RU2844503C2 - Способ производства металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия расплавленной солью - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электролиза алюминия, а конкретно к способу получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли. Способ включает включение электролитической ячейки, выполненной разделенной на анодную и катодную камеры, оснащенные инертным анодом и катодом соответственно, а также предназначенные для физического отделения анолита от католита, и дно которой заполнено сплавляющей средой, соприкасающейся с анолитом и католитом, добавление сырьевого оксида алюминия в анодную камеру, заполненную анолитом, представляющим собой фторсодержащую систему или хлорсодержащую систему, при этом фторсодержащая система содержит, % масс.: 60-90 криолита, 5-30 AlF₃, 1-10 Al2O₃ и 0-15 добавки; и криолит представлен одним или несколькими соединениями из числа Na₃AlF₆, Li₃AlF₆ и K₃AlF₆, а добавка - одним или несколькими соединениями из числа LiF, NaF, KF, CaF₂, MgF₂, BaF₂ и NaCl, а хлорсодержащая система представлена CaCl₂ или же включает CaCl₂ и одно или несколько соединений из числа NaCl, KCl, BaCl₂, CaF₂, LiCl и CaO, и молярная концентрация CaCl₂ в этой системе с хлорсодержащей системе составляет не менее 50%, осуществление электрохимической реакции, при которой посредством сплавляющей среды, соприкасающейся с анолитом и католитом, обеспечивают межфазные поверхности для протекания электрохимической реакции ионов/атомов алюминия, а также передачу атомов алюминия, при этом твердый сырьевой оксид алюминия располагают на межфазной поверхности между анолитом и сплавляющей средой, плотность которой превышает таковую у сырьевого оксида алюминия, получение металлического алюминия в катодной камере, причем при использовании анолита с относительно низкой растворимостью в отношении сырьевого оксида алюминия, или когда скорость добавления сырьевого оксида алюминия относительно высока, содержание алюминия в сплавляющей среде снижают для обеспечения плотности сплавляющей среды, которая будет выше плотности сырьевого оксида алюминия, сплавляющая среда представляет собой сплав, образованный Al и одним или несколькими элементами из числа Cu, Sn, Zn, Ga, In и Sb, а предпочтительно сплав Al-Cu, содержание Al в котором составляет 40-75% масс.; а также использование сплавляющей среды, способной оставаться в жидком состоянии при нормальном электролизе и обладающей плотностью выше, чем плотность анолита или католита. Технический результат – отсутствие необходимости в соблюдении требований к промышленному электролиту по растворимости сырьевого оксида алюминия, возможность непрерывного получения металлического алюминия с высокой чистотой и увеличение энергоэффективности электролитической ячейки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 14 пр.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области электролиза алюминия, а конкретно к способу получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Являясь важным легким металлом, алюминий широко используется для транспортировки, в оборудовании, упаковке, строительных материалах, электропроводке и т.д. В 2020 году производство первичного алюминия (электролитического алюминия) в Китае составило 37,08 миллионов тонн, заняв первое место в первой десятке цветных металлов.

В текущем способе получения металлического алюминия по-прежнему используется традиционный процесс электролиза в расплавленной соли Холла-Эру. За счет использования в данном процессе электролитической ячейки с предварительно обожженными анодами, включая угольный анод, криолитового расплавленного солевого электролита и угольного катода сырьевой оксид алюминия подвергается электролизу при температуре 900-960°C для получения первичного алюминия, и в то же время, происходит непрерывный износ угольного анода для получения газа на основе CO₂. Данный способ, несмотря на то, что он широко используется, по-прежнему сталкивается с рядом проблем: (i) угольные аноды изнашиваются в большом количестве, и их необходимо периодически заменять, что влияет на эффективность производства. Кроме того, получаемая газообразная смесь, содержащая CO₂, CO, SO₂ и фторуглерод, может загрязнять окружающую среду. (ii) Обычный угольный катод обладает низкой способностью к смачиванию жидким алюминием, что не только повышает напряжение ячейки, но и приводит к появлению большого количества отработанных угольных блоков, содержащих токсические вещества, после их повреждения. (iii) Относительно высокие требования к химическим компонентам и физическим свойствам сырьевого оксида алюминия приводят к тому, что промышленность высшего уровня, обрабатывающая оксид алюминия, сталкивается с трудностями обескремнивания, а использовать боксит и вторичные алюминийсодержащие ресурсы низкого качества экономически невыгодно. (iv) Чистота первичного алюминия в качестве продукта электролиза составляет лишь 99,00-99,85%, а такие примесные элементы, как Si и Fe сильно и отрицательно влияют на характеристики и применение первичного алюминия. (v) Для электролиза требуется высокое энергопотребление. Потребление энергии на тонну алюминия составляет приблизительно 13 000 кВт/ч, а коэффициент полезного действия - лишь около 50%. Если перерабатываемый алюминий получают путем электрического рафинирования первичного алюминия, для этого потребуется мощность свыше 12 000 кВт/ч/т Al.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача

Для решения вышеприведенных проблем исследователями предлагались многочисленные решения, включая использование низкотемпературного электролита, инертных анодов и смачиваемых катодов.

