟ้าตกค้างของอลูมิเนียม ρ ○ (ที่อุณหภูมิฮีเลียมเหลว 4.2 K) ตามลำดับ (20۞40)ּ10 –10 และ (1.8۞2.1)ּ10 –10 หรือมีความบริสุทธิ์ 99.997-99.994 และ 99.9997% . ในตาราง 1.4 (ดูด้านล่าง) แสดงข้อมูลการวิเคราะห์กัมมันตภาพรังสีเกี่ยวกับเนื้อหาของสิ่งเจือปนบางอย่างในอะลูมิเนียมที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์แบบโซนและที่ผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้า ข้อมูลเหล่านี้บ่งชี้ว่าปริมาณสิ่งเจือปนส่วนใหญ่ลดลงอย่างมาก แม้ว่าสิ่งเจือปน เช่น แมงกานีสและสแกนเดียมจะไม่ได้ถูกกำจัดออกไปในระหว่างการหลอมโซนก็ตาม

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา VAMI ได้พัฒนาและทดสอบเทคโนโลยีสำหรับการผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ 99.9999% ในสภาวะอุตสาหกรรมโดยใช้วิธีการหลอมแบบคาสเคดโซน สาระสำคัญของวิธีการหลอมโซนแบบคาสเคดก็คือ การทำให้อะลูมิเนียมตั้งต้นที่มีความบริสุทธิ์ A999 บริสุทธิ์จะดำเนินการโดยวงจรการทำซ้ำตามลำดับ (แบบเรียงซ้อน) ของแถบโซน ในกรณีนี้ วัสดุตั้งต้นสำหรับน้ำตกแต่ละชั้นที่ตามมาคือส่วนที่ตรงกลางและบริสุทธิ์ที่สุดของแท่งโลหะที่ได้รับอันเป็นผลมาจากรอบการทำให้บริสุทธิ์ครั้งก่อน

ตารางที่ 1.4

ในตาราง 1.5 (ดูด้านล่าง) แสดงผลการวิเคราะห์และการวัดมวลสเปกตรัม ร 293 พัน / รอะลูมิเนียม 4.2 K เกิดจากการหลอมแบบคาสเคดโซน จากข้อมูลที่นำเสนอ เราสามารถสรุปได้ว่าความบริสุทธิ์ของอะลูมิเนียมดังกล่าว ซึ่งพิจารณาจากความแตกต่างกับสิ่งเจือปนหลัก 10 ชนิด (Si, Fe, Mg, Mn, Ti, Cu, Cr, Zn, Na และ V) อยู่ที่ >99.9999% . ข้อสรุปนี้ได้รับการยืนยันทางอ้อมด้วยคุณค่า ร 293 พัน / ร 4.2 K ซึ่งในทุกตัวอย่างคือ >30ּ10 3

เพื่อให้ได้โลหะที่มีความบริสุทธิ์ 99.9999% ก็เพียงพอที่จะดำเนินการละลายโซนสองครั้ง (ดูตารางที่ 1.5) การเพิ่มจำนวนลดหลั่นอีกไม่ได้เพิ่มความบริสุทธิ์ของอะลูมิเนียม แม้ว่าจะเพิ่มผลผลิตโดยรวมของโลหะด้วยความบริสุทธิ์ 99.9999% ก็ตาม

กระบวนการที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งในการได้รับอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงคือการกลั่นผ่านซับฮาไลด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านอะลูมิเนียมซับฟลูออไรด์

ความดันไออิ่มตัวของโลหะอะลูมิเนียมไม่สูงพอที่จะทำการกลั่นโดยตรงในอัตราที่ยอมรับได้ในทางปฏิบัติ อย่างไรก็ตาม เมื่อให้ความร้อนในสุญญากาศ (ที่ 1,000-1,050°C) ด้วย AlF 3 อะลูมิเนียมจะเกิดเป็นซับฟลูออไรด์ AlF ที่มีความผันผวนสูง ซึ่งถูกกลั่นลงในโซนเย็น (800°C) ซึ่งจะสลายตัวอีกครั้ง (ไม่สมส่วน) เมื่อปล่อยออกมา อะลูมิเนียมบริสุทธิ์:

เนื้อหาของสิ่งเจือปนในอะลูมิเนียมที่กลั่นผ่านซับฟลูออไรด์มีความสัมพันธ์แบบผกผันกับมวลของแท่งโลหะที่เกิดขึ้น ในแท่งโลหะที่มีน้ำหนัก 1.5-1.7 กก. ปริมาณสิ่งสกปรกทั้งหมด (Si, Fe, Cu, Mg) คือ 11ּ10–4% และปริมาณก๊าซคือ 0.007 ซม. 3 /100 กรัม ความต้านทานตกค้างจำเพาะ (ρ ○) ที่ฮีเลียมเหลว อุณหภูมิของโลหะดังกล่าวคือ (1.7÷2.0)ּ10 –10 โอห์มซม. การกลั่นอะลูมิเนียมผ่านซับฟลูออไรด์มีข้อเสียหลายประการ (ผลผลิตค่อนข้างต่ำ การทำแมกนีเซียมให้บริสุทธิ์อย่างล้ำลึกไม่เพียงพอ ฯลฯ) ดังนั้นวิธีการนี้จึงไม่ได้รับการพัฒนาทางอุตสาหกรรม

นอกจากนี้ ยังมีการพัฒนาวิธีการสำหรับการผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยอิเล็กโทรไลซิสของสารประกอบออร์กาโนอะลูมิเนียมเชิงซ้อน ซึ่งมีองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ต่างกัน ตัวอย่างเช่น ในประเทศเยอรมนี พวกเขาใช้วิธีการอิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย NaFּ2Al (C 2 H 5) 3 50% ในโทลูอีน การกลั่นจะดำเนินการที่อุณหภูมิ 100°C แรงดันไฟฟ้าอิเล็กโตรไลเซอร์ 1.0-1.5 V และความหนาแน่นกระแส 0.3-0.5 A/dm 2 โดยใช้อิเล็กโทรดอะลูมิเนียม ประสิทธิภาพกระแสแคโทด 99% การกลั่นด้วยเคมีไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์ออร์กาโนอลูมิเนียมช่วยลดปริมาณแมงกานีสและสแกนเดียมลงอย่างมาก ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วจะไม่ถูกกำจัดออกไปในระหว่างการทำให้โซนบริสุทธิ์ ข้อเสียของวิธีนี้คือให้ผลผลิตต่ำและมีอันตรายจากไฟไหม้สูง

หากต้องการทำให้อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ได้ลึกยิ่งขึ้นและได้โลหะที่มีความบริสุทธิ์ตั้งแต่ 99.99999% ขึ้นไป คุณสามารถใช้วิธีการข้างต้นร่วมกันได้: การอิเล็กโทรลิซิสของสารประกอบออร์กาโนอะลูมิเนียม หรือการระเหิดผ่านซับฟลูออไรด์ ตามด้วยการโซนการหลอมของอะลูมิเนียมที่เกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น โดยการทำให้อะลูมิเนียมบริสุทธิ์แบบโซนซ้ำๆ ที่ได้จากกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสของสารประกอบออร์กาโนอะลูมิเนียม ก็เป็นไปได้ที่จะได้โลหะที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยมีปริมาณสิ่งเจือปน ×10–9%: Fe 50; ศรี<500; Cu 10; Mg 30; Mn5; Ti <500; Cr 20; Zn <50; Co <1; Ag <5; Sb <1 и Se 3.

แอปพลิเคชัน

การรวมกันของคุณสมบัติทางกายภาพ ทางกล และทางเคมีของอะลูมิเนียม กำหนดการใช้งานอย่างแพร่หลายในเกือบทุกด้านของเทคโนโลยี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรูปของโลหะผสมกับโลหะอื่นๆ ในด้านวิศวกรรมไฟฟ้า อลูมิเนียมสามารถแทนที่ทองแดงได้สำเร็จ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตตัวนำขนาดใหญ่ เช่น ในสายไฟเหนือศีรษะ สายเคเบิลไฟฟ้าแรงสูง บัสบาร์สวิตช์เกียร์ หม้อแปลงไฟฟ้า (ค่าการนำไฟฟ้าของอะลูมิเนียมสูงถึง 65.5% ของค่าการนำไฟฟ้าของทองแดง และ มันเบากว่าทองแดงมากกว่าสามเท่าด้วยหน้าตัดที่ให้ค่าการนำไฟฟ้าเท่ากันมวลของเส้นลวดอะลูมิเนียมจึงมีมวลครึ่งหนึ่งของทองแดง) อลูมิเนียมบริสุทธิ์พิเศษใช้ในการผลิตตัวเก็บประจุไฟฟ้าและวงจรเรียงกระแสซึ่งการกระทำนั้นขึ้นอยู่กับความสามารถของฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์ในการส่งกระแสไฟฟ้าในทิศทางเดียวเท่านั้น อลูมิเนียมบริสุทธิ์พิเศษที่บริสุทธิ์โดยการหลอมโซน ใช้สำหรับการสังเคราะห์สารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ประเภท A III B V ซึ่งใช้ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ อลูมิเนียมบริสุทธิ์ใช้ในการผลิตกระจกสะท้อนแสงประเภทต่างๆ อลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงใช้เพื่อปกป้องพื้นผิวโลหะจากการกัดกร่อนในชั้นบรรยากาศ (การหุ้ม สีอลูมิเนียม) อะลูมิเนียมมีหน้าตัดการดูดกลืนนิวตรอนค่อนข้างต่ำ จึงใช้เป็นวัสดุโครงสร้างในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ถังอะลูมิเนียมความจุขนาดใหญ่จัดเก็บและขนส่งก๊าซเหลว (มีเทน ออกซิเจน ไฮโดรเจน ฯลฯ) กรดไนตริกและอะซิติก น้ำสะอาด ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และน้ำมันที่บริโภคได้ อะลูมิเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์และเครื่องมือในอุตสาหกรรมอาหาร สำหรับบรรจุภัณฑ์อาหาร (ในรูปของฟอยล์) และสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ในครัวเรือนประเภทต่างๆ การใช้อะลูมิเนียมในการตกแต่งอาคาร สถาปัตยกรรม โครงสร้างการขนส่งและการกีฬาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ในทางโลหะวิทยา อะลูมิเนียม (นอกเหนือจากโลหะผสมที่มีส่วนประกอบดังกล่าว) เป็นหนึ่งในสารเติมแต่งโลหะผสมที่พบมากที่สุดในโลหะผสมที่มี Cu, Mg, Ti, Ni, Zn และ Fe อลูมิเนียมยังใช้ในการกำจัดออกซิไดซ์เหล็กก่อนที่จะเทลงในแม่พิมพ์ เช่นเดียวกับในกระบวนการผลิตโลหะบางชนิดโดยใช้ความร้อนจากอะลูมิเนียม SAP (ผงอะลูมิเนียมเผาผนึก) ผลิตจากอะลูมิเนียมโดยใช้ผงโลหะวิทยา ซึ่งมีความต้านทานความร้อนสูงที่อุณหภูมิสูงกว่า 300°C

