«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Бокситы на исходе

Схема получения алюминия из боксита

Традиционный процесс переработки бокситов применяется с начала века почти без изменений. Он хорошо освоен, несмотря на всю его сложность. При получении глинозема используют главным образом метод Байера.

Порошок боксита загружают в автоклав и заливают щелочью при температуре около 200 °C и давлении не менее 10 атм. Несколько часов пульпу в автоклаве непрерывно перемешивают струей пара, проходящего сквозь всю ее толщу.

Со щелочью вступает в реакцию не только окись алюминия, но и другие вещества, входящие в состав боксита — кремнезем, окислы титана, ванадия и т. д. Однако большая часть получающихся в конечном результате веществ остается в твердом осадке. В раствор же переходят соединения алюминия, загрязненные некоторым количеством соединений кремния, фосфора, хрома. Выщелачивание идет непрерывно в ряде автоклавов.

Из варочного автоклава пульпа давлением пара выгружается, давление резко падает, и начинается бурное кипение жидкости. Затем пульпа разбавляется водой, которой промывали твердый остаток — так называемый красный шлам. После разбавления алюминатный раствор отделяется от твердого шлама. Для того чтобы мелкие твердые частицы быстрее отделялись от жидкости, в пульпу добавляют коагулянты — вещества, способствующие слипанию отдельных твердых частиц в крупные хлопья. В качестве такого коагулянта нередко используют обыкновенную ржаную муку. Затем алюминатный раствор фильтруют и направляют на разложение.

Разложение алюминатных растворов осуществляется в гигантских цилиндрических резервуарах, снабженных мешалками, — так называемых декомпозерах. Раствор, имеющий вначале температуру около 60 °C, постепенно перетекает по системе сифонов из одного резервуара в другой; засыпаемые в раствор кристаллы гидроокиси алюминия становятся центрами кристаллизации. Процесс кристаллизации, называемый технологами выкручиванием, длится трое — четверо суток.

Конечно, далеко не весь алюминий уходит из раствора. Почти половина его остается в жидкости. Но он не пропадает. Жидкость после отделения от нее выделившейся гидроокиси алюминия возвращается в автоклавы для выщелачивания. Она циркулирует непрерывно, растворяя в автоклавах глинозем и выделяя его в твердом виде в декомпозере.

Последней операцией получения чистого глинозема является кальцинация — обезвоживание полученного вещества. Осуществляется она в гигантских — метров в 50–75 длиной и метра 1,5–2 диаметром — барабанных вращающихся печах. В поднятый конец этой печи-трубы вводят гидроокись алюминия. Опа медленно передвигается по наклону печи вниз, навстречу пламени мазутных или газовых горелок. В процессе нагревания и прокаливания до температуры в 1250 °C большая часть гидроокиси превращается в безводную окись алюминия — глинозем.

Последний этап всего процесса — получение металлического алюминия из окиси с помощью электролиза.

Окись алюминия растворяют в расплавленном криолите (криолит плавится при температуре ниже 1000 °C).

Процесс электролиза проводят в больших ваннах, выложенных изнутри углем, а снаружи защищенных толстым слоем теплоизоляции. Угольный слой, которым выложена ванна, подключается к отрицательному полюсу и образует большой катод. Электроды, присоединенные к положительному источнику тока, — аноды — изготавливаются из толстых угольных пластин.

Окись алюминия разлагается на положительно заряженный ион алюминия и отрицательно заряженный ион кислорода.

Ионы алюминия движутся к катоду, разряжаются там и превращаются в металлический алюминий. Отрицательные ионы кислорода подходят к аноду, отдают ему свои электроны и становятся свободным газом.

На дне ванны собирается расплавленный алюминий, который периодически выпускают. Режим работы электролизной печи: напряжение 5–8 В, сила тока до 60 000 А.

Залежи богатых бокситов быстро исчерпываются. В годы второй мировой войны, когда многим воюющим странам не хватало алюминия, полученного из боксита, использовали по необходимости и другие виды сырья: Италия получала алюминий из лавы Везувия, США и Германия — из каолиновых глин, Япония из глинистых сланцев и алунита. Но обходился этот алюминий в среднем впятеро дороже алюминия из боксита, и после войны, когда были обнаружены колоссальные запасы этой породы в Африке, Южной Америке, а позже и в Австралии, алюминиевая промышленность всего мира вернулась к традиционному бокситовому сырью.

Немного на земле элементов, содержание которых в рудах превышает 5 %. В нефелине, сопровождающем апатиты, — KNa3[AlSiO4]4 — около 20 % алюминия. Конечно, по сравнению с бокситами это немного. Но при комплексной переработке из нефелина можно извлекать множество полезных продуктов.

Комплексным сырьем является и минерал алунит KAl3(OH)6(SO4)2. Кроме глинозема, из алунита получают калийные удобрения, серную кислоту и другие химические продукты.

Перспективным алюминиевым сырьем является зола углей теплоэлектростанций — ее образуется в мире около 700 млн т в год. Содержание Аl2О3 в золе колеблется от 10 до 44 %. Минералы алюминия в углях — каолинит Аl2О3 * 2SiO2 * 2Н2О, давсонит — NaAl (ОН)2СО3, полевые шпаты и др. Наиболее перспективно получение из золы кремнеалюминиевых сплавов, абразивов из корунда и карбида кремния SiC, а также различных стройматериалов, содержащих алюмосиликаты.

Каолины часто залегают в месторождениях совместно с углем. Они попадают в золу, увеличивая содержание в ней глинозема.

Золу смешивают с известью и содой, спекают при 1500 °C, в результате чего получают силикат кальция и алюминат натрия. Последний выщелачивают и из него добывают алюминий, а оставшийся шлам идет на производство цемента.