Алюминий получается путем восстановления его из окиси алюминия (глинозема). Важнейшей алюминиевой рудой для получения окиси алюминия является боксит, представляющий сложную горную породу переменного состава. По внешнему виду боксит напоминает плотную глину и имеет различную окраску — от белой до кирпично-красной.
Наряду с гидратами окиси алюминия (НА102 или А1(ОН)3) в бокситах присутствуют переменные количества окислов железа, кремния, титана, карбонатов кальция и магния, а также соединений других элементов, которые являются вредными примесями. Содержание гидратов окиси алюминия в боксите может достигать (в пересчете на А1г03) 55% и более.
В Советском Союзе месторождения бокситов имеются в Тихвинском районе, Алтайском и Красноярском краях, на Урале и в Казахстане.
Помимо бокситов, в производстве алюминия частично используются нефелины, алуниты, каолины и глины. Особый интерес представляют в качестве сырья хибинские апатито-нефелины. В результате многостадийного обогащения руды получаются апатитовый и нефелиновый [Na20 (К20) • А1а03 • 2Si02] концентраты и концентрат редких металлов. Все эти продукты полностью используются.
Алуниты (квасцовый камень), залежи которых имеются в Азербайджанской, Казахской, Узбекской ССР, представляют собой основной сульфат алюминия и калия KAl3[(0H)e(S04)2]; в его состав входит и некоторое переменное количество сульфата натрия.
Для выделения окиси алюминия из бокситов существует три способа: щелочной, кислотный и электротермический, из коих промышленностью используется почти исключительно щелочной способ. Этот способ был предложен химиком К- И. Байером, работавшим в России в 90-х годах прошлого века; К- И. Байером было показано, что при действии на бокситы растворов щелочей под давлением 3—4 am (в автоклаве) и температуре 160—170° алюминий переходит в раствор в виде алюминатов. Им же было показано, что растворы алюминатов являются нестойкими и при разбавлении водой подвергаются гидролизу с образованием А1(ОН)3. Для начала гидролиза к раствору добавляется гидрат окиси алюминия, который действует как своеобразная затравка; в целях ускорения процесса раствор перемешивают.
Перед выщелачиванием бокситы иногда подвергаются обогащению, например путем промывки проточной водой, чтобы снизить в них количество примесей — песка, глины. Для повышения степени извлечения глинозема при выщелачивании бокситы перед выщелачиванием всегда измельчают.
Выщелачивание проводится в стальных автоклавах. Боксит загружается в автоклав в виде пульпы (суспензии боксита в щелочи) через отверстие в его верхней части. Для нагревания раствора, его перемешивания и создания давления через нижнее конусообразное днище подается пар. Разгрузка пульпы проводится по трубе, проходящей через верхнюю крышку автоклава и доходящей почти до низа автоклава; пульпа выдавливается по трубе давлением пара. На степень выщелачивания гидратов окиси алюминия оказывают влияние различные факторы, и она увеличивается с увеличением концентрации щелочи, давления в автоклаве, времени и температуры выщелачивания. Исходный раствор щелочи содержит около 300 г/л NaOH. Во время выщелачивания гидраты окиси алюминия дают алюминат натрия:
HA102-J-Na0H=NaAI0i-f НаО, Al(0H):,-fNa0H=NaA102+2H20.
Двуокись кремния, присутствующая в бокситах, дает при выщелачивании силикат натрия — Na2Si03, который, взаимодействуя с алюминатом, образует нерастворимый натриевый алюмосиликат. Тем самым соединения кремния отделяются от раствора алюмината натрия:
2NaA10i-|-2Na2Si03H-4Hi,0=Na20 • А1203 • 2SiO„ • 2НгО|-{-4ЫаОН.
вскипание пульпы с выделением больших количеств пара, используемого для предварительного подогрева растворов. Из само испарителя пульпа, содержащая в растворе около 150—180 г/л алюмината натрия в пересчете на А1203, поступает в чаны с мешалками на разбавление водой. Для разбавления применяют воду, полученную при промывании красного шлама (см. ниже). Объем пульпы в результате разбавления увеличивается примерно в два раза. Затем пульпу направляют в чаны, называемые сгустителями, в которых происходит осаждение так называемого красного шлама. Последний содержит гидрат окиси железа, алюмосиликат натрия и небольшое количество метатитаната натрия. Для ускорения осаждения шлама в раствор часто добавляют коагулянты, из которых практическое применение нашла ржаная мука. Раствор алюмината после отстаивания красного шлама сливают из сгустителя декантацией и направляют на фильтрование для отделения от увлеченных частиц красного шлама. Шлам, выгруженный из сгустителя, промывают для извлечения оставшегося алюмината натрия; его применяют для очистки газов от серы. Промывные воды направляют в чаны, где производится разбавление алюмината натрия (см. выше). Полученный чистый раствор алюмината натрия содержит около 120 г/л окиси алюминия. Степень извлечения окиси алюминия из боксита составляет 85—90%.
Выделение гидрата окиси алюминия из алюминатных растворов, называемое «выкручиванием» или «выкруткой», проводят в декомпозиторах, представляющих собой железные баки диаметром 6—8 м и снабженных мешалками. Иногда для перемешивания пульпы применяют сжатый воздух.
При выкручивании протекает гидролиз алюмината натрия:
Выделение гидроокиси алюминия сильно ускоряется при перемешивании и при введении затравки гидроокиси алюминия, которая играет роль центров кристаллизации и предупреждает выпадение гидроокиси алюминия в трудно фильтрующейся форме.
Выкручивание ведется при следующих условиях:
Концентрация А1а03 в исходном растворе 120—125 г/л.
Количество затравки (в процентах А1г03)..... 1—2,3%.
Полученная пульпа направляется в сгустители для осаждения гидроокиси алюминия, которая затем промывается декантацией и, наконец, фильтруется на вакуум-фильтрах. Всего из раствора выделяется около 55% гидроокиси алюминия. Фильтрат в дальнейшем направляется на выщелачивание новых порций боксита (см. рис. 71), так как он содержит щелочь и алюминат натрия.
NaAl02+2H20^tNa0H-fAl(0H)
Продолжительность . . Начальная температура Конечная температура .
70—110 час. 60° С. 38° С.
Для получения окиси алюминия промытую гидроокись подвергают прокаливанию — кальцинации, которая проводится в трубчатых вращающихся печах, имеющих небольшой наклон. Топливом служит жидкое топливо или генераторный газ.
Другие способы получения окиси алюминия. Кроме бокситов, окись алюминия получается также путем комплексной переработки нефелинов, для чего нефелин вначале спекают при 1250—1300° с известняком:
Na40 • (КО) • А1А 2Si02-f4CaC03=Na90(Ka0) • А1А4 +4СОа+2(2СаО . SO).
Затем полученный спек размалывают, выщелачивают алюминат, фильтруют и раствор для выделения гидроокиси алюминия карбонизируют углекислым газом, полученным при спекании. Фильтрат после отделения гидроокиси алюминия содержит в растворе карбонаты калия и натрия, которые выделяют путем раздельной кристаллизации. Шлам, полученный при фильтровании алюминатного раствора, при обжиге с известняком дает цемент. На 1 т окиси алюминия получается около 1 т соды и поташа и 7—8 т цемента. Отсутствие каких-либо отходов производства делает этот способ весьма эффективным.