Металлургия алюминия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2177 

Кафедра цветных металлов и золота

А.П. Лысенко 
Р.Т. Хайрулина 
 

Металлургия алюминия

 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150400 – Металлургия 

Москва 2012 

УДК 669 
 
Л88 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Т.А. Базлова 

Лысенко, А.П. 
Л88  
Металлургия 
алюминия : учеб. 
пособие / А.П. Лысенко, 
Р.Т. Хайрулина. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 57 с. 
ISBN 978-5-87623-594-7 

Учебное пособие по курсу «Металлургия алюминия» состоит из трех разделов: электрометаллургия алюминия, производство магния и металлургия 
вторичного алюминиевого сырья. Для лучшего усвоения студентами теоретического материала и самоподготовки к контрольным мероприятиям каждый из разделов содержит тесты, охватывающие основные вопросы данного 
курса. 
Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению «Металлургия». 
 

УДК 669 

ISBN 978-5-87623-594-7 
© А.П. Лысенко, 
Р.Т. Хайрулина, 2012 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Электрометаллургия алюминия ..........................................................5 
1.1. Производство фтористых солей и электродных изделий ..........9 
1.2. Физико-химические свойства криолитоглиноземных 
расплавов и влияние на них различных добавок.............................12 
1.3. Основные электрохимические реакции, протекающие на 
электродах ...........................................................................................15 
1.4. Выход алюминия по току, расход электроэнергии и 
влияние на них различных факторов................................................17 
1.5. Конструкция и основы расчета алюминиевой ванны ..............18 
1.6. Технология электролитического производства алюминия......23 
1.7. Качество алюминия.....................................................................28 
1.8. Электролизный цех алюминиевых заводов ..............................29 
1.9. Рафинирование технического алюминия ..................................30 
2. Производство магния .........................................................................35 
2.1. Подготовка магниевого сырья....................................................36 
2.2. Теоретические основы получения магния электролизом ........41 
2.3. Технология электролитического производства магния...........45 
2.4. Термические способы получения магния..................................48 
2.5. Рафинирование магния ...............................................................50 
3. Металлургия вторичного алюминиевого сырья ..............................52 
Литература ..............................................................................................56 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебное пособие предназначено для проверки знаний, приобретенных бакалаврами, обучающимися по направлению «Металлургия», в процессе изучения технологий производства легких металлов. 
В лекционном блоке курса подробно рассматриваются вопросы теории и практики электролиза и рафинирования алюминия и магния 
начиная от сырьевой базы и заканчивая потребительскими свойствами полученных продуктов. Особое внимание уделено проблемам, 
связанным с переработкой и утилизацией алюминиевого лома и отходов – вторичной металлургии. 
Учебное пособие состоит из трех разделов: получение и рафинирование алюминия, производство магния и металлургия вторичного 
алюминиевого сырья. Краткие пояснения к каждому разделу совместно с курсом лекций позволят студентам ответить на предлагаемые 
вопросы. Тесты можно использовать для самоконтроля знаний, опроса студентов на семинарских занятиях, подготовки к контрольным 
работам, зачету и экзамену. 

1. ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ АЛЮМИНИЯ 

Алюминий получают электролизом криолитоглиноземного расплава в ванне, содержащей жидкий металлический катод и углеграфитовый анод. 
Электролитом для производства алюминия служит криолитоглиноземный расплав.  
Криолит – это конгруэнтно плавящееся соединение Nа3АIF6 
(3NaF·АIF3). Этот расплав имеет ряд существенных недостатков:  
– расплавленные криолитоглиноземные электролиты чрезвычайно агрессивны. В них реально устойчивы лишь графит и другие углеродистые материалы; 
– электролиз этих электролитов сопровождается выделением отравляющего атмосферу газообразного фтористого водорода и фторсодержащей пыли; 
– криолит и фтористые соли являются дорогими и дефицитными 
материалами, что неблагоприятно сказывается на себестоимости 
алюминия.  
Несмотря на это, на сегодняшний день криолит является единственным растворителем глинозема.  
Криолитоглиноземные расплавы представляют собой тройную 
систему 
Nа3АIF6–А12О3–АIF3. 
Если 
криолитовое 
отношение 
(NaF/AlF3) у криолита равно 3, то промышленные электролиты имеют небольшой избыток фтористого алюминия. Кроме основных компонентов (Nа3А1F6, А1F3, Аl2О3), в него входят и другие химические 
соединения (СаF2, МgF2, LiF, NаСI), улучшающие физикохимические свойства электролита. Растворение глинозема в электролите сопровождается химической реакцией 

 
Na3AlF6 + Al2O3 = 3NaAlOF2. 

Электролиз ведут непрерывно. При этом содержание глинозема в 
оксидно-фторидном расплаве уменьшается. При достижении минимальной концентрации Al2O3 в электролите, в него догружают глинозем и доводят до предельного (8…10 % масс. Al2O3) содержания при 
температуре 955…965 °С. Растворенный глинозем диссоциирует на 
ионы. При этом на катоде происходит выделение алюминия: 

 
3AlOF2
– + 6e = 2Al↓ + AlO3
3– + 6F–, 

а на аноде разряжаются кислородсодержащие ионы: 

3AlOF2
– – 6e = 3Al3+ + 6F– + 1,5 О2↑. 

