Электролитическое рафинирование алюминия

29.01.2017

После хлорирования, переплавки и отстаивания в электропечах обычно получают металл с содержанием алюминия 90,5—99,7%. При особо чистом сырье и хорошем обслуживании ванны удается получить металл с содержанием алюминия до 99,85%. Указанная чистота алюминия вполне удовлетворяет большинство его потребителей. Однако отдельные отрасли техники нуждаются в металле более высокого качества (содержащем 99,99% алюминия, а иногда и еще более чистом).
Алюминий высокой чистоты имеет повышенную электропроводность, весьма пластичен и очень устойчив против коррозии. Поэтому его применяют для изготовления электролитических выпрямителей и конденсаторов, для защитного покрытия металлических поверхностей, подвергающихся разрушению химическими реагентами, для изготовления высококачественной фольги и химической аппаратуры, а также для изготовления ряда ответственных алюминиевых сплавов.
Получают алюминий высокой чистоты путем электролитического рафинирования обычного алюминия. Схема ванны для электролитического рафинирования алюминия приведена на рис 102.
Электролитическое рафинирование алюминия

Ванна для рафинирования алюминия состоит из стального сварного кожуха 2 с днищем, укрепленного вертикальными уголками, теплоизоляции 3, угольной подины 1, магнезитовой боковой футеровки 10 и катодного устройства 6—5. Устройство подины ванны аналогично устройству ее у ванн для электролитического получения алюминия. Боковая футеровка, непосредственно примыкающая к кожуху ванны, состоит из шамотного кирпича. Внутренняя футеровка выполнена из магнезитового кирпича, что позволяет устранить утечки тока через футеровку. Магнезитовый кирпич в условиях электролитического рафинирования является достаточно стойким футеровочным материалом, поскольку применяющийся в этом случае электролит (состоящий в основном из хлористого бария) значительно менее химически активен, чем криолит. Кроме того, температура, при которой ведется процесс рафинирования алюминия (760° С), ниже температуры в алюминиевой ванне.
Для отвода тока от слоя рафинированного алюминия в него на 5—6 см погружены графинированные электроды. Последние для защиты от окисления имеют алюминиевый кожух толщиной 2,0—3,0 мм. Каждый графитированный электрод имеет стальной ниппель, залитый чугуном. Ниппель соединен с алюминиевым стержнем, который клиновым захватом закреплен на шинопроводе.
В рабочем пространстве (шахте) ванны находятся три жидких слоя. Нижний слой 9 образует так называемый анодный сплав, состоящий из алюминия, подлежащего рафинированию, и меди (которой в сплаве около 30%). Удельный вес сплава при температуре рафинирования равен примерно 3. Второй слой, рас положенный над анодным сплавом, образует электролит 8. Третий слой (расположенный над электролитом) — жидкий рафинированный алюминий 7. Положительный полюс подводится к подине ванны 1, а анодом является верхняя поверхность анодного сплава. Отрицательный полюс подводится к графитовым катодам 5. Собственно катодом является нижняя поверхность рафинированного алюминия 7.
Для загрузки алюминия, подлежащего рафинированию, в боковой футеровке сделан карман, сообщающийся с рабочим пространством ванны на уровне слоя анодного сплава. Карман, так же как и ванна, футерован магнезитовым кирпичом. Температура в кармане на 30—40° С, ниже, чем температура в электролизере.
При прохождении постоянного тока через ванну из анодного сплава в электролит будут переходить (анодно растворяться) как алюминий, так и более электроотрицательные (чем алюминий) примеси (натрий, кальций, магний и др.).
Металлы, более электроположительные чем алюминий (медь, железо, кремний и др.), не подвергаются анодному растворению и накапливаются до определенной концентрации в анодном сплаве.
На катоде практически будут разряжаться только ионы алюминия. Ионы натрия, кальция, магния и других более электроотрицательных, чем алюминий примесей будут оставаться в электролите, так как потенциал их разряда выше чем у алюминия.
Таким образом, при электролитическом рафинировании на катоде выделяется только алюминий. Примеси же накапливаются так: более электроотрицательные — в электролите, более электроположительные — в анодном сплаве.
В качестве электролита применяют три типа расплавленных солевых смесей:
1) фтористый алюминий — фтористый натрий — фтористый барий;
2) фтористый алюминий — фтористый натрий — хлористый барий;
3) фтористый алюминий — фтористый натрий — фтористый магний — фтористый барий.
Во всех трех случаях основным компонентом электролита является фтористый алюминий. Фтористый натрий вводится для того, чтобы электролит имел определенную температуру плавления, а фтористый или хлористый барий — для обеспечения вполне определенного удельного веса электролита, большего чем у алюминия и меньшего чем у анодного сплава.
В случае применения первого электролита температура жидких слоев ванны равна примерно 850—900° С. Во втором случае рафинирование алюминия производится при температуре 710—740° С. Последний электролит отличается от первого добавкой фтористого магния, который понижает температуру плавления электролита. В этом случае процесс можно вести при температуре 800—850° С.
Лучшие результаты дает электролит второго типа при следующем составе (в весовых процентах): 60% хлористого бария, 23% фтористого алюминия и 17% фтористого натрия. Удельный вес такого электролита при 750° С равен 2,7, т. е. меньше, чем удельный вес анодного сплава (3,0—3,5), и больше, чем удельный вес расплавленного алюминия (2, 3). Во избежание смешения анодного сплава с электролитом анодный сплав всегда должен содержать не менее 25% меди.
Электролит для электролитического рафинирования алюминия готовят из тщательно обезвоженной и переплавленной смеси солей в специальных ваннах-матках. Удаление влаги из электролита необходимо для устранения образования в процессе работы ванны значительных количеств шлама, основной причиной появления которого является гидролиз фтористого алюминия по реакции
2AlF3 + 3H2О = Al2O3 + 6HF.