อลูมิเนียมใช้ในการผลิตวัตถุระเบิด (แอมโมนัล, อะลูโมทอล) สารประกอบอลูมิเนียมหลายชนิดมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย

การผลิตและการบริโภคอะลูมิเนียมมีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง ซึ่งแซงหน้าอัตราการเติบโตของการผลิตเหล็ก ทองแดง ตะกั่ว และสังกะสีอย่างมาก

การผลิตอลูมินา

อลูมินาเป็นชื่อที่ตั้งให้กับอะลูมิเนียมออกไซด์แบบผลึก เป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตอะลูมิเนียม อลูมิเนียมได้มาจากอลูมินาโดยอิเล็กโทรไลซิส อลูมินายังใช้ในอุตสาหกรรมอื่น ๆ (เช่นสำหรับกระดาษฟอกขาว, การผลิตซีเมนต์ชนิดพิเศษ, ซีโอไลต์ - สารที่ดูดซับโมเลกุลบางประเภทต่อหน้าโมเลกุลอื่น ๆ เป็นต้น) นอกจากนี้ บางครั้งอาจคุ้มค่าที่จะรวมการผลิตโลหะหายากที่มาพร้อมกับอะลูมิเนียมในแร่ (เช่น แกลเลียม วานาเดียม ฯลฯ) ในการผลิตอลูมินา

อลูมินาได้มาจากแร่ที่มีหินเรียกว่าบอกไซต์ แร่บอกไซต์มีองค์ประกอบทางเคมีและแร่วิทยาที่ซับซ้อน ส่วนหลักและมีประโยชน์คือการดัดแปลงอะลูมิเนียมออกไซด์ (ไฮดรอกไซด์) ไฮดรอกไซด์ต่างๆ ( อัล (OH) 3 , อัลลูห์และอื่น ๆ.). องค์ประกอบของบอกไซต์มักจะรวมถึงออกไซด์ของเหล็ก, ซิลิคอนในปริมาณเล็กน้อย - ซัลเฟอร์, ไทเทเนียม, แกลเลียม, โครเมียม, วานาเดียม ฯลฯ รวมถึงเกลือคาร์บอเนตของแคลเซียม, แมกนีเซียม, เหล็ก, สารอินทรีย์ (ซากพืชและสัตว์โบราณ) ) ฯลฯ ปริมาณสิ่งเจือปนอื่นๆ ที่มากเกินไปก็เป็นอันตรายเช่นกัน และส่งผลให้ต้นทุนการผลิตอลูมินาเพิ่มขึ้น

อลูมินาสามารถผลิตได้สามวิธี: กรด ด่าง และอิเล็กโทรไลต์ วิธีที่นิยมและง่ายที่สุดคือวิธีอัลคาไลน์ที่เสนอโดยไบเออร์และเรียกว่ากระบวนการไบเออร์ สาระสำคัญของวิธีนี้คือสารละลายอลูมิเนียมเริ่มสลายตัวอย่างรวดเร็วด้วยการแนะนำอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์และสารละลายที่เหลือจากการสลายตัวหลังจากการระเหยด้วยการกวนอย่างเข้มข้นที่อุณหภูมิ 170 C ก็สามารถละลายอลูมินาที่มีอยู่ในบอกไซต์ได้อีกครั้ง วิธีนี้มีขั้นตอนหลักดังต่อไปนี้:

1. การเตรียมอะลูมิเนียมซึ่งเกี่ยวข้องกับการบดและบดในโรงงานพิเศษ ด่างกัดกร่อน บอกไซต์ และมะนาวบางส่วนถูกส่งไปยังโรงสี เยื่อกระดาษที่ได้จะถูกส่งไปชะล้าง

2. การชะล้างแร่บอกไซต์เกี่ยวข้องกับการสลายตัวทางเคมีจากการผสมกับสารละลายด่างที่เป็นน้ำ ในกรณีนี้อะลูมิเนียมออกไซด์ไฮเดรตเมื่อรวมกับอัลคาไลจะเข้าสู่สารละลายในรูปของโซเดียมอะลูมิเนตและซิลิกาซึ่งมีอยู่ในแร่บอกไซต์เมื่อรวมกับอัลคาไลจะเข้าสู่สารละลายในรูปของโซเดียมซิลิเกต ในสารละลาย สารประกอบเหล่านี้: โซเดียมอะลูมิเนตและโซเดียมซิลิเกตทำให้เกิดโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตที่ไม่ละลายน้ำ สารตกค้างนี้ประกอบด้วยออกไซด์ของเหล็กและไทเทเนียม ซึ่งทำให้สารตกค้างมีโทนสีแดง สารตกค้างนี้เป็นโคลนแดง เมื่อการละลายของโซเดียมอะลูมิเนตที่เกิดขึ้นเสร็จสมบูรณ์ จะถูกเจือจางด้วยสารละลายอัลคาไลที่เป็นน้ำในขณะที่อุณหภูมิลดลงเหลือ 100°C

3. การแยกโคลนแดงและสารละลายอะลูมิเนตออกจากกันเกิดขึ้นเนื่องจากการล้างด้วยสารเพิ่มความข้น หลังจากนั้นโคลนสีแดงจะตกตะกอน และสารละลายอะลูมิเนตที่เหลือจะถูกกรอง

4. การสลายตัวของสารละลายอะลูมิเนต กรองและส่งไปยังภาชนะขนาดใหญ่พร้อมเครื่องผสม อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์จะถูกปล่อยออกมาจากสารละลายนี้เมื่อทำให้เย็นลงถึง 60°C และกวนอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากกระบวนการดำเนินไปอย่างไม่สม่ำเสมอและช้ามากและการเติบโตของผลึกอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์มีความสำคัญมากในระหว่างการประมวลผลเพิ่มเติม ไฮดรอกไซด์ที่เป็นของแข็งจำนวนมากจะถูกเติมลงในภาชนะเหล่านี้ด้วยเครื่องผสม - ตัวย่อยสลาย

5. อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ผลิตในตัวกรองสุญญากาศและไฮโดรไซโคลน ไฮดรอกไซด์ส่วนใหญ่เป็นวัสดุเมล็ดจะถูกส่งกลับไปยังกระบวนการสลายตัว หลังจากล้างน้ำแล้ว สารตกค้างจะถูกส่งไปเผา และสารกรองก็กลับเข้าสู่กระบวนการเช่นกัน

6. การคายน้ำของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์เป็นขั้นตอนสุดท้ายของการผลิตอลูมินา มันเกิดขึ้นในเตาเผาแบบท่อที่หมุนตลอดเวลา อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ดิบจะถูกทำให้แห้งสนิทและถูกทำให้ขาดน้ำเมื่อผ่านเตาเผา (โครงการที่ 1)

อลูมินาที่ผ่านการเผาในที่สุดจะมี b-Al2O3 30-50% (คอรันดัม) ส่วนที่เหลือ g-Al2O3

วิธีนี้จะสกัดอลูมินาที่ผลิตได้ทั้งหมด 85-87% อลูมิเนียมออกไซด์ที่ได้จะเป็นสารประกอบเคมีชนิดเข้มข้นที่มีจุดหลอมเหลว 2,050 o C

เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการผลิตอลูมินาคือการควบคุมและการปฏิบัติตามพารามิเตอร์ของสารและกระบวนการในทุกขั้นตอนของการผลิต ตั้งแต่การจัดหาแร่บอกไซต์ไปจนถึงการขนถ่ายอะลูมินาที่เสร็จแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งซึ่งรวมถึง: ความวิจิตรของการบด ความเข้มข้นของอัลคาไล อุณหภูมิ ความดัน การใช้สารของเหลวและของแข็ง การใช้พลังงานและพารามิเตอร์ ขนาดเมล็ดพืช และอื่นๆ อีกมากมาย ข้อมูลเหล่านี้ได้มาในขั้นตอนการออกแบบโรงงานโดยผ่านการคำนวณทางทฤษฎีและการทดสอบเชิงทดลองมากมาย และได้รับการปรับปรุงหลังจากเริ่มการผลิต การตรวจสอบการปฏิบัติตามเทคโนโลยีจะดำเนินการอย่างต่อเนื่องโดยห้องปฏิบัติการพิเศษ และการปฏิบัติตามเงื่อนไขการผลิตเป็นหน้าที่หลักของบุคลากรและคนงานด้านวิศวกรรมและด้านเทคนิค

องค์ประกอบที่สำคัญของการผลิตคือภาคพลังงานซึ่งจ่ายไฟฟ้า ความร้อน และไอน้ำสำหรับสารละลายทำความร้อนและสารแห้ง

การผลิตอลูมินาใช้ปั๊มและวาล์วปิดที่แตกต่างกันจำนวนมาก และความเสถียรของการผลิตขึ้นอยู่กับความน่าเชื่อถืออย่างมาก

การผลิตอลูมินาในปัจจุบันส่วนใหญ่เป็นไปโดยอัตโนมัติ

สิ่งนี้ทำให้การจัดการกระบวนการง่ายขึ้นมาก แต่ต้องใช้บุคลากรที่มีคุณสมบัติเหมาะสมมากขึ้นในการบำรุงรักษา

โครงการที่ 1 โครงการผลิตอลูมินาของไบเออร์

ก่อนอื่นต้องสกัดอะลูมิเนียมออกไซด์จากแร่บอกไซต์ อลูมิเนียมออกไซด์ยังมีชื่ออื่น - อลูมินา

คุณรู้จักอลูมินาบางประเภท เช่น กากกะรุนใช้ทำความสะอาดมีด เหล่านี้เป็นเม็ดหินที่แข็งมาก - คอรันดัม ใช้สำหรับลับเครื่องมือเหล็กและมีด และคอรันดัมก็คืออลูมินาอะลูมิเนียมออกไซด์

การสกัดอลูมินาจากบอกไซต์เป็นเรื่องยากและใช้เวลานาน ดำเนินการในร้านค้าเคมีของโรงถลุงอะลูมิเนียม แต่การสกัดอลูมินานั้นมีชัยเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น เพื่อให้ได้อะลูมิเนียม จำเป็นต้องกำจัดออกซิเจนออกจากอลูมินาด้วย ในการทำเช่นนี้อลูมินาหลอมเหลวจะถูกเทลงในอ่างที่ทำจากกราไฟท์และมีกระแสไฟฟ้าแรงไหลผ่าน คุณต้องมีกระแสมาก ดังนั้นโรงงานผลิตอลูมิเนียมจึงถูกสร้างขึ้นใกล้กับโรงไฟฟ้าที่ทรงพลังเสมอ

ตำนานที่น่าสงสัยอย่างหนึ่งเล่าว่าวันหนึ่งมีชายคนหนึ่งมาหาจักรพรรดิแห่งโรมัน Tiberius (42 ปีก่อนคริสตกาล - 37 AD) พร้อมชามโลหะที่ไม่แตกหัก วัสดุของชามน่าจะมาจากอลูมินา (Al2O3) และดังนั้นจึงต้องเป็นอะลูมิเนียม ด้วยความกลัวว่าโลหะที่ทำจากดินเหนียวอาจทำให้ทองคำและเงินเสื่อมราคา ทิเบเรียสจึงสั่งให้ตัดศีรษะของชายคนนั้นออก เผื่อไว้ แน่นอนว่าเรื่องราวนี้ยากที่จะเชื่อ: อะลูมิเนียมพื้นเมืองไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ และในสมัยของจักรวรรดิโรมันก็ยังไม่มีวิธีการทางเทคนิคที่จะทำให้สามารถแยกอะลูมิเนียมออกจากสารประกอบได้

ในแง่ของความชุกในธรรมชาติ อลูมิเนียมเป็นอันดับแรกในบรรดาโลหะ เนื้อหาในเปลือกโลกคือ 7.45% อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการเกิดขึ้นอย่างกว้างขวางในธรรมชาติ แต่อะลูมิเนียมก็เป็นหนึ่งในโลหะหายากจนถึงปลายศตวรรษที่ 19 ไม่พบอลูมิเนียมในรูปแบบบริสุทธิ์เนื่องจากมีฤทธิ์ทางเคมีสูง ส่วนใหญ่พบในรูปของสารประกอบที่มีออกซิเจนและซิลิคอน - อะลูมิโนซิลิเกต

มีเพียงหินที่อุดมไปด้วยอลูมินา (Al2O3) และเกิดขึ้นเป็นก้อนใหญ่บนพื้นผิวโลกเท่านั้นที่สามารถทำหน้าที่เป็นแร่อะลูมิเนียมได้ หินเหล่านี้ได้แก่ บอกไซต์ เนฟีลีน - (Na, K)2O? Al2O3? 2SiO2, อะลูไนต์ - (Na, K)2SO4 ? อัล2(SO4)3 ? 4Al(OH)3 และดินขาว (ดินเหนียว), เฟลด์สปาร์ (ออร์โธเคลส) - K2O ? Al2O3? 6SiO2.

แร่หลักในการผลิตอะลูมิเนียมคือแร่บอกไซต์ ประกอบด้วยอะลูมิเนียมในรูปของไฮดรอกไซด์ Al(OH), AlOOH, คอรันดัม Al2O3 และ kaolinite Al2O3? 2SiO2? 2H2O องค์ประกอบทางเคมีของอะลูมิเนียมมีความซับซ้อน: อลูมินา 28-70%; ซิลิกา 0.5-20%; เหล็กออกไซด์ 2-50%; ไทเทเนียมออกไซด์ 0.1-10% เมื่อเร็ว ๆ นี้ nephelines และ alunite ถูกใช้เป็นแร่

แร่บอกไซต์จำนวนมากตั้งอยู่ในเทือกเขาอูราลในเขต Tikhvin ของภูมิภาคเลนินกราดในดินแดนอัลไตและครัสโนยาสค์

เนฟีลีน (K ? Na2O ? Al2O3 ? 2SiO2) เป็นส่วนหนึ่งของหินอะพาไทต์เนฟิลีน (บนคาบสมุทรโคลา)

อะลูมิเนียมถูกแยกออกครั้งแรกในรูปแบบอิสระในปี พ.ศ. 2368 โดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก เออร์สเตด โดยทำปฏิกิริยาโพแทสเซียมอะมัลกัมกับอะลูมิเนียมคลอไรด์ ในปี พ.ศ. 2370 นักเคมีชาวเยอรมัน Wöhler ปรับปรุงวิธีของ Oersted โดยแทนที่โพแทสเซียมอะมัลกัมด้วยโพแทสเซียมที่เป็นโลหะ: AlCl3 + 3K > 3KCl + Al (ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยความร้อน)

ในปี ค.ศ. 1854 Saint-Clair Deville ในฝรั่งเศสได้ใช้วิธี Wöhler ในการผลิตอะลูมิเนียมทางอุตสาหกรรมเป็นครั้งแรก โดยใช้โซเดียมราคาถูกแทนโพแทสเซียม และใช้ดับเบิ้ลคลอไรด์ของอะลูมิเนียมและโซเดียมที่เสถียรกว่าแทนการใช้อะลูมิเนียมคลอไรด์ที่ดูดความชื้น ในปี ค.ศ. 1865 นักเคมีกายภาพชาวรัสเซีย N. N. Beketov แสดงให้เห็นความเป็นไปได้ที่จะแทนที่อะลูมิเนียมด้วยแมกนีเซียมจากไครโอไลท์ที่หลอมละลาย ปฏิกิริยานี้ใช้ในปี พ.ศ. 2431 เพื่อผลิตอะลูมิเนียมที่โรงงานแห่งแรกในเยอรมันในเมือง Gmelingen การผลิตอะลูมิเนียมโดยวิธีที่เรียกว่า "เคมี" เหล่านี้ดำเนินการตั้งแต่ปี พ.ศ. 2397 ถึง พ.ศ. 2433 ตลอดระยะเวลา 35 ปี มีการผลิตอะลูมิเนียมทั้งหมดประมาณ 20 ตันโดยใช้วิธีการเหล่านี้

ในช่วงปลายทศวรรษที่ 80 ของศตวรรษก่อนหน้านั้น วิธีการทางเคมีถูกแทนที่ด้วยวิธีอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งทำให้สามารถลดต้นทุนของอะลูมิเนียมได้อย่างมาก และสร้างเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมอะลูมิเนียม Héroux ผู้ก่อตั้งวิธีการผลิตอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าสมัยใหม่ Héroux ในฝรั่งเศสและ Hall ในสหรัฐอเมริกา ยื่นคำขอที่คล้ายกันโดยอิสระในปี พ.ศ. 2429 สำหรับการจดสิทธิบัตรวิธีการผลิตอะลูมิเนียมด้วยกระแสไฟฟ้าของอลูมินาที่ละลายในไครโอไลท์หลอมเหลว นับตั้งแต่การปรากฏตัวของสิทธิบัตรของ Heroux และ Hall อุตสาหกรรมอะลูมิเนียมยุคใหม่ก็เริ่มต้นขึ้น ซึ่งตลอดระยะเวลากว่า 115 ปีของการดำรงอยู่ได้เติบโตขึ้นจนกลายเป็นสาขาโลหะวิทยาที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่ง

กระบวนการทางเทคโนโลยีในการผลิตอะลูมิเนียมประกอบด้วยสามขั้นตอนหลัก:

1). การผลิตอลูมินา (Al2O3) จากแร่อะลูมิเนียม

2). การผลิตอะลูมิเนียมจากอลูมินา

3). การกลั่นอลูมิเนียม

การได้รับอลูมินาจากแร่

อลูมินาผลิตได้สามวิธี: อัลคาไลน์ กรด และอิเล็กโทรไลต์ วิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือวิธีอัลคาไลน์ (วิธีของ K.I. ไบเออร์พัฒนาขึ้นในรัสเซียเมื่อปลายศตวรรษก่อนหน้านั้นและใช้สำหรับการประมวลผลบอกไซต์คุณภาพสูงที่มีซิลิกาจำนวนเล็กน้อย (มากถึง 5-6%) ตั้งแต่นั้นมา การใช้งานด้านเทคนิคก็ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมาก แผนภาพการผลิตอลูมินาโดยใช้วิธีของไบเออร์แสดงไว้ในรูปที่ 1 1.

สาระสำคัญของวิธีการนี้คือสารละลายอะลูมิเนียมจะสลายตัวอย่างรวดเร็วเมื่อมีการนำอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์เข้าไปและสารละลายที่เหลือจากการสลายตัวหลังจากการระเหยภายใต้สภาวะการกวนอย่างเข้มข้นที่ 169-170 ° C สามารถละลายอลูมินาที่มีอยู่ในอะลูมิเนียมได้อีกครั้ง วิธีนี้ประกอบด้วยการดำเนินการพื้นฐานดังต่อไปนี้:

1). การเตรียมอะลูมิเนียมซึ่งประกอบด้วยการบดและบดในโรงสี อะลูมิเนียม, ด่างกัดกร่อนและมะนาวจำนวนเล็กน้อยถูกป้อนเข้าไปในโรงสีซึ่งช่วยปรับปรุงการแยก Al2O3 เยื่อกระดาษที่ได้จะถูกป้อนเพื่อการชะล้าง

2). การชะล้างแร่อะลูมิเนียม (เมื่อเร็ว ๆ นี้ บล็อกหม้อนึ่งความดันทรงกลมที่ยังคงใช้อยู่ได้ถูกแทนที่ด้วยหม้อนึ่งความดันแบบท่อบางส่วน ซึ่งการชะล้างเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 230-250 ° C (500-520 K) ซึ่งประกอบด้วยการสลายตัวทางเคมีจากปฏิกิริยากับ สารละลายอัลคาไลที่เป็นน้ำ เมื่อทำปฏิกิริยากับอัลคาไล อะลูมิเนียมออกไซด์ไฮเดรตจะเข้าสู่สารละลายในรูปของโซเดียมอะลูมิเนต:

AlOOH+NaOH → NaAlO2+H2O

อัล(OH)3+NaOH → NaAlO2+2H2O;

SiO2+2NaOH → Na2SiO3+H2O;

ในสารละลาย โซเดียมอะลูมิเนตและโซเดียมซิลิเกตทำให้เกิดโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตที่ไม่ละลายน้ำ ออกไซด์ของไทเทเนียมและเหล็กผ่านเข้าไปในสารตกค้างที่ไม่ละลายน้ำทำให้สารตกค้างมีสีแดง สารตกค้างนี้เรียกว่าโคลนแดง เมื่อการละลายเสร็จสิ้น โซเดียมอะลูมิเนตที่ได้จะถูกเจือจางด้วยสารละลายอัลคาไลที่เป็นน้ำในขณะเดียวกันก็ลดอุณหภูมิลง 100°C ในเวลาเดียวกัน

3). การแยกสารละลายอะลูมิเนตออกจากโคลนสีแดง มักดำเนินการโดยการล้างด้วยสารเพิ่มความข้นพิเศษ ผลที่ได้คือ โคลนสีแดงจะตกตะกอน และสารละลายอะลูมิเนตจะถูกระบายออกแล้วจึงกรอง (ทำให้กระจ่าง) ตัวอย่างเช่น มีการใช้ตะกอนในปริมาณที่จำกัด เป็นสารเติมแต่งให้กับซีเมนต์ อลูมิเนียมออกไซด์ที่ผลิตได้ 1 ตันขึ้นอยู่กับประเภทของแร่บอกไซต์ คิดเป็นโคลนแดง (กากแห้ง) 0.6-1.0 ตัน

4) การสลายตัวของสารละลายอะลูมิเนต มันถูกกรองและปั๊มลงในภาชนะขนาดใหญ่พร้อมเครื่องกวน (ตัวย่อยสลาย) อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ Al(OH)3 ถูกสกัดจากสารละลายอิ่มตัวยวดยิ่งเมื่อเย็นลงถึง 60°C (330 K) และกวนอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากกระบวนการนี้ดำเนินไปอย่างช้าๆ และไม่สม่ำเสมอ และการก่อตัวและการเติบโตของผลึกอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์มีความสำคัญอย่างยิ่งในระหว่างการประมวลผลขั้นต่อไป จึงมีการเพิ่มไฮดรอกไซด์ที่เป็นของแข็งจำนวนมากซึ่งเป็นเมล็ดพืชเข้าไปในตัวย่อยสลาย:

Na2O ּ Al2O3+4H2O → อัล(OH)3+2NaOH;

5). การแยกอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์และการจำแนกประเภท สิ่งนี้เกิดขึ้นในไฮโดรไซโคลนและตัวกรองสุญญากาศ โดยที่ตะกอนที่มีอนุภาคอัล (OH) 50-60% จะถูกแยกออกจากสารละลายอะลูมิเนต ส่วนสำคัญของไฮดรอกไซด์จะถูกส่งกลับไปยังกระบวนการสลายตัวในฐานะวัสดุเมล็ดซึ่งยังคงหมุนเวียนอยู่ในปริมาณที่ไม่เปลี่ยนแปลง สารตกค้างหลังจากล้างด้วยน้ำจะถูกเผา การกรองจะถูกส่งกลับไปสู่การไหลเวียน (หลังจากความเข้มข้นในเครื่องระเหย - เพื่อชะล้างแร่อะลูมิเนียมใหม่)

6). การคายน้ำของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ (การเผา); นี่เป็นขั้นตอนสุดท้ายในการผลิตอลูมินา ดำเนินการในเตาเผาแบบหมุนแบบท่อและเมื่อเร็ว ๆ นี้ในเตาเผาที่มีการเคลื่อนย้ายวัสดุอย่างปั่นป่วนที่อุณหภูมิ 1,150-1300 ° C; อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ดิบที่ผ่านเตาเผาแบบหมุนทำให้แห้งและขาดน้ำ เมื่อได้รับความร้อน การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างต่อไปนี้จะเกิดขึ้นตามลำดับ:

อัล(OH)3 → อัลลูห์ → γ-Al2O3 → α-Al2O3

อลูมินาที่ผ่านการเผาในที่สุดจะมี α-Al2O3 30-50% (คอรันดัม) ส่วนที่เหลือคือ γ-Al2O3

วิธีนี้จะสกัดอลูมินาที่ผลิตได้ทั้งหมด 85-87% อลูมิเนียมออกไซด์ที่ได้จะเป็นสารประกอบเคมีชนิดเข้มข้นที่มีจุดหลอมเหลว 2050 °C

การเตรียมอะลูมิเนียมจากออกไซด์

อิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียมออกไซด์

การลดอะลูมิเนียมออกไซด์ด้วยไฟฟ้าที่ละลายในการหลอมที่ใช้ไครโอไลท์จะดำเนินการที่อุณหภูมิ 950-970°C ในอิเล็กโทรไลเซอร์ อิเล็กโทรไลเซอร์ประกอบด้วยอ่างที่เรียงรายไปด้วยบล็อกคาร์บอน ซึ่งอยู่ด้านล่างของที่จ่ายกระแสไฟฟ้า อลูมิเนียมเหลวที่ปล่อยออกมาบนเตาซึ่งทำหน้าที่เป็นแคโทดนั้นหนักกว่าเกลือหลอมเหลวของอิเล็กโทรไลต์ดังนั้นจึงถูกรวบรวมบนฐานถ่านหินจากจุดที่ถูกสูบออกมาเป็นระยะ (รูปที่ 2) แอโนดคาร์บอนจะถูกจุ่มลงในอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ด้านบน ซึ่งจะเผาไหม้ในบรรยากาศของออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากอลูมิเนียมออกไซด์ และปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) หรือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ออกมา ในทางปฏิบัติ มีการใช้แอโนดสองประเภท:

ก) แอโนด Zederberg ที่เผาไหม้ตัวเองซึ่งประกอบด้วยก้อนอิฐที่เรียกว่า "ขนมปัง" ของมวล Zederberg (ถ่านหินเถ้าต่ำที่มีระดับน้ำมันดินถ่านหิน 25-35%) ยัดลงในเปลือกอลูมิเนียม ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงมวลแอโนดจะถูกเผา (เผา)

b) แอโนดแบบอบหรือ "ต่อเนื่อง" ที่ทำจากบล็อกคาร์บอนขนาดใหญ่ (เช่น 1900x600x500 มม. หนักประมาณ 1.1 ตัน)

ความแรงของกระแสในอิเล็กโทรไลเซอร์คือ 150,000 A ซึ่งเชื่อมต่อกับเครือข่ายแบบอนุกรมนั่นคือได้รับระบบ (ซีรีย์) - อิเล็กโทรไลเซอร์แถวยาว

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานบนอ่าง 4-5 V สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่อะลูมิเนียมออกไซด์สลายตัวอย่างมาก เนื่องจากการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าในส่วนต่างๆ ของระบบเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ระหว่างการทำงาน ความสมดุลของวัตถุดิบและพลังงานในการผลิตอลูมิเนียม 1 ตันแสดงไว้ในรูปที่ 1 3.

อิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียมคลอไรด์ (วิธีแอลโค)

ในถังปฏิกิริยา อะลูมิเนียมออกไซด์จะถูกแปลงเป็นอะลูมิเนียมคลอไรด์ก่อน จากนั้น ในอ่างที่มีฉนวนอย่างแน่นหนา จะเกิดอิเล็กโทรไลซิสของ AlCl3 ที่ละลายในเกลือหลอมเหลวที่มี KCl และ NaCl เกิดขึ้น คลอรีนที่ปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการนี้จะถูกดูดออกและนำไปรีไซเคิล อลูมิเนียมจะเกาะอยู่บนแคโทด

ข้อดีของวิธีการนี้เหนืออิเล็กโทรลิซิสที่มีอยู่ของการหลอมไครโอไลท์-อลูมินาเหลว (Al2O3, Na3AlF6 ละลายในไครโอไลท์) คือ: ประหยัดพลังงานได้มากถึง 30%; ความเป็นไปได้ของการใช้อะลูมิเนียมออกไซด์ซึ่งไม่เหมาะสำหรับอิเล็กโทรไลซิสแบบเดิม (เช่น Al2O3 ที่มีปริมาณซิลิคอนสูง) แทนที่ไครโอไลท์ราคาแพงด้วยเกลือราคาถูก หายจากอันตรายจากการปล่อยฟลูออไรด์

การลดอะลูมิเนียมคลอไรด์ด้วยแมงกานีส (วิธี Toth)

เมื่อรีดิวซ์ด้วยแมงกานีส อลูมิเนียมจะถูกปล่อยออกมาจากอะลูมิเนียมคลอไรด์ สารปนเปื้อนที่เกี่ยวข้องกับคลอรีนจะถูกปล่อยออกจากกระแสแมงกานีสคลอไรด์ผ่านการควบคุมการควบแน่น เมื่อคลอรีนถูกปล่อยออกมา แมงกานีสคลอไรด์จะถูกออกซิไดซ์เป็นแมงกานีสออกไซด์ จากนั้นจึงรีดิวซ์เป็นแมงกานีส เหมาะสำหรับการใช้งานขั้นที่สอง ข้อมูลในสิ่งพิมพ์ที่มีอยู่ไม่ถูกต้องมาก ดังนั้นในกรณีนี้จำเป็นต้องละทิ้งการประเมินวิธีการดังกล่าว