На практике применяют угольно-графитовый анод. Взаимодействие образующегося кислорода с углеродом анода происходит по реакции 

 
1,5О2 + 2С → СО + СО2. 

Выделяющийся алюминий накапливается на подине. Его периодически извлекают из ванны. Анодный газ улавливают и удаляют из 
электролизера с помощью специальных устройств в систему газоотсоса и газоочистки. Механизм горения угля состоит из следующих 
стадий:  
– химическая адсорбция кислорода на угле; 
– образование промежуточных углерод-кислородных соединений типа CxOy; 
– распад CxOy на СО и СО2; 
– десорбция СО и СО2 с поверхности анода.  
Теоретически в процессе получения алюминия расходуется не 
только глинозем и углерод, но и электроэнергия, которая необходима 
для разложения глинозема и поддержания высокой рабочей температуры электролиза. Кроме этого, в ходе электролиза наблюдаются потери значительного количества криолита и других фтористых солей 
из-за испарения и впитывания в футеровку.  
На 1 т получаемого металла расходуется:  
глинозема 
– 1925…1945 кг; 
анодной массы 
– 525…570 кг; 
фтористых солей – 40…100 кг. 
Часть фтористых солей регенерируется и возвращается в процесс 
получения алюминия.  
Металлический алюминий получают в электролизной ванне. Выделяющийся расплавленный алюминий при температуре электролиза 
тяжелее электролита и находится на подине ванны. Устройство электролизера можно схематически представить следующим образом. 
Это неглубокая шахта, которая заполнена электролитом. Внутренняя 
футеровка ванны сделана из угольных блоков – боковых и подовых. 
В электролит опущен угольный анод. Катодом служит угольная подина. К аноду и к подине подведены токопроводящие шины. Над 
расплавом на границе с воздухом образуется корка застывшего электролита. Слоем застывшего электролита покрыты изнутри боковые 

стенки (боковой гарниссаж) и отчасти подовая поверхность ванны 
(около стенок).  
Таким образом, алюминиевый электролизер любой конструкции и 
мощности состоит из катодного устройства, анодной системы, ошиновки (анодной и катодной) и опорных металлоконструкций. Кроме 
основных узлов, электролизеры имеют специальные приспособления 
для улавливания и отвода газов, выделяющихся во время электролиза.  
Современные алюминиевые электролизеры классифицируются: 
– по устройству анода: 
• с обожженными анодами (ОА); 
• с одним самообжигающимся непрерывным анодом; 
– по конструкции анодного токоподвода: 
• с боковым анодным токоподводом (БТ); 
• с верхним анодным токоподводом (ВТ); 
– по мощности: 
• небольшой мощности (сила тока 80…90 кА); 
• средней мощности (150…175 кА); 
• большой мощности (300…500 кА).  
Основными технико-экономическими показателями электролиза 
являются выход по току и расход электроэнергии. Выход по току ηт 
определяется как отношение фактически полученного на катоде алюминия mф к теоретической массе m, рассчитанной по закону Фарадея: 

 
ηт = (mф /m)·100 %. 

Закон Фарадея 

 
m = kIτ, 

где k – электрохимический эквивалент, г/(А·ч);  
I – сила тока, А;  
τ – время, ч.  

Электрохимический эквивалент алюминия – 0,335 г/(А·ч).  
Удельный расход электроэнергии W, кВт⋅ч/т, определяется как 
отношение количества затраченной электроэнергии к массе полученного металла: 

 
W = IUсрτ/mф, 

где Uср – среднее напряжение на электролизере, В. 

На промышленных электролизерах в зависимости от их конструкции выход по току составляет 84…90 %, а удельный расход электроэнергии 14 500…15 500 кВт·ч/т.  
Химический состав и марки первичного алюминия приведены в 
ГОСТ 11069–2001. Самый грязный металл (марка А0) содержит алюминия не менее 99 %, а самый чистый (А85) – не менее 99,85 %. Основные примеси, которые содержатся в первичном алюминии, это 
Fe, Si, Cu, Zn и Ti. 
Алюминий высокой чистоты (АВЧ) с содержанием алюминия 
99,995…99,95 % обладает по сравнению с алюминием технической 
чистоты рядом ценных свойств. К ним относятся повышенная электропроводимость, большая пластичность, высокая отражательная 
способность и исключительно высокая антикоррозионная стойкость, 
которые и определяют соответствующие области применения АВЧ. 
Основным способом получения алюминия высокой чистоты является электролитическое рафинирование по трехслойному методу. 
Катодом служит рафинированный алюминий. Плотность его ниже, 
чем у солевого расплава, и поэтому он располагается на поверхности 
электролита.  
На катоде происходит восстановление ионов алюминия по реакции:  

 
Al3+ + 3e = Al. 