Цель использования низкотемпературного электролита заключается в экономии энергии и сокращении потребления за счет снижения температуры электролиза. Низкотемпературный электролит включает в себя: системы с применением натриевого криолита (Na₃AlF₆) с низким содержанием криолита, литиевого криолита (Li₃AlF₆), калиевого криолита (K₃AlF₆) и смешанных криолитовых систем. Системы с применением натриевого криолита с низким криолитным отношением или системы с применением литиевого криолита могут значительно снизить растворимость и скорость растворения оксида алюминия, а нерастворенный сырьевой оксид алюминия без труда может осесть на дно жидкого алюминия у катода (плотность сырьевого оксида алюминия превосходит таковую у жидкого алюминия у катода), образуя катодную корку, которая приведет к нарушению и неорганизованности процесса электролиза и отрицательно скажется на нормальном режиме работы в процессе электролиза. Системы с применением калиевого криолита оказывают хороший растворяющий эффект на оксид алюминия, но K⁺ может провоцировать сильную коррозию и повреждения угольного блока катода в нижней части электролитической ячейки, что приводит к повреждению или сокращению срока службы этой ячейки, вследствие чего обычно запрещено добавлять калиевую соль в расплавленный солевой электролит. В результате самым распространенным электролитом для электролиза алюминия по-прежнему остается система с применением натриевого криолита с рабочей температурой 900°C или выше.

Использование инертных анодов имеет преимущества в плане отсутствия выбросов парниковых газов и необходимости частой замены электродов. Проводились широкие исследования материалов инертных анодов. Однако инертные аноды склонны к коррозии и повреждениям в рабочей среде за счет высокой температуры (>900°C) и расплавленной фторидной соли, а вырабатывающиеся примесные ионы без труда могут попасть в первичный алюминий, что приводит к загрязнению продукта. Таким образом, инертные аноды по-прежнему не используются в промышленности в крупных масштабах. В увлажняемых катодах обычно используется композитный материал TiB₂ и графит, но использование увлажняемых катодов по-прежнему сталкивается с некоторыми проблемами, такими как высокое потребление на ячейку, высокая стоимость и высокая склонность к отделению и всплыванию на поверхность TiB₂.

В заключение, данные текущие способы получения алюминия в виде металла в традиционной электролитической ячейке за счет использования основного промышленного продукта, оксида алюминия, в качестве сырьевого материала не только остро требуют полного растворения оксида алюминия в электролите, но также осложняют обеспечение чистоты продукта из металлического алюминия. Кроме того, проблемы низкой приспособляемости, высоких эксплуатационных требований и высокой стоимости осложняют промышленное применение и продвижение вышеприведенных способов.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Техническое решение

Цель настоящего изобретения заключается в предложении способа получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли.

В настоящем способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли в соответствии с конкретными вариантами реализации настоящего изобретения за счет использования электролитической ячейки, разделенной на анодную и катодную камеры, после включения ячейки для работы в анодную камеру добавляется оксид алюминия для получения продукта в виде металлического алюминия в катодной камере.

Анодная и катодная камеры предназначены для физического отделения анолита от католита, и анодная камера оснащена анодом, а катодная - катодом.

Дно электролитической ячейки заполнено сплавляющей средой, и эта сплавляющая среда, соответственно, соприкасается с анолитом и католитом, а также предназначена для обеспечения межфазных поверхностей для электрохимической реакции ионов/атомов алюминия и служит в качестве среды для передачи атомов алюминия.

Общий процесс электролиза оксида алюминия в расплавленной соли включает в себя: сырьевой оксид алюминия в анодной камере добавляется в анолит, на аноде происходит реакция окисления, в то время как выделяется газ, и ионы алюминия (растворенного и/или нерастворенного) в анодной камере восстанавливаются до атомов алюминия на межфазной поверхности между анолитом и сплавляющей средой, которая попадает в жидкую сплавляющую среду. Атомы алюминия в среде из сплава в катодной камере теряют электроны на межфазной поверхности между католитом и сплавляющей средой для образования ионов алюминия, которые поступают в католит, и эти ионы алюминия в католите восстанавливаются до атомов алюминия для образования жидкого металлического алюминия, который плавает в католите.

При включении электролитической ячейки для работы плотность анодного тока устанавливают на 0,15-1,5 А/см², а температуру - на 700-950°C при нормальных рабочих условиях. Конкретная рабочая температура зависит от конкретных компонентов анолита, католита или жидкого сплава, но важно удостовериться в том, что рабочая температура выше, чем температура ликвидуса анолита или католита, а также температуры затвердевания сплавляющей среды. На этапе промышленного применения рабочая температура в катодной и анодной камерах может быть одинаковой или отличаться, и этого можно добиться путем установления разных условий рассеивания/выработки тепла, например, путем регулировки расстояния между электродом и сплавляющей средой или принудительным рассеиванием тепла, либо же пространственной расстановкой анодной и катодной камер так, чтобы они не примыкали друг к другу.