การได้รับอลูมิเนียมบริสุทธิ์

สำหรับอะลูมิเนียม การกลั่นอิเล็กโทรไลซิสด้วยการสลายตัวของสารละลายเกลือในน้ำนั้นเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากเพื่อวัตถุประสงค์บางประการระดับการทำให้บริสุทธิ์ของอลูมิเนียมอุตสาหกรรม (Al 99.5 - Al 99.8) ที่ได้จากอิเล็กโทรไลซิสของการหลอมด้วยไครโอไลท์ - อลูมินานั้นไม่เพียงพอแม้แต่อลูมิเนียมที่บริสุทธิ์กว่า (Al 99, 99 R) ก็ได้จากอลูมิเนียมอุตสาหกรรมหรือเศษโลหะด้วย การกลั่น วิธีการกลั่นที่รู้จักกันดีที่สุดคือการอิเล็กโทรไลซิสแบบสามชั้น

กลั่นด้วยกระแสไฟฟ้าสามชั้น

อ่างกลั่นหุ้มด้วยแผ่นเหล็กซึ่งทำงานด้วยกระแสตรง (แสดงในรูปที่ 4) ประกอบด้วยเตาถ่านหินที่มีสายไฟในปัจจุบันและบุด้วยแมกนีไซต์ที่หุ้มฉนวนความร้อน ตรงกันข้ามกับการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของการหลอมไครโอไลท์-อลูมินา ตามกฎแล้วขั้วบวกคือโลหะหลอมเหลวที่ได้รับการขัดเกลา (ชั้นขั้วบวกด้านล่าง) อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยฟลูออไรด์บริสุทธิ์หรือส่วนผสมของแบเรียมคลอไรด์กับอะลูมิเนียมและโซเดียมฟลูออไรด์ (ชั้นกลาง) อะลูมิเนียมที่ละลายจากชั้นแอโนดในอิเล็กโทรไลต์ ถูกปล่อยออกมาเหนืออิเล็กโทรไลต์ (ชั้นแคโทดด้านบน) โลหะบริสุทธิ์ทำหน้าที่เป็นแคโทด กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังชั้นแคโทดโดยอิเล็กโทรดกราไฟท์

อ่างทำงานที่อุณหภูมิ 750-800°C ปริมาณการใช้ไฟฟ้าอยู่ที่ 20 kW ּ ชม. ต่ออะลูมิเนียมบริสุทธิ์ 1 กิโลกรัม ซึ่งสูงกว่าอะลูมิเนียมอิเล็กโทรลิซิสทั่วไปเล็กน้อย

โลหะแอโนดมี Cu 25-35%; สังกะสี 7-12%; 6-9% ศรี; Fe มากถึง 5% และแมงกานีส นิกเกิล ตะกั่วและดีบุกจำนวนเล็กน้อย ส่วนที่เหลือ (40-55%) เป็นอลูมิเนียม โลหะหนักและซิลิคอนทั้งหมดจะยังคงอยู่ในชั้นแอโนดระหว่างการกลั่น การมีแมกนีเซียมในอิเล็กโทรไลต์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่พึงประสงค์ในองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์หรือเกิดตะกรันอย่างรุนแรง ในการกำจัดแมกนีเซียม ตะกรันที่มีแมกนีเซียมจะถูกบำบัดด้วยฟลักซ์หรือก๊าซคลอรีน

จากการกลั่น ทำให้ได้อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ (99.99%) และผลิตภัณฑ์แยก (ผลิตภัณฑ์ Ziger) ซึ่งประกอบด้วยโลหะหนักและซิลิคอน และถูกปล่อยออกมาในรูปของสารละลายอัลคาไลน์และกากผลึก สารละลายอัลคาไลน์ถือเป็นของเสีย และกากของแข็งจะถูกใช้สำหรับการดีออกซิเดชัน

อลูมิเนียมบริสุทธิ์มักจะมีองค์ประกอบดังต่อไปนี้%: Fe 0.0005-0.002; ศรี 0.002-0.005; ลูกบาศ์ก 0.0005-0.002; สังกะสี 0.0005-0.002; ร่องรอยมก.; อัลส่วนที่เหลือ

การกลั่นด้วยสารประกอบออร์กาโนอลูมิเนียมและการถลุงโซน

อลูมิเนียมที่มีระดับความบริสุทธิ์สูงกว่าเกรด A1 99.99 R สามารถรับได้โดยการกลั่นด้วยไฟฟ้าของอลูมิเนียมบริสุทธิ์หรือบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์โดยใช้สารประกอบออร์กาโนอลูมิเนียมเชิงซ้อนของอลูมิเนียมเป็นอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลซิสเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 1,000°C ระหว่างอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมที่เป็นของแข็ง และมีหลักการคล้ายกับการกลั่นอิเล็กโทรไลซิสของทองแดง ลักษณะของอิเล็กโทรไลต์เป็นตัวกำหนดความจำเป็นในการทำงานโดยไม่มีอากาศเข้าถึงและมีความหนาแน่นกระแสต่ำ

อิเล็กโทรไลซิสเพื่อการกลั่นชนิดนี้ ซึ่งเริ่มแรกใช้เฉพาะในระดับห้องปฏิบัติการเท่านั้น และได้ดำเนินการแล้วในระดับอุตสาหกรรมขนาดเล็ก โดยมีการผลิตโลหะหลายตันต่อปี ระดับการทำให้บริสุทธิ์เล็กน้อยของโลหะที่ได้คือ 99.999-99.9999% การใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับโลหะที่มีความบริสุทธิ์นี้ ได้แก่ วิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์แบบแช่แข็ง

สามารถใช้วิธีการกลั่นที่ได้รับการพิจารณาในการชุบด้วยไฟฟ้าได้

ความบริสุทธิ์ที่สูงกว่า - ในนามสูงถึง A1 99.99999 - สามารถรับได้จากการหลอมโลหะในโซนที่ตามมา เมื่อแปรรูปอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงให้เป็นผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป แผ่นหรือลวด จำเป็นต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษ เนื่องจากอุณหภูมิในการตกผลึกใหม่ของโลหะต่ำ คุณสมบัติที่โดดเด่นของโลหะที่ผ่านการกลั่นแล้วคือค่าการนำไฟฟ้าสูงในช่วงอุณหภูมิแช่แข็ง

การรีไซเคิลวัตถุดิบทุติยภูมิและของเสียจากการผลิตนั้นให้ผลกำไรเชิงเศรษฐกิจ โลหะผสมทุติยภูมิที่ได้นั้นสามารถตอบสนองความต้องการอลูมิเนียมได้ประมาณ 25%

พื้นที่ที่สำคัญที่สุดในการใช้งานโลหะผสมทุติยภูมิคือการผลิตการหล่อรูปทรงอลูมิเนียม ใน DIN 1725 แผ่นที่ 2 พร้อมด้วยเกรดโลหะผสมมาตรฐาน มีการระบุเกรดโลหะผสมจำนวนมากที่ผลิตโดยโรงหล่อไว้ด้วย รายชื่อโลหะผสมที่ผลิตโดยโรงงานเหล่านี้ประกอบด้วยโลหะผสมที่ไม่ได้มาตรฐานบางชนิดนอกเหนือจากโลหะผสมมาตรฐาน

การเตรียมเศษอะลูมิเนียมอย่างไร้ที่ติในสัดส่วนที่หลากหลายสามารถทำได้ในโรงถลุงที่มีอุปกรณ์พิเศษเท่านั้น แนวคิดเกี่ยวกับกระบวนการทำงานที่ซับซ้อนในโรงงานดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ 1 5.

ของเสียจะถูกละลายหลังจากการคัดแยกเบื้องต้นอย่างคร่าวๆ เหล็ก, นิกเกิลหรือทองแดงที่มีอยู่ในของเสียนี้ซึ่งมีจุดหลอมเหลวซึ่งสูงกว่าจุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมเมื่อละลายในเตาหลอมจะยังคงอยู่ในนั้นและอลูมิเนียมจะถูกหลอม ในการกำจัดสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ เช่น ออกไซด์ ไนไตรด์ คาร์ไบด์ หรือก๊าซ ออกจากของเสีย โลหะหลอมเหลวจะถูกบำบัดด้วยเกลือหรือเป่าด้วยก๊าซ - คลอรีนหรือไนโตรเจน (อย่างสมเหตุสมผล)

ทราบวิธีการต่างๆ ในการกำจัดสิ่งเจือปนของโลหะออกจากโลหะหลอม เช่น วิธีเติมแมกนีเซียมและการดูดฝุ่น - วิธี Becksche การเติมสังกะสีหรือปรอทตามด้วยการอพยพ - วิธีซับฮาโลเจน การกำจัดแมกนีเซียมถูกจำกัดโดยการนำคลอรีนเข้าไปในโลหะหลอมเหลว ด้วยการแนะนำสารเติมแต่งที่กำหนดอย่างแม่นยำโดยองค์ประกอบของการหลอมละลาย จะได้โลหะผสมหล่อที่กำหนด

การผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ทางเทคนิค

วิธีการอิเล็กโทรไลต์เป็นวิธีเดียวที่ใช้กันทั่วโลกสำหรับการผลิตโลหะอลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ทางเทคนิค วิธีการอื่นๆ ทั้งหมด (ซิงค์ความร้อน คาร์บิโดเทอร์มอล ซับคลอไรด์ ไนไตรด์ ฯลฯ) ซึ่งสามารถสกัดอะลูมิเนียมจากแร่อะลูมิเนียมได้ได้รับการพัฒนาในห้องปฏิบัติการและระดับอุตสาหกรรมนำร่อง แต่ยังไม่พบการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ

ในการผลิตโลหะผสมอลูมิเนียมซิลิกอนนั้นใช้วิธีการความร้อนด้วยไฟฟ้าซึ่งพัฒนาและนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรมในสหภาพโซเวียตเป็นครั้งแรกซึ่งประสบความสำเร็จ ประกอบด้วยสองขั้นตอน: ในระยะแรกโลหะผสมอลูมิเนียม - ซิลิคอนหลักที่มี 60-63% Al ได้มาจากการลดแร่อลูมิเนียม - ซิลิคอนโดยตรงในเตาไฟฟ้าแร่ความร้อน ในขั้นตอนที่สอง โลหะผสมปฐมภูมิจะถูกเจือจางด้วยอะลูมิเนียมเชิงเทคนิค ทำให้เกิดไซลูมินและโลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอนหล่อและขึ้นรูปอื่นๆ การวิจัยอยู่ระหว่างดำเนินการเพื่อสกัดอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ทางเทคนิคจากโลหะผสมปฐมภูมิ

โดยทั่วไป การผลิตอะลูมิเนียมโดยวิธีอิเล็กโตรไลติก ได้แก่ การผลิตอลูมินา (อะลูมิเนียมออกไซด์) จากแร่อะลูมิเนียม การผลิตเกลือฟลูออไรด์ (ไครโอไลท์ อะลูมิเนียมฟลูออไรด์ และโซเดียมฟลูออไรด์) การผลิตมวลแอโนดคาร์บอน แอโนดคาร์บอนที่ถูกเผา และ บล็อกแคโทดและวัสดุซับในอื่นๆ รวมถึงการผลิตอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าซึ่งเป็นขั้นตอนสุดท้ายของโลหะวิทยาอะลูมิเนียมสมัยใหม่

ลักษณะเฉพาะสำหรับการผลิตอลูมินาเกลือฟลูออไรด์และผลิตภัณฑ์คาร์บอนเป็นข้อกำหนดสำหรับระดับความบริสุทธิ์สูงสุดของวัสดุเหล่านี้เนื่องจากการหลอมของไครโอไลท์ - อลูมินาภายใต้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสไม่ควรมีสิ่งเจือปนขององค์ประกอบทางไฟฟ้ามากกว่าอลูมิเนียมซึ่งปล่อยออกมาที่แคโทดใน อันดับแรกจะก่อให้เกิดมลพิษต่อโลหะ

ในเกรดอลูมินา G-00, G-0 และ G-1 ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการอิเล็กโทรไลซิส ปริมาณ SiO2 คือ 0.02-0.05% และ Fe2O3 - 0.03-0.05% ไครโอไลท์ประกอบด้วย SiO2 โดยเฉลี่ย 0.36-0.38% และ Fe2O3 0.05-0.06% อลูมิเนียมฟลูออไรด์ประกอบด้วย 0.30-0.35% (SiO2 + Fe2O3) มวลแอโนดประกอบด้วย SiO2 ไม่เกิน 0.25% และ Fe2O3 0.20%

แร่อลูมิเนียมที่สำคัญที่สุดในการสกัดอลูมินาคือแร่บอกไซต์ ในอะลูมิเนียมมีอะลูมิเนียมอยู่ในรูปของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ ในสหภาพโซเวียต นอกเหนือจากแร่อะลูมิเนียมแล้ว หินเนฟีลีนยังใช้ในการผลิตอลูมินา - โซเดียมและโพแทสเซียมอะลูมิโนซิลิเกต เช่นเดียวกับหินอลูไนต์ซึ่งพบอลูมิเนียมในรูปของซัลเฟต วัตถุดิบสำหรับการผลิตมวลแอโนดและบล็อกแอโนดแบบอบคือวัสดุคาร์บอนบริสุทธิ์ - ปิโตรเลียมหรือพิตช์โค้กและพิตช์น้ำมันถ่านหินเป็นสารยึดเกาะ และสำหรับการผลิตไครโอไลท์และเกลือฟลูออไรด์อื่นๆ - แคลเซียมฟลูออไรด์ (ฟลูออร์สปาร์)

ในระหว่างการผลิตอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้า อลูมินา Al2O3 ซึ่งละลายในไครโอไลท์ Na3AlF6 ที่หลอมละลาย จะสลายตัวทางเคมีไฟฟ้าด้วยการปล่อยอะลูมิเนียมไอออนบวกที่แคโทด (อะลูมิเนียมเหลว) และไอออนที่มีออกซิเจน (ไอออนออกซิเจน) ที่ขั้วบวกคาร์บอน

ตามแนวคิดสมัยใหม่ ไครโอไลท์ในสถานะหลอมเหลวจะแยกตัวออกเป็นไอออน และ: และอลูมินาเป็นไอออนเชิงซ้อน และ: ซึ่งอยู่ในสมดุลด้วยไอออนอย่างง่าย: , .

กระบวนการหลักที่เกิดขึ้นที่แคโทดคือการลดไอออนของอะลูมิเนียมไตรวาเลนต์: Al3+ + 3e → Al (I)

นอกเหนือจากกระบวนการหลักแล้ว การปล่อยไอออนอะลูมิเนียมไตรวาเลนต์ที่ไม่สมบูรณ์ยังเกิดขึ้นได้ด้วยการก่อตัวของไอออนโมโนวาเลนต์: Al3+ + 2e → Al+ (II) และสุดท้าย การปล่อยไอออนโมโนวาเลนต์ด้วยการปล่อยโลหะ: Al+ + e → Al (สาม).

ภายใต้เงื่อนไขบางประการ (ความเข้มข้นของ Na+ ไอออนที่ค่อนข้างสูง อุณหภูมิสูง ฯลฯ) การปล่อยโซเดียมไอออนสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีการปล่อยโลหะ: Na+ + e → Na (IV) ปฏิกิริยา (II) และ (IV) ทำให้กระแสเอาต์พุตของอะลูมิเนียมลดลง

การปล่อยไอออนออกซิเจนเกิดขึ้นที่ขั้วบวกของคาร์บอน: 2O2– – 4e → O2 อย่างไรก็ตาม ออกซิเจนจะไม่ถูกปล่อยออกมาในรูปแบบอิสระ เนื่องจากมันจะออกซิไดซ์คาร์บอนของขั้วบวกจนกลายเป็นส่วนผสมของ CO2 และ CO

ปฏิกิริยาโดยรวมที่เกิดขึ้นในอิเล็กโตรไลเซอร์สามารถแสดงได้ด้วยสมการ Al2O3 + xC ↔ 2Al + (2x–3)CO + (3–x)CO2

องค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ของอิเล็กโทรไลเซอร์อลูมิเนียมอุตสาหกรรมนอกเหนือจากส่วนประกอบหลัก - ไครโอไลท์, อลูมิเนียมฟลูออไรด์และอลูมินาแล้วยังรวมถึงเกลืออื่น ๆ จำนวนเล็กน้อย (มากถึง 8-9%) - CaF2, MgF2, NaCl และ LiF (สารเติมแต่ง) ซึ่งช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพบางอย่างของอิเล็กโทรไลต์และด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลเซอร์ ปริมาณอลูมินาสูงสุดในอิเล็กโทรไลต์มักจะอยู่ที่ 6-8% ซึ่งจะลดลงในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส เมื่ออิเล็กโทรไลต์หมดอลูมินา จะมีการนำอลูมินาอีกส่วนหนึ่งเข้าไป สำหรับการทำงานปกติของอิเล็กโทรไลเซอร์อะลูมิเนียม อัตราส่วน NaF:AlF3 ในอิเล็กโทรไลต์จะคงอยู่ภายในช่วง 2.7-2.8 โดยการเติมไครโอไลท์และอะลูมิเนียมฟลูออไรด์บางส่วน

ในการผลิตอะลูมิเนียม จะใช้อิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีคาร์บอนแอโนดอบเองและจ่ายกระแสไฟด้านข้างหรือด้านบน เช่นเดียวกับอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีคาร์บอนแอโนดอบล่วงหน้า การออกแบบอิเล็กโตรไลเซอร์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดพร้อมขั้วบวกแบบอบ ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มกำลังหน่วยของยูนิตได้ ลดการใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเฉพาะสำหรับอิเล็กโทรลิซิส รับโลหะที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้น ปรับปรุงสภาพการทำงานที่ถูกสุขลักษณะและถูกสุขลักษณะ และลดการปล่อยสารที่เป็นอันตราย สู่ชั้นบรรยากาศ อลูมิเนียมปฐมภูมิที่สกัดจากอิเล็กโทรไลเซอร์ (อะลูมิเนียมดิบ) มีสิ่งสกปรกจำนวนหนึ่ง ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม: อโลหะ (เกลือฟลูออไรด์, α- และ γ-อลูมินา, อลูมิเนียมคาร์ไบด์และไนไตรด์, อนุภาคคาร์บอนที่กักตัวด้วยกลไกเมื่อเทโลหะจาก อิเล็กโทรไลเซอร์ ); โลหะ (เหล็ก ซิลิคอน) ที่มาจากวัตถุดิบ วัสดุถ่านหิน และองค์ประกอบโครงสร้างของอิเล็กโทรไลเซอร์ ก๊าซ - ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ซึ่งเกิดขึ้นในโลหะอันเป็นผลมาจากการสลายตัวด้วยไฟฟ้าของน้ำที่เข้าสู่อิเล็กโทรไลต์ด้วยวัตถุดิบ

ในบรรดาโลหะเจือปน นอกเหนือจากเหล็กและซิลิคอนแล้ว ยังมีแกลเลียม สังกะสี ไทเทเนียม แมงกานีส โซเดียม วาเนเดียม โครเมียม และทองแดงในปริมาณมากที่สุดอีกด้วย

แหล่งที่มาหลักของโลหะปนเปื้อนขนาดเล็กในอะลูมิเนียมคืออลูมินา ซึ่งอาจมีแกลเลียม สังกะสี โพแทสเซียม ฟอสฟอรัส ซัลเฟอร์ วาเนเดียม ไทเทเนียม และโครเมียม ขึ้นอยู่กับประเภทของวัตถุดิบ วัสดุคาร์บอน (มวลแอโนด แอโนดอบ ผลิตภัณฑ์แคโทด) ทำหน้าที่เป็นแหล่งของสิ่งเจือปนขนาดเล็ก เช่น วาเนเดียม ไทเทเนียม แมงกานีส สังกะสี

ด้วยกระแสไฟฟ้าของการหลอมไครโอไลท์-อลูมินา โดยมีเงื่อนไขว่าต้องใช้วัสดุตั้งต้นบริสุทธิ์ (โดยหลักแล้วคือวัสดุอลูมินาและคาร์บอน) จึงเป็นไปได้ที่จะได้อะลูมิเนียมดิบเกรด A85 และ A8 (99.85 และ 99.80%) โลหะส่วนใหญ่ในเกรดเหล่านี้ (60-70% ของผลผลิตทั้งหมด) ผลิตในอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีขั้วบวกแบบอบ เช่นเดียวกับในอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีกระแสไฟด้านข้าง (มากถึง 70% ของการผลิตทั้งหมด) ในอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีขั้วบวกแบบอบตัวเองและมีกระแสไฟบน เอาต์พุตของอะลูมิเนียมดิบเกรด A8 จะต่ำ (1-3%) และไม่สามารถรับเกรดโลหะ A85 ได้เนื่องจากมีเหล็กเจือปนจำนวนมากเข้าสู่อะลูมิเนียมจากแหล่งที่ไม่ใช่วัตถุดิบ (หมุดแอโนด, ส่วนเหล็กหล่อของตัวสะสมก๊าซ, เครื่องมือทางเทคโนโลยี, หน่วยแคโทด)

อะลูมิเนียมปฐมภูมิหลอมเหลวซึ่งสกัดจากเครื่องอิเล็กโตรไลเซอร์โดยใช้กระบวยสุญญากาศ เข้าสู่แผนกโรงหล่อเพื่อทำการกลั่นเพื่อกำจัดสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะและก๊าซ และนำไปแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ (หมู แท่งทรงกระบอกและแท่งแบน เหล็กลวด ฯลฯ) ก่อนการหล่อ อลูมิเนียมดิบจะถูกเก็บไว้ในสถานะหลอมเหลวในเตาต้านทานไฟฟ้า (เครื่องผสม) หรือในเตาก๊าซสะท้อนกลับ ในเตาเผาเหล่านี้ พวกเขาไม่เพียงแต่ผสมส่วนของอลูมิเนียมเหลวที่มีองค์ประกอบต่างๆ อย่างมีเหตุผล แต่ยังทำความสะอาดบางส่วนจากการรวมตัวที่ไม่ใช่โลหะ ฟิล์มออกไซด์ และโซเดียมอีกด้วย

อลูมิเนียมถูกหล่อจากเครื่องผสมให้เป็นแท่งโลหะโดยใช้เครื่องหล่อแบบสายพานลำเลียง แท่งทรงกระบอกและแท่งแบนผลิตโดยการหล่อแบบกึ่งต่อเนื่อง และใช้หน่วยพิเศษของการหล่อและการรีดแบบรวมเพื่อผลิตเหล็กลวด

ที่โรงถลุงอะลูมิเนียมในประเทศ เมื่อทำการหล่อหลอม อลูมิเนียมที่มาจากเครื่องผสมลงในเครื่องตกผลึกของเครื่องหล่อจะต้องผ่านกระบวนการกลั่นที่ง่ายที่สุด โดยกรองการหลอมผ่านตาข่ายไฟเบอร์กลาสที่มีเซลล์ขนาดตั้งแต่ 0.6 × 0.6 ถึง 1.7 × 1.7 มม. วิธีนี้ช่วยให้คุณทำความสะอาดอะลูมิเนียมได้เฉพาะเมื่อมีออกไซด์ที่หยาบมากเท่านั้น วิธีการขั้นสูงกว่านั้นคือการกรองของเหลวที่หลอมละลายผ่านตาข่ายไฟเบอร์กลาสในการไหลขึ้น ด้วยวิธีการกรองนี้ อนุภาคของออกไซด์ที่รวมอยู่ซึ่งชนกับตาข่ายจะไม่ถูกดักจับโดยการไหลของของเหลว แต่จะถูกสะสมไว้ที่ด้านล่างของร่องหล่อ

หากต้องการทำให้อะลูมิเนียมบริสุทธิ์จากทั้งสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะและไฮโดรเจนไปพร้อมๆ กัน จึงใช้วิธีการกรองผ่านตัวกรองฟลักซ์ร่วมกับการไล่ไนโตรเจนได้สำเร็จ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรดของอิเล็กโทรไลเซอร์อะลูมิเนียมสามารถใช้เป็นฟลักซ์ได้ ผลจากการทำให้บริสุทธิ์นี้ ปริมาณไฮโดรเจนในอะลูมิเนียมลดลงจาก 0.22 เป็น 0.16 cm3 ต่อโลหะ 100 กรัม

ในอะลูมิเนียมปฐมภูมิที่ใช้ในการผลิตโลหะผสมของระบบ Al-Mg ปริมาณโซเดียมไม่ควรเกิน 0.001% นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าการมีโซเดียมในโลหะผสมเหล่านี้ทำให้คุณสมบัติทางกลและประสิทธิภาพอื่น ๆ ของผลิตภัณฑ์ที่ใช้ในหลายภาคส่วนของเศรษฐกิจของประเทศแย่ลง

วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการกลั่นอะลูมิเนียมจากโซเดียม ไฮโดรเจน และสิ่งสกปรกที่ไม่ใช่โลหะไปพร้อมๆ กันคือการเป่าโลหะหลอมเหลวที่มีส่วนผสมของก๊าซไนโตรเจนและคลอรีน 2-10% เข้าสู่การหลอมในรูปของฟองขนาดเล็กโดยใช้อุปกรณ์พิเศษ . วิธีการกลั่นนี้ทำให้สามารถลดปริมาณโซเดียมในอะลูมิเนียมลงเหลือ 0.0003-0.001% โดยใช้ส่วนผสมก๊าซ 0.8 ถึง 1.5 ลบ.ม./ตันของโลหะ

ปริมาณการใช้ไฟฟ้าสำหรับการผลิตอลูมิเนียมเชิงพาณิชย์ 1 ตันจากโลหะดิบโดยใช้เตาไฟฟ้าคือ 150-200 กิโลวัตต์ ּ ชม. การสูญเสียโลหะที่แก้ไขไม่ได้ในขั้นตอนการหล่อจะเท่ากับ 1.5-5% ขึ้นอยู่กับประเภทของผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์

ผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง

เพื่อให้ได้อะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (เกรด A995-A95) อลูมิเนียมปฐมภูมิที่มีความบริสุทธิ์ทางเทคนิคจะต้องผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้า ทำให้สามารถลดปริมาณโลหะและก๊าซเจือปนในอลูมิเนียมได้ และส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้า ความเหนียว การสะท้อนแสง และความต้านทานการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นอย่างมาก

การกลั่นอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าจะดำเนินการโดยอิเล็กโทรไลซิสของเกลือหลอมเหลวโดยใช้วิธีสามชั้น สาระสำคัญของวิธีการมีดังนี้ อิเล็กโทรไลเซอร์สำหรับการกลั่นมีชั้นหลอมเหลวสามชั้น ส่วนล่างที่หนักที่สุดจะอยู่ที่ด้านล่างที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและทำหน้าที่เป็นขั้วบวก เรียกว่าโลหะผสมแอโนดและเป็นโลหะผสมของอลูมิเนียมกลั่นกับทองแดง ซึ่งเพิ่มเข้าไปเพื่อทำให้ชั้นมีน้ำหนักมากขึ้น ชั้นกลางคืออิเล็กโทรไลต์หลอมเหลว ความหนาแน่นของมันน้อยกว่าความหนาแน่นของโลหะผสมแอโนดและสูงกว่าความหนาแน่นของอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นบริสุทธิ์ (แคโทด) ซึ่งอยู่เหนืออิเล็กโทรไลต์ (ชั้นของเหลวชั้นบนและชั้นที่สาม)

ในระหว่างการละลายขั้วบวก สิ่งเจือปนทั้งหมดที่มีอิเล็กโตรบวกมากกว่าอะลูมิเนียม (Fe, Si, Ti, Cu ฯลฯ) จะยังคงอยู่ในอัลลอยด์ขั้วบวกโดยไม่ผ่านเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ มีเพียงอะลูมิเนียมเท่านั้นที่จะละลายในขั้วบวก ซึ่งไอออนจะอยู่ในรูปของ Al3+ จะเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์: Al – 3e → Al3+

ในระหว่างอิเล็กโทรไลซิส ไอออนของอะลูมิเนียมจะถูกถ่ายโอนไปยังแคโทด ซึ่งจะถูกปล่อยออกมา: Al3+ + 3e → Al เป็นผลให้ชั้นของอะลูมิเนียมกลั่นหลอมเหลวสะสมอยู่บนแคโทด

หากโลหะผสมแอโนดมีสิ่งเจือปนที่มีอิเลคโตรเนกาติวิตีมากกว่าอะลูมิเนียม (เช่น Ba, Na, Mg, Ca) พวกมันก็สามารถละลายทางเคมีไฟฟ้าที่ขั้วบวกพร้อมกับอะลูมิเนียมและส่งผ่านเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ในรูปของไอออน เนื่องจากปริมาณสิ่งเจือปนทางอิเล็กโทรเนกาติวิตีในอะลูมิเนียมดิบมีน้อย จึงไม่สะสมอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ในปริมาณที่เห็นได้ชัดเจน ในทางปฏิบัติแล้วไม่มีการคายประจุไอออนเหล่านี้ที่แคโทด เนื่องจากศักย์ไฟฟ้าของพวกมันมีประจุไฟฟ้ามากกว่าอะลูมิเนียม

อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในการกลั่นอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าในสหภาพโซเวียตและในประเทศส่วนใหญ่คืออิเล็กโทรไลต์ฟลูออไรด์ - คลอไรด์ซึ่งมีองค์ประกอบคือ 55-60% BaCl2, 35-40% AlF4 + NaF และ 0-4% NaCl อัตราส่วนฟันกรามของ NaF: AlF3 คงไว้ที่ 1.5-2.0; อุณหภูมิหลอมละลายของอิเล็กโทรไลต์ 720-730°C; อุณหภูมิของกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสอยู่ที่ประมาณ 800°C; ความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์ 2.7 g/cm3

โลหะผสมแอโนดเตรียมจากอลูมิเนียมปฐมภูมิและทองแดงบริสุทธิ์ (99.90-99.95% Cu) ซึ่งใส่เข้าไปในโลหะในปริมาณ 30-40% ความหนาแน่นของโลหะผสมแอโนดเหลวขององค์ประกอบนี้คือ 3-3.5 g/cm3; ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมแคโทดหลอมเหลวบริสุทธิ์คือ 2.3 g/cm3 ด้วยอัตราส่วนความหนาแน่นนี้ เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการแยกชั้นหลอมเหลวทั้งสามชั้นที่ดีจึงถูกสร้างขึ้น

