Алюминий, самый распространенный элемент (8%) в земной коре после кислорода (48%) и кремния (28%). Он принадлежит к группе так называемых цветных металлов, р-блоку таблицы Менделеева. Алюминий также является вторым металлом с точки зрения технического применения в мире после железа. Крупнейшими рынками сбыта алюминия традиционно являются автомобильная, строительная, авиационная и упаковочная отрасли. Однако, прежде чем он попадет к производителям соответствующих компонентов, он проходит долгий и дорогостоящий производственный процесс.
Алюминий имеет атомный номер 13 и атомную массу 26,9815. Он кристаллизуется в регулярной решетке алюминиевого типа с центрированием стенок с параметром 0,40408 нм. Температура плавления алюминия 660°С, температура кипения 2494°С. Плотность алюминия 2,6989 г/см3 при 20°С. От символов Si (кремний) и Al произошло название сиал — самый внешний слой земной коры, образующий материки, в котором обнаружены соединения алюминия. Алюминий слишком активен, чтобы существовать в чистом виде в природе. В сочетании с другими ингредиентами он образует 270 известных минералов.
В 1808 году сэр Хамфри Дэви, британский электрохимик, предложил название «алюминий» в качестве технического термина для алюминия, а семнадцать лет спустя датский химик Ганс Кристиан Эрстед впервые произвел металлический алюминий (некоторые источники указывают на Фридриха Вёлера в 1827 году). В 1886 году американец Чарльз Мартин Холл и француз Поль Эру независимо друг от друга разработали метод получения металлического алюминия электролизом. Запатентованный процесс Холла-Эру, в котором активный глинозем сначала растворяют в расплавленном криолите, а затем электролитически разлагают на металлический алюминий и газообразный кислород, по сей день остается основным промышленным методом получения чистого алюминия.
Бокситовые руды являются основным сырьем для получения чистого Al2O3. Бокситы представляют собой глинистые осадочные породы, состоящие в основном из гидроксидов алюминия (Al2O3×nH2O), гидроксидов железа (Fe2O3×nH2O), кремнезема и оксида титана. Технология получения оксида алюминия из бокситовых руд была разработана австрийским химиком Карлом Байером в 1887 г. и в совокупности с процессом Холла-Эру составляет неотъемлемую часть производства первичного алюминия. В настоящее время алюминий выпускается 17 марок с различной степенью чистоты от 99,99% до 99,00%.
Глинозем (Al2O3) получают из бокситовых руд в процессе Байера. Перерабатывающие предприятия, на которые доставляется продукция, в основном расположены вблизи шахт. Процесс производства оксида алюминия можно разделить на три основных этапа: экстракция, осаждение и прокаливание. После добычи руда может быть подвергнута промывке водой для удаления растворимых примесей. Затем в сырье добавляют оксид кальция. Композицию измельчают в трубных мельницах до диаметра менее 315 микрон. Это увеличивает реактивную площадь поверхности частиц, что повышает скорость экстракционных процессов. Полученный порошок растворяют в горячем концентрированном растворе NaOH и выдерживают несколько часов в барокамерах (автоклавах). Температура и давление зависят от типа боксита и типа процесса.
Кремнезем, содержащийся в боксите, реагирует с гидроксидом натрия с образованием силиката натрия. Реакция с растворенным алюминатом натрия дает нерастворимый гидратированный алюмосиликат натрия. Контроль содержания кремнезема в руде очень важен из-за потери Al2O3. Шлам образуется из нерастворимых элементов, в том числе оксида железа, что придает шламу характерный красный цвет. При экстракции происходит процесс седиментации – отделение твердых частиц – шлама от щелочи, содержащей алюминат натрия, в результате действия силы тяжести. Следующим этапом является кристаллизация при охлаждении раствора. Он разлагает раствор на NaOH и Al(OH)3. Образовавшиеся кристаллы классифицируют и разделяют по размеру, как на стадии фильтрации оксида. Слишком мелкие перерабатываются и используются в качестве затравок для кристаллизации. Кристаллы Al(OH)3 подходящего размера промывают водой и затем сушат. Отработанный щелок нагревается и рециркулируется.
Завершающим процессом является прокаливание гидроксида алюминия, которое проводят, в том числе, в в слегка наклонных вращающихся печах при 1000-1250°С. Обжиг удаляет влагу, и чистый глинозем в виде белого порошка является конечным продуктом процесса Байера, готовым к отправке в печи для плавки металлического алюминия.
Следующим этапом является выплавка алюминия в процессе электролиза Холла-Эру. Глинозем разлагается на металлический алюминий и газообразный кислород. Восстановление Al2O3 до металлического алюминия проводят в расплавленном криолитовом растворе Na3AlF6 (около 75% массы электролита) при средней температуре 960°С. Протекание тока вызывает осаждение расплавленного алюминия с плотностью, несколько превышающей плотность электролита на катоде. Алюминий оседает на дно ванны. На аноде отделяется кислород, который реагирует с графитом, образуя смесь СО и СО2. Чтобы поддерживать содержание глинозема в ванне расплава на уровне от 2 до 10% (во избежание искрения от анода к катоду), в ванны регулярно добавляют глинозем. Образовавшийся жидкий алюминий отделяют от электролита и последовательно удаляют из камеры электролизера в тигли с помощью вакуумных сифонов. Тигли транспортируют к литейному оборудованию, а алюминий подают в печи предварительного нагрева. В этих печах добавляют любые легирующие добавки.
За стадией плавления алюминия следуют процессы рафинирования жидкого металла. Рафинирование алюминия представляет собой совокупность технологических процессов, направленных на очистку металла или сплава от частиц оксидов натрия, магния, кальция, нитридов, карбидов, боридов и газообразного водорода. Завершающей стадией производства алюминия обычно является отливка цилиндрических слитков, которые после периода гомогенизации отправляются на предприятия, производящие алюминиевые элементы.