Сырьевой оксид алюминия, используемый в настоящем изобретении, может быть представлен оксидом алюминия уровня металлургического предприятия (согласно отраслевому стандарту YS/T 803-2012 Металлургический глинозем) или оксидом алюминия с избыточным количеством примесей, таких как кремний или железо, или оксидом алюминия с неудовлетворительными физическими свойствами (например, конкретной площадью поверхности и зернистости частиц) согласно стандарту «Металлургический глинозем», или же могут использоваться/задействоваться вторичные алюминийсодержащие ресурсы, такие как алюминиевая зола, алюминиевый шлак, летучая зола с большим содержанием алюминия и отработанный оксид алюминия.

Содержание Al в продукте в виде металлического алюминия составляет ≥99,90% масс., а содержание металлических примесей соответствует требованиям к переработанному алюминию или продукту в виде алюминия высокой чистоты.

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения анолит представляет собой фторсодежащую или хлорсодержащую систему.

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения анолит представлен системой с применением фторида, содержащей 60-90% масс. криолита, 5-30% масс. AlF₃, 1-10% масс. Al₂O₃ и 0-15% масс. добавки. Криолит представлен одним или несколькими соединениями из числа Na₃AlF₆, Li₃AlF₆ и K₃AlF₆, а добавка - одним или несколькими соединениями из числа LiF, NaF, KF, CaF₂, MgF₂, BaF₂ и NaCl.

Согласно общеизвестным сведениям на этом уровне техники, электролит, содержащий AlF₃ и MeF (Me=Li, Na, K) в молярном соотношении 1:3, и электролит, содержащий Me₃AlF₆ (Me=Li, Na, K), эквивалентны и взаимозаменяемы. Вышеприведенные компоненты и композиции являют собой лишь общее представление, и также существует множество других представлений. Например, весовая концентрация может быть преобразована в молярную долевую концентрацию. Если компонент Me₃AlF₆ (Me=Li, Na, K) заменяется двумя компонентами AlF₃ и MeF (Me=Li, Na, K), электролит включает в себя AlF₃, MeF (Me=Li, Na, K), Al₂O₃ и добавку.

Анолит в системе с применением фторида содержит компонент криолит (Me₃AlF₆, Me=Li, Na, K) и, таким образом, обладает определенной растворимостью под действием сырьевого оксида алюминия. Путем добавления AlF₃ и других фторидов и хлоридов температура ликвидуса электролита может быть снижена, а физические и химические свойства, такие как проводимость - отрегулированы. При добавлении сырьевого оксида алюминия в систему с применением фторида оксид алюминия подвергается реакции растворения и вырабатывает растворенные алюминийсодержащие ионы (например, AlF₄ ^-, AlOF₅ ^4- и другие алюминийсодержащие ионы, единообразно обозначаемые как Al³⁺), а также кислородсодержащие ионы (например, AlOF₅ ^4-, Al₂OF₁₀ ^6- и другие кислородсодержащие ионы, единообразно обозначаемые как O^2-). Под действием электрического поля кислородсодержащие ионы в анодной камере проходят процесс окисления на аноде, и отделяется O₂ или CO_x (x=1 или 2); а также алюминийсодержащие ионы проходят реакцию восстановления на межфазной поверхности между анолитом и сплавляющей средой, и вырабатываются атомы алюминия, которые попадают в сплавляющую среду.

Уравнения:

графитовый анод: O^2--2e^-+1/xC→1/xCO_x↑ (x=1 или 2)

или инертный анод: O^2--2e^-→0,5O₂↑

межфазная поверхность: Al³⁺+3e^-→Al (сплавляющая среда)

Твердый сырьевой оксид алюминия на межфазной поверхности между сплавляющей средой и анолитом (плотность сплавляющей среды превышает таковую у сырьевого оксида алюминия) может продолжить растворение в анолите и вырабатывать алюминийсодержащие ионы, непрерывно поглощаемые на межфазной поверхности, с тем, чтобы снизилась концентрационная поляризация и предотвращались побочные реакции, или же сырьевой оксид алюминия может непосредственно подвергаться реакции восстановления на межфазной поверхности для обеспечения непрерывного восстановления алюминийсодержащих ионов в анодной камере до атомов алюминия, попадающих в сплавляющую среду.