ในระบบควอเทอร์นารี Al-Cu-Fe-Si ซึ่งรวมถึงโลหะผสมแอโนด ยูเทคติกจะเกิดขึ้นโดยมีจุดหลอมเหลวที่ 520°C ด้วยการทำให้โลหะผสมขั้วบวกที่ประกอบด้วยเหล็กและซิลิกอนเจือปนในปริมาณที่สูงกว่าความเข้มข้นของยูเทคติก ทำให้สามารถแยกเหล็กและซิลิคอนออกเป็นเฟสของแข็งในรูปของสารประกอบระหว่างโลหะ FeSiAl5 และ Cu2FeAl7 ได้ เนื่องจากอุณหภูมิของโลหะผสมแอโนดในช่องของอิเล็กโตรไลเซอร์อยู่ที่ 30-40°C ต่ำกว่าอุณหภูมิของโลหะผสมแอโนดในพื้นที่ทำงานของอ่าง การสะสมตัวของโลหะระหว่างโลหะจะถูกปล่อยออกมา (เนื่องจากเหล็กและซิลิคอนสะสมอยู่ใน โลหะผสมแอโนด) ด้วยการเอาคราบเหล่านี้ออกเป็นระยะๆ โลหะผสมแอโนดจะถูกทำความสะอาด (โดยไม่ต้องอัพเดต) จากสิ่งสกปรกของเหล็กและซิลิคอน เนื่องจากแกลเลียมมีความเข้มข้นในโลหะผสมแอโนด ตะกอนที่สกัดจากอิเล็กโทรไลเซอร์ (30-40 กิโลกรัมต่ออะลูมิเนียม 1 ตัน) จึงสามารถใช้เป็นแหล่งที่มาของโลหะนี้ได้

สำหรับการกลั่นด้วยไฟฟ้านั้น จะใช้อิเล็กโทรไลเซอร์ ซึ่งในการออกแบบจะมีลักษณะคล้ายกับอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีแอโนดแบบอบสำหรับการผลิตอะลูมิเนียมปฐมภูมิด้วยไฟฟ้า แต่มีการเชื่อมต่อขั้วที่แตกต่างกัน: เตาทำหน้าที่เป็นแอโนดและอิเล็กโทรดแถวบนทำหน้าที่เป็นแคโทด อิเล็กโทรไลเซอร์สมัยใหม่สำหรับการกลั่นอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าได้รับการออกแบบสำหรับความแรงของกระแสไฟฟ้าสูงถึง 75 kA

ประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้าเคมีซึ่งคำนวณจากโลหะที่เทจากอิเล็กโทรไลเซอร์คือ 97-98% ประสิทธิภาพปัจจุบันที่แท้จริงซึ่งคำนวณตามปริมาณโลหะเชิงพาณิชย์คือ 92-96%

ปัจจัยหลักที่ลดประสิทธิภาพในปัจจุบัน นอกเหนือจากการสูญเสียกระแสตรงอันเนื่องมาจากการปล่อยไอออนอิเลคโตรเนกาติตีมากขึ้น การสูญเสียโลหะอันเนื่องมาจากการเกิดออกซิเดชันและการสูญเสียทางกลของอลูมิเนียมคือการทำงานของอิเล็กโทรไลเซอร์ด้วยการปล่อยโลหะคุณภาพต่ำ ซึ่งจะถูกส่งกลับไปยังโลหะผสมแอโนดเพื่อการกลั่นในภายหลัง ระยะเวลาการทำงานของอิเล็กโตรไลเซอร์เหล่านี้เกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้นอิเล็กโทรไลเซอร์และการละเมิดระบอบเทคโนโลยี

การกลั่นอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมาก ปริมาณการใช้ไฟฟ้าในไฟฟ้ากระแสสลับรวมถึงพลังงานที่ใช้ในการเตรียมอิเล็กโทรไลต์และโลหะผสมแอโนดการทำงานของอุปกรณ์ระบายอากาศและยานพาหนะตลอดจนการสูญเสียในการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรงคือ 18.5-21.0 พันกิโลวัตต์ ּ ชั่วโมง ต่อ 1 ตันอลูมิเนียม ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของอิเล็กโทรไลเซอร์ในการกลั่นไม่เกิน 5-7% นั่นคือ 93-95% ของพลังงานถูกใช้ไปในรูปแบบของการสูญเสียความร้อน ซึ่งส่วนใหญ่ปล่อยออกมาในชั้นอิเล็กโทรไลต์ (ประมาณ 80-85% ของความร้อนที่ป้อนทั้งหมด) ดังนั้น วิธีหลักในการลดการใช้พลังงานจำเพาะสำหรับการกลั่นอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าคือการปรับปรุงฉนวนกันความร้อนของอิเล็กโทรไลเซอร์ (โดยเฉพาะส่วนบนของโครงสร้าง) และลดชั้นอิเล็กโทรไลต์ (ลดระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด)

ความบริสุทธิ์ของอลูมิเนียมที่กลั่นโดยใช้วิธีสามชั้นคือ 99.995% มันถูกกำหนดโดยความแตกต่างกับสิ่งสกปรกหลักห้าประการ - เหล็ก, ซิลิคอน, ทองแดง, สังกะสีและไทเทเนียม ปริมาณโลหะของเกรดนี้ได้อยู่ที่ 45-48% ของผลผลิตทั้งหมด (โดยไม่มีการสลายตัวด้วยเกรดที่ต่ำกว่า)

อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้าประกอบด้วยโลหะอื่นเจือปนในปริมาณที่น้อยกว่า ซึ่งจะลดความบริสุทธิ์สัมบูรณ์ของอะลูมิเนียมดังกล่าว การวิเคราะห์กัมมันตภาพรังสีทำให้สามารถตรวจจับสิ่งเจือปนได้มากถึง 30 รายการในอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้า ซึ่งมีปริมาณรวมประมาณ 60 – 10–4% ดังนั้นความบริสุทธิ์ของอลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นแล้วเมื่อเทียบกับสิ่งเจือปนเหล่านี้คือ 99.994%

นอกจากสิ่งเจือปนที่ GOST ระบุไว้ (ดูตารางที่ 1.1) เกรดที่พบมากที่สุด (A99) ของอลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้าแล้วยังมี %: Cr 0.00016; วี 0.0001; กา 0.0006; หน้า 0.002; เอสเอ็น 0.00005; แคลิฟอร์เนีย 0.002-0.003; นา 0.001-0.008; ล้าน 0.001-0.007; มก. 0.001-0.007; เช่น<0,0001; Sb<0,00002; Bi<0,00001; Cd<0,000001; S 0,0007.

แหล่งที่มาของการปนเปื้อนอะลูมิเนียมแคโทดประการหนึ่งคือตัวนำกระแสไฟฟ้ากราไฟต์ซึ่งประกอบด้วยเหล็กและซิลิคอนออกไซด์และสัมผัสกับอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นอยู่ตลอดเวลา หากกระแสไฟถูกส่งไปยังอะลูมิเนียมแคโทดโดยตรงด้วยแท่งอะลูมิเนียม และใช้เครื่องมือที่ทำจากกราไฟต์บริสุทธิ์มาก ก็เป็นไปได้ที่จะได้โลหะที่มีความบริสุทธิ์ 99.999% โดยความแตกต่างกับสิ่งเจือปนที่ตรวจพบได้ (Fe, Si, Cu, Zn และติ) โลหะนี้มีค่าเฉลี่ย %: Si 0.0002; เฟ 0.00032; ลูกบาศ์ก 0.0002; สังกะสี 0.0002 และ Ti 0.00005 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปัญหาทางเทคนิค วิธีการจ่ายกระแสไฟฟ้าด้วยวิธีนี้ยังไม่พบการประยุกต์ใช้ทางอุตสาหกรรมในวงกว้าง

การผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง

อลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (เกรด A999) สามารถผลิตได้สามวิธี: การถลุงแบบโซน การกลั่นผ่านซับฮาไลด์ และการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของสารประกอบอะลูมิเนียม-อินทรีย์ จากวิธีการที่ระบุไว้ในการผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง วิธีการหลอมโซนได้รับการนำไปใช้จริงในสหภาพโซเวียต

หลักการของการหลอมโซนคือการผ่านโซนหลอมเหลวไปตามแท่งอลูมิเนียมซ้ำๆ ขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์การกระจาย K=Stm/Cz (โดยที่ Stm คือความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในของแข็งและ Cz - ในเฟสของเหลว) ซึ่งส่วนใหญ่กำหนดประสิทธิภาพของการทำให้บริสุทธิ์จากสิ่งเจือปน สิ่งเจือปนเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม กลุ่มแรกประกอบด้วยสิ่งเจือปนที่ทำให้จุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมลดลง พวกเขามีเค<1, при зонной плавке концентрируются в расплавленной зоне и переносятся ею к конечной части слитка. К числу этих примесей принадлежат Ga, Sn, Be, Sb, Ca, Th, Fe, Co, Ni, Ce, Te, Ba, Pt, Au, Bi, Pb, Cd, In, Na, Mg, Cu, Si, Ge, Zn. Ко второй группе принадлежат примеси, повышающие темпера­туру плавления алюминия; они характеризуют­ся К>1 และในระหว่างการหลอมโซน พวกมันจะเข้มข้นในส่วนที่เป็นของแข็ง (เริ่มต้น) ของแท่งโลหะ สิ่งเจือปนเหล่านี้ ได้แก่ Nb, Ta, Cr, Ti, Mo, V กลุ่มที่สามประกอบด้วยสิ่งเจือปนที่มีค่าสัมประสิทธิ์การกระจายใกล้กับความสามัคคีมาก (Mn, Sc) สิ่งเจือปนเหล่านี้จะไม่ถูกกำจัดออกไปในระหว่างการหลอมโซนของอะลูมิเนียม

อะลูมิเนียมที่มีไว้สำหรับการหลอมแบบโซนนั้นต้องผ่านการเตรียมการบางอย่าง ซึ่งประกอบด้วยการกรอง การกำจัดก๊าซ และการดอง จำเป็นต้องกรองเพื่อขจัดฟิล์มออกไซด์ที่ทนไฟและทนทานที่กระจายตัวอยู่ในโลหะออกจากอลูมิเนียม อลูมิเนียมออกไซด์มีอยู่ในอลูมิเนียมหลอมเหลว