При этом более электроотрицательные, чем алюминий, металлы 
не выделяются на катоде и остаются в электролите. Электролитом 
является расплавленная смесь фторида алюминия с фторидами и 
хлоридами щелочных и щелочноземельных металлов. К нему предъявляются следующие требования: 
– минимальная разница в температурах плавления алюминия и 
электролита; 
– плотность электролита должна быть выше, чем у алюминия, но 
ниже, чем у анодного сплава;  
– электролит должен обладать хорошей текучестью; 
– электропроводность электролита должна быть возможно большой. 
Нижний слой электролизеров – анодный сплав, как правило, содержит 25…35 % меди, а также железо и кремний. Основная реакция 
на аноде 

 
Al – 3e = Al3+. 

Более электроположительные, чем алюминий, металлы не подвергаются анодному растворению и накапливаются в анодном сплаве. 
Начиная с определенного их содержания, идет самоочищение сплава 
путем выделения нерастворимых интерметаллидов (осадков) в загрузочном кармане, как в наиболее холодной части электролизера. На 
1 т получаемого металла извлекают от 60 до 80 кг анодных осадков. 
Наряду с железом и кремнием в осадках содержится 25…30 % меди 
и около 50 % алюминия. 
Современные рафинировочные электролизеры по своему внешнему виду похожи на электролизеры с обожженными анодами, с той 
лишь разницей, что анодное устройство здесь расположено снизу, а 
катодное – сверху. Анодное устройство смонтировано в стальном 
кожухе прямоугольной формы. Подина выложена асбестом и несколькими рядами шамотного кирпича. Затем – угольные блоки, к 
которым подводится ток. Боковые стенки футерованы асбестом и 
шамотным кирпичом. Рабочая часть ванны выполнена из магнезитового кирпича. В одном из торцов электролизера имеется загрузочный 
карман, который соединен с шахтой ванны горизонтальным каналом 
на уровне подины. Карман футерован магнезитом и графитовой трубой. Сверху карман закрывается алюминиевой крышкой. Катоды 
сделаны из графита и имеют цилиндрическую форму. Для защиты от 
окисления их закрывают с боков алюминиевыми «рубашками». Катоды в электролизере расположены в два ряда. Для уменьшения потерь тепла через верх электролизеры укрыты легкими алюминиевыми листами. 
Современный электролизер для получения АВЧ рассчитан на силу тока 75 кА.  

1.1. Производство фтористых солей 
и электродных изделий 

1. Легкие металлы: 
1) Al, Mg, Ti; 
2) Sc, Y, Ac; 
3) Hg, As, Bi; 
4) Ra, He, Sm; 
5) нет правильного ответа. 

2. Какие фтористые соли производит алюминиевая промышленность: 
1) Na3AlF6; 
2) NaF; 
3) AlF3; 
4) KF; 
5) LiF. 

3. Сырье для производства фтористых солей: 
1) глинозем; 
2) криолит; 
3) плавиковый шпат; 
4) газы суперфосфатного производства; 
5) нет правильного ответа. 

4. По какой технологии получают фтористые соли в России: 
1) щелочной; 
2) кислотной; 
3) содовой; 
4) солевой; 
5) комбинированной. 

5. Какие примеси регламентируются во фтористых солях: 
1) более положительные, чем Al; 
2) более отрицательные, чем Al; 
3) нарушающие нормальный процесс; 
4) любые; 
5) нет правильного ответа. 

6. Присутствие каких примесей ограничено во фтористых солях: 
1) железо; 
2) кремний; 
3) медь; 
4) цинк; 
5) титан. 

7. Какие электродные изделия производит алюминиевая промышленность: 
1) угольные аноды; 
2) боковые блоки; 
3) подовые блоки; 
4) угольная масса; 

5) графитовый порошок. 

8. Каким условиям должны удовлетворять электродные изделия: 
1) высокое удельное сопротивление; 
2) стойкость против действия кислорода; 
3) выдерживать высокую температуру; 
4) содержать минимальное количество примесей; 
5) нет правильного ответа. 

9. При какой температуре обжигают аноды: 
1) 100…120 °С; 
2) 400…500 °С; 
3) 800…1000 °С; 
4) 1300…1400 °С; 
5) 2000…2500 °С. 

10. Какие материалы применяют для изготовления боковых и подовых блоков: 
1) антрацит; 
2) графит; 
3) угольный бой; 
4) литейный кокс; 
5) каменноугольный пек. 

11. Какой материал используют в качестве связующего при изготовлении угольных изделий: 
1) каменноугольный пек; 
2) графитовый порошок; 
3) пековый кокс; 
4) нефтяной кокс; 
5) нет правильного ответа. 

12. Какие углеродистые материалы используют при изготовлении 
анодов и анодной массы: 
1) пековый кокс; 
2) антрацит; 
3) термоантрацит; 
4) нефтяной кокс; 
5) нет правильного ответа.