Реакция межфазной среды:

Al₂O₃+6e^-→2Al (сплавляющая среда)+3O^2-

Как видно из вышеприведенного, даже нерастворенный или насыщенный сырьевой оксид алюминия все же может участвовать в реакции на межфазной поверхности, то есть, используемые способ и электролитическая ячейка преодолели ограничение, которое требует полного растворения оксида алюминия в электролите. Таким образом, фтористый анолит может использовать не только традиционные системы с применением натриевого криолита, но также системы с применение натриевого криолита с низким содержанием криолита, системы с применением литиевого криолита и смешанные системы, в которых наблюдается немного меньшая растворимость оксида алюминия, но они обеспечивают достижение цели касательно низкотемпературного электролиза. Разумеется, для фтористого анолита также может использоваться система с применением калиевого криолита или криолитовая система, содержащая калиевую соль, что может обеспечить достижение цели касательно низкотемпературного электролиза, а также имеет преимущества в виде относительно хорошей растворимости оксида алюминия и отсутствия повреждений угольного блока катода со стороны K⁺.

Конкретно, фтористая система включает в себя, помимо прочего:

традиционную систему с применением натриевого криолита, содержащую 80-90% масс. Na₃AlF₆, 5-15% масс. AlF₃, 2-10% масс. Al₂O₃ и 3-10% масс. одной или нескольких добавок, подобранных из числа CaF₂, MgF₂, LiF, KF и NaCl;

криолитовую систему с применением натриевого криолита с низким молекулярным соотношением I, содержащую 60-85% масс. Na₃AlF₆, 10-25% масс. AlF₃, 1-10% масс. Al₂O₃ и 1-15% масс. одной или нескольких добавок, подобранных из числа CaF₂, MgF₂, LiF и KF;

криолитовую систему с применением натриевого криолита с низким молекулярным соотношением II, содержащую 50-75% масс. Na₃AlF₆, 20-35% масс. AlF₃, 1-8% масс. Al₂O₃ и не более 10% одной или нескольких добавок, подобранных из числа CaF₂, MgF₂, LiF и KF;

систему с применением калиевого криолита, содержащую 60-90% масс. K₃AlF₆, 6-30% масс. AlF₃, 1-10% масс. Al₂O₃ и не более 10% масс одной или нескольких добавок, подобранных из числа CaF₂, MgF₂, NaF и LiF;

криолитовую систему с применением литиевого криолита, содержащую 50-70% масс. Na₃AlF₆, 5-45% масс. Li₃AlF₆, 5-25% масс. AlF₃, 1-8% масс. Al₂O₃ и не более 10% масс. одной или нескольких добавок, подобранных из числа CaF₂, MgF₂ и KF;

криолитовую систему с применением натриевого криолита I, содержащую 50-80% масс. Na₃AlF₆, 5-30% масс. K₃AlF₆, 10-30% масс. AlF₃, 1-10% масс. Al₂O₃ и не более 10% масс. одной или нескольких добавок, подобранных из числа LiF, CaF₂ и MgF₂; а также

криолитовую систему с применением натрия/калия II, содержащую 30-50% масс. Na₃AlF₆, 20-50% масс. K₃AlF₆, 10-30% масс. AlF₃, 1-10% масс. Al₂O₃, 1-10% масс. LiF и не более 5% масс. CaF₂ или/и MgF₂.

Вышеприведенные системы имеют собственные характеристики. Для примера возьмем криолитовую систему с применением натрия/калия. Эта система содержит больше K₃AlF₆, что может повысить растворимость сырьевого оксида алюминия и действовать совместно с добавленным AlF₃ для обеспечения снижения температуры ликвидуса анолита для достижения цели в виде низкотемпературного электролиза; и LiF помогает в улучшении проводимости электролита. В то же время, данный электролит, содержащий большое количество калиевой соли, редко используется в традиционных электролитических ячейках, иначе проникновение и повреждения угольного блока катода на дне ячейки от K⁺ сильно сократят срок службы электролитической ячейки.

Более того, для регулировки физических и химических свойств, таких как проводимость и температура ликвидуса анолита в системе с применением фторида, в нее могут быть добавлены щелочные и щелочноземельные металлы, но общее количество добавляемых хлоридов не должно превышать 5% масс., иначе это отрицательно скажется на стабильности электролита.

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли в соответствии с конкретными вариантами осуществления настоящего изобретения анолит представлен системой с применением хлорида; и эта система с применением хлорида представлена CaCl₂ или же включает в себя CaCl₂ и одно или несколько соединений из числа LiCl, NaCl, KCl, BaCl₂, CaF₂ и LiF, и молярная концентрация CaCl₂ в этой системе с применением хлорида составляет не менее 50%.

Вышеприведенный анолит системы с применением хлорида обладает крайне низкой растворимостью в сырьевом оксиде алюминия, но в определенной степени растворим в O^2-. При добавлении сырьевого оксида алюминия в анолит системы с применением хлорида под действием электрического поля твердый сырьевой оксид алюминия напрямую подвергается реакции восстановления на межфазной поверхности между анолитом и сплавляющей средой. Ионы алюминия восстанавливаются до атомов алюминия, которые попадают в сплавляющую среду, а расщепленный O^2- растворяется в анолите и переходит на анод, после чего подвергается реакции окисления на поверхности анода.

Уравнения:

межфазная поверхность: Al₂O₃+6e^-→2Al (сплавляющая среда)+3O^2-

графитовый анод: O^2--2e^-+1/xC→1/xCO_x↑ (x=1 или 2)

или инертный анод: O^2--2e^-→0,5O₂↑

Кроме того, для регулировки физических и химических свойств анолита системы с применением хлорида в нее могут быть добавлены фториды щелочных металлов, фториды щелочноземельных металлов, фториды алюминия и оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. С сырьевым оксидом алюминия также могут быть смешаны углеродный проводящий элемент или металлический порошок, и сырьевой оксид алюминия может быть сформован и подвергнут спеканию для улучшения его электрохимической реакционной способности на межфазной поверхности.

В анодной камере примеси оксида алюминия будут иметь разные электрохимические характеристики вследствие разности их потенциалов осаждения. Такие примеси как Li, Ca и Na, которые активнее Al, будут обогащаться в анолите, такие примеси как Fe, Si, Mn и Ti, которые инертнее Al, будут восстанавливаться и обогащаться в сплавляющей среде.

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения католит представляет собой систему с использованием только фторида или фторида/хлорида.

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения католит представляет собой систему с применением только фторида, содержащую 20-40% масс. BaF₂, 30-50% масс. AlF₃, 15-40% масс NaF и не более 20% масс добавки, и добавка представлена одним или несколькими соединениями из числа CaF₂, LiF, Li₃AlF₆ и MgF₂.

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения католит представляет собой систему с применением фторида/хлорида, содержащую 50-70% масс. BaCl₂, 15-30% масс. AlF₃, 10-30% масс. NaF и 0-15% масс. добавки, и добавка представлена одним или несколькими соединениями из числа LiF, Li₃AlF₆, CaF₂, MgF₂, NaCl, LiCl, CaCl₂ и MgCl₂.

В катодной камере атомы алюминия в сплавляющей среде теряют электроны на межфазной поверхности между сплавляющей средой и католитом, а вырабатывающийся Al³⁺ (Al³⁺ обозначает все алюминийсодержащие ионы, такие как AlF₄ ^-) попадает в католит. Al³⁺ в католите восстанавливается до атомов алюминия в межфазной поверхности между катодом или жидким металлическим алюминием и католитом, а потом попадает в продукт из жидкого металлического алюминия.

Уравнения:

межфазная поверхность: Al (сплавляющая среда)-3e^-→Al³⁺

катод: Al³⁺+3e^-→Al (жидкий металлический алюминий)

Примеси Fe, Si и Mn в сплавляющей среде обладают менее активными электрохимическими свойствами, чем Al, и, таким образом, не подвергаются реакции окисления, но остаются в жидкой сплавляющей среде, за счет чего оказывают незначительное влияние на продукт катода из металлического алюминия. Однако, по ходу электролиза примеси Fe и Si в сплавляющей среде непрерывно обогащаются, а концентрации - увеличиваются. В этот момент сплавляющую среду необходимо извлекать для очистки, а очищенную среду вернуть в электролитическую ячейку для продолжения работы. Например, извлеченная сплавляющая среда может быть подвергнута конденсации для первоначальной кристаллизации и выпадения промежуточной металлической фазы, содержащей Fe, с высокой температурой плавления или элементарного кремния в осадок, или же сплавляющую среду можно использовать как анод и окислить путем электролиза для выпадения Al, Fe и Si в ней в осадок.

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения анод представляет собой угольный анод или инертный анод.

Инертный анод включает в себя керамические материалы (например, SnO₂ и примесные SnO₂, NiFe₂O₄, CaTiO₃, CaRuO₃, CaRu_xTi_1-xO₃ и ITO), металлические материалы (например, сплав Cu-Al , сплав Ni-Fe или сплав Ni-Fe-Cu), металлокерамические композитные материалы (например, Cu-NiFe₂O₄, Cu-NiO-NiFe₂O₄, Ni-NiO-NiFe₂O₄, Cu-Ni-NiO-NiFe₂O₄ и Ni-CaRu_xTi_1-xO₃).

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения катод представляет собой один или несколько композитных материалов из числа графита, алюминия и инертный смачиваемый катод (например, TiB₂, TiB₂/C ил ZrB₂).

В способе получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения сплавляющая среда представляет собой сплав, образованный Al и одним или несколькими элементами из числа Cu, Sn, Zn, Ga, In и Sb, а предпочтительно сплав Al-Cu, содержание Al в котором составляет 40-75% масс., а сплавляющая среда остается в жидком состоянии при нормальном электролизе и обладает плотностью выше, чем плотность анолита и католита.

Состав сплавляющей среды может определяться по фазовой диаграмме сплава согласно конкретной рабочей температуры. Например, сплав Al-Cu с содержанием Al 40-75% масс. имеет температуру плавления менее 700°C, поэтому при проведении электролиза при любой температуре от 700 до 950°C с данным составом можно использовать сплавляющую среду из Al-Cu.

При использовании анолита системы с применением фторида или хлорида с относительно низкой растворимостью в отношении сырьевого оксида алюминия, или когда скорость добавления относительно высока, содержание Al в сплавляющей среде можно соответствующим образом снизить для обеспечения плотности сплавляющей среды, которая будет выше плотности сырьевого оксида алюминия.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Положительные эффекты

(1) Невысокие требования к сырьевому материалу и высокая чистота продукта: Электролитическая ячейка, используемая в настоящем способе, обеспечивает функции очистки и удаления примесей. На основании разной поляризации потенциалов различных элементов из числа примесей в сырьевом оксиде алюминия элементы (например, Li, Na, K, Ca и Mg) с большей активностью, чем у алюминия, будут обогащаться в электролите, а элементы (например, Si, Ti, Fe, V и Mn) с большей инертностью, чем у алюминия, будут обогащаться в сплавляющей среде. Для всех данных примесей представляет сложность попадание в продукт из металлического алюминия, за счет чего может обеспечиваться чистота продукта из металлического алюминия (содержание алюминия ≥99,90% масс.), а диапазоны содержания примесей, особенно кремния и железа, в сырьевом оксиде алюминия могут быть надлежащим образом расширены.

(2) Высокая приспособляемость и возможность непрерывного получения: в настоящем способе в качестве сырьевого материала используется основной промышленный продукт из оксида алюминия для непосредственного и непрерывного получения продукта из металлического алюминия высокой чистоты, за счет чего предотвращается использование текущего процесса получения переработанного алюминия посредством начального электролиза алюминия с последующей переработкой первичного алюминия, сокращение времени получения и экономия производственных расходов. Кроме того, дно электролитической ячейки заполняется сплавляющей средой, содержащей тяжелые металлы и алюминий. Даже добавленный в избыточном количестве или частично перенасыщенный сырьевой оксид алюминия будет продолжать принимать участие в растворении или электрохимической реакции на межфазной поверхности между жидкой сплавляющей средой и анолитом, за счет чего улучшается эксплуатационная приспособляемость электролитической ячейки и снижаются требования к растворимости сырьевого оксида алюминия.

(3) Широкий выбор электролитов: в настоящем способе отсутствует необходимость в соблюдении требований к промышленному электролиту по растворимости сырьевого оксида алюминия, а также в использовании угольного блока катода, чувствительного к K⁺, на дне ячейки. Таким образом, могут использоваться электролиты традиционных систем с применением натриевого криолита и многие низкотемпературные электролиты (включая системы с применением натриевого криолита с низким содержанием криолита, системы с применением литиевого криолита, системы с применением калиевого криолита и смешанные системы) и, более того, в качестве анолита также могут использоваться системы с применением хлорида. Использование низкотемпературного электролита помогает сэкономить энергию и снизить потребление в отрасли электролиза алюминия.

(4) Возможность использования инертного анода: после использования низкотемпературного электролита фторидной или хлоридной системы предотвращается сильная коррозия фторидов, воздействующая на инертный анод при высокой температуре, и, тем самым, продлевается срок службы инертного анода. Примесные элементы, вырабатываемые инертным анодом, подвергающимся коррозии, будут оставаться в электролите или сплавляющей среде и не смогут без труда попасть в продукт из металлического алюминия, за счет чего обеспечивается чистота продукта. Кроме того, на поверхности инертного анода образуется чистый и безопасный O₂, и отсутствует парниковый газ CO₂ или токсические и вредные газы.

(5) Энергосбережение и экологичность: непрерывное получение металлического алюминия высокой чистоты может быть реализовано в одной электролитической ячейке, за счет чего повышается использование площади и соответствующим образом снижаются потери тепла. В сочетании с низкотемпературным электролитом и инертным анодом можно дополнительно экономить электроэнергию и увеличивать энергоэффективность. Кроме того, отсутствуют выбросы выхлопного газа, такие как парниковый или токсичный газ, или выработка отработанного шлака, например, отработанных катодных угольных блоков.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Краткое описание чертежей

Для более четкой иллюстрации примеров настоящего изобретения или технических решений на предыдущем уровне техники далее будет приведено краткое описание прилагаемых чертежей, используемых для описания примеров или предыдущего уровня техники. Очевидно, что в прилагаемых чертежах в следующем описании показаны только некоторые примеры настоящего изобретения, и на основании этих прилагаемых чертежей специалистами в этой области техники без творческих усилий могут быть получены другие чертежи.

ФИГ. 1 - схематический вид в разрезе электролитической ячейки по настоящему изобретению.

На фигуре: 1 - анод, 2 - корпус электролитической ячейки, 3 - анолит, 4 - сплавляющая среда, 5 - католит, 6 - продукт из металлического алюминия, 7 - катод.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Подробное описание изобретения

Для большей понятности целей, технических решений и преимуществ настоящего изобретения далее будет приведено описание технических решений по нему. Очевидно, что описываемые примеры представляют собой лишь некоторые примеры настоящего изобретения, а не все из них. Все другие варианты осуществления, получаемые специалистом в данной области техники, основывающиеся на примерах настоящего изобретения без приложения творческих усилий, укладываются в объем правовой охраны настоящего изобретения.

Способ получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли по настоящему изобретению осуществляется при температуре 700-950°C в среде, снабжаемой энергией, и плотность анодного тока составляет 0,1-1,5 А/см². Сырьевой оксид алюминия добавляется в анолит анодной камеры, анод теряет электроны и выделяет газ, а ионы алюминия (растворенные и/или нерастворенные) восстанавливаются и попадают в жидкую сплавляющую среду. В то же время, атомы алюминия в сплавляющей среде в катодной камере теряют электроны на межфазной поверхности для образования ионов алюминия, которые попадают в католит, и ионы алюминия в католите восстанавливаются до атомов металлического алюминия, которые попадают в жидкий алюминий, плавающий на поверхности католита.

Скорость добавления сырьевого оксида алюминия вычисляется и определяется на основании плотности и эффективности тока по закону Фарадея.

В настоящем изобретении анолит и католит физически разделены электролитической ячейкой, и как анолит, так и католит соприкасаются со сплавляющей средой, чтобы сплавляющая среда завершила реакцию ионов/атомов алюминия на межфазной поверхности и перемещение атомов алюминия. Таким образом, для эффективного отделения католита от анолита на ФИГ. 1 представлена конструкция электролитической ячейки.

Корпус электролитической ячейки 2 в пространстве разделен на анодную и катодную камеры. Анодная камера заполняется анолитом 3, и в анолит 3 вводится анод 1. Катодная камера заполняется католитом 5, и в католит 5 или продукт в виде жидкого металлического алюминия 6 вводится катод 7. Дно электролитической ячейки заполняется сплавляющей средой 4, которая соприкасается с анолитом 3 и католитом 5 соответственно, но не соприкасается с анодом 1 или катодом 7.

В дополнение к электролитической ячейке, представленной на ФИГ. 1, конструкция электролитической ячейки может быть спроектирована в различных формах, например, она может быть П-образной формы. Кроме того, электролитическая ячейка может иметь разную форму. Например, электролитическая ячейка может не ограничиваться круглым дном, но также у нее может быть трапециевидное или плоское дно.

Любая электролитическая ячейка для алюминия, в которой можно реализовать физическое отделение анолита от католита, а также можно задействовать посредническую функцию сплавляющей среды, может применяться в отношении способа по настоящему изобретению.

При крупномасштабном применении электролитические ячейки могут работать и соединяться последовательно или параллельно.

Пример 1

Дно электролитической ячейки было заполнено предварительно легированным сплавом Cu-Al, содержание Al в котором составляло 60% масс. И анод, и катод были представлены графитовыми стержнями.

Анолит включал в себя: 80,3% масс. Na₃AlF₆+12,2% масс. AlF₃+2,5% масс. Al₂O₃+3.0% масс. CaF₂+1,0% масс. MgF₂+1,0% масс. LiF.

Католит включал в себя: 35,0% масс. BaF₂+30,0% масс. AlF₃+30,0% масс. NaF+5,0% масс. CaF₂.

Электролитическая ячейка была разогрета до 940°C и выдержана в течение 2 ч. Электролитическая ячейка была включена с одновременным выставлением плотности тока анода на 1,2 А/см². После начала электролиза регулярно добавлялся сырьевой оксид алюминия с содержанием Al₂O₃, равным 95,5% масс., и общее время электролиза составило 10 ч.

По завершении электролиза содержание Al в продукте из металлического алюминия на катоде составляло 99,980%.

Пример 2

Дно электролитической ячейки было заполнено предварительно легированным сплавом Cu-Al-Zn, содержание Al в котором составляло 60% масс., а Zn - 5% масс. Анод был представлен графитовым стержнем, а катод - графитом с покрытием из TiB₂.

Анолит включал в себя: 50,0% масс. Na₃AlF₆+30,0% масс. Li₃AlF₆+13,5% масс. AlF₃+2,0% масс. Al₂O₃+3,0% масс. CaF₂+1,5% масс. MgF₂.

Католит включал в себя: 65,0% масс. BaCl₂+20,0% масс. AlF₃+13,0% масс. NaF+2,0% масс. NaCl.

Электролитическая ячейка была разогрета до 860°C и выдержана в течение 2 ч. Постоянный ток подавался так, чтобы плотность тока анода составляла 0,6 А/см². После начала электролиза регулярно добавлялся сырьевой оксид алюминия с содержанием Al₂O₃, равным 91,2% масс., и общее время электролиза составило 10 ч.

По завершении электролиза содержание Al в продукте из металлического алюминия на катоде составляло 99,970%.

Пример 3

Дно электролитической ячейки было заполнено предварительно легированным сплавом Cu-Al, содержание Al в котором составляло 50% масс. Анод был представлен графитовым стержнем, а катод - графитом с покрытием из TiB₂.

Анолит был представлен CaCl₂.

Католит включал в себя: 20,0% масс. BaF₂+35,0% масс. AlF₃+30,0% масс. NaF+15.0% масс. CaF₂.

Электролитическая ячейка была разогрета до 850°C и выдержана в течение 2 ч. Постоянный ток подавался так, чтобы плотность тока анода составляла 0,7 А/см². Перед и после начала электролиза регулярно добавлялся сырьевой оксид алюминия с содержанием Al₂O₃, равным 98,8% масс., и общее время электролиза составило 10 ч.

По завершении электролиза содержание Al в продукте из металлического алюминия на катоде составляло 99,989%.

Пример 5

Дно электролитической ячейки было заполнено предварительно легированным сплавом Sn-Al, содержание Al в котором составляло 20% масс. Анод был представлен графитовым анодом, а катод - графитом с покрытием из TiB₂.

Анолит включал в себя CaCl₂ и LiCl в молярном соотношении 1:1.

Католит включал в себя: 60,0% масс. BaCl₂+20,0% масс. AlF₃+15.0% масс. NaF+5,0% масс. LiCl.

Электролитическая ячейка была разогрета до 800°C и выдержана в течение 2 ч. Постоянный ток подавался так, чтобы плотность тока анода составляла 0,4 А/см². Перед и после начала электролиза регулярно добавлялся сырьевой оксид алюминия с содержанием Al₂O₃, равным 97,2% масс., и общее время электролиза составило 15 ч.

По завершении электролиза содержание Al в продукте из металлического алюминия на катоде составляло 99,986%.

Пример 6

Дно электролитической ячейки было заполнено предварительно легированным сплавом In-Al, содержание Al в котором составляло 10% масс. И анод, и катод были представлены графитовыми стержнями.

Анолит включал в себя: 65,0% масс. Na₃AlF₆+20,5% масс. AlF₃+3,5% масс. Al₂O₃+8,0% масс. KF+3,0% масс. CaF₂.

Католит включал в себя: 25,0% масс. BaF₂+36,0% масс. AlF₃+27,0% масс. NaF+10,0% масс. CaF₂+2,0% масс. Li₃AlF₆.

Электролитическая ячейка была разогрета до 900°C и выдержана в течение 2 ч. Постоянный ток подавался так, чтобы плотность тока анода составляла 0,5 А/см². После начала электролиза регулярно добавлялся сырьевой оксид алюминия с содержанием Al₂O₃, равным 98,9% масс., и общее время электролиза составило 12 ч.

По завершении электролиза содержание Al в продукте из металлического алюминия на катоде составляло 99,994%.

Пример 7

Дно электролитической ячейки было заполнено предварительно легированным сплавом Cu-Al, содержание Al в котором составляло 45% масс. Анод был представлен инертным анодом из керамического материала CaRuO₃, а катод был представлен композитным материалом TiB₂/C.

Анолит включал в себя CaCl₂, NaCl и CaO в молярном соотношении 50:48:2.

Католит включал в себя: 60,0% масс. BaCl₂+23,0% масс. AlF₃+17,0% масс. NaF.

Электролитическая ячейка была разогрета до 840°C и выдержана в течение 2 ч. Постоянный ток подавался так, чтобы плотность тока анода составляла 0,2 А/см². Перед и после начала электролиза регулярно добавлялся сырьевой оксид алюминия с содержанием Al₂O₃, равным 94,6% масс., и общее время электролиза составило 20 ч.

По завершении электролиза содержание Al в продукте из металлического алюминия на катоде составляло 99,975%.

Пример 8

Дно электролитической ячейки было заполнено предварительно легированным сплавом Cu-Al, содержание Al в котором составляло 70% масс. Анод был представлен инертным анодом из NiFe₂O₄: NiO - 18% масс., металлокерамические композитные материалы с Cu - 17% масс., а катод был представлен графитовым стержнем.

Анолит включал в себя: 42,3% масс. Na₃AlF₆+28,2% масс. K₃AlF₆+23,0% масс. AlF₃+2,5% масс. Al₂O₃+4,0% масс. LiF.

Католит включал в себя: 22,0% масс. BaF₂+46,0% масс. AlF₃+26,0% масс. NaF+4,0% масс. CaF₂+2,0% масс. LiF.

Электролитическая ячейка была разогрета до 880°C и выдержана в течение 2 ч. Постоянный ток подавался так, чтобы плотность тока анода составляла 1,0 А/см². После начала электролиза регулярно добавлялся сырьевой оксид алюминия с содержанием Al₂O₃, равным 99,1% масс., и общее время электролиза составило 10 ч.

По завершении электролиза содержание Al в продукте из металлического алюминия на катоде составляло 99,999%.

Пример 9

Сравнительный пример отличался от примера 4 тем, что: на основе анолита, включающего в себя 70,0% масс. K₃AlF₆+21