В результате реакции Al2O3 выпадает из электролита и образует шлам, а газообразный HF улетучивается из электролита.
При переплавке электролит дополнительно рафинируют от примесей железа и кремния путем восстановления их соединений металлическим алюминием.
Для того, чтобы предупредить на катоде выделение натрия и бария, в электролите необходимо иметь некоторый избыток фтористого алюминия по сравнению с содержанием его в криолите и работать при низкой катодной плотности тока.
Пуск ванны осуществляют на расплавленном электролите, который получают из ванны-матки (или наплавляют в самой рафинировочной ванне). Анодный сплав заливают в ванну в расплавленном состоянии, а на поверхность электролита наливают слой чистого алюминия, в который погружают электроды, служащие для подвода тока к катоду.
Одной из сложных операций обслуживания ванны является регулирование высоты подвески катодов. Цель регулирования — обеспечить равномерное распределение тока между всеми катодами. Равномерность нагрузки катодов определяют, как и в много анодных ваннах, при помощи специального прибора — буссоли (рис. 103).
Электролитическое рафинирование алюминия

В процессе работы ванны загрязненный алюминий, подлежащий рафинированию, загружают через специальный загрузочный карман 4 (рис. 102) в футеровке ванны, сообщающийся с рабочим пространством последней на уровне слоя анодного сплава.
По мере накопления рафинированного алюминия последний вычерпывают при помощи стальной ложки, покрытой слоем чистого электролита или специальной краской, не растворяющейся в алюминии.
Анодный сплав, после накопления в нем большого количества примесей, выливается из ванны через лётку или вычерпывается через карман и заменяется новым. Однако такую замену анодного сплава, в особенности при питании ванны первичным алюминием, приходится делать редко.
Оптимальная температура процесса электролитического рафинирования — 760—800° С. При высоте (толщине) анодного сплава 20—25 см, слоя электролита 12—15 см и катодного алюминия 10—15 см напряжение на ванне составляет 6—7 в; плотность тока (анодная и катодная) — около 0,5 а/см2.
Выход по току составляет 98%. Алюминий, рафинированный по этому методу, содержит до 99,9985% Al. Основными примесями в нем являются, до 0,0001% железа; до 0,002% кремния и до 0,001 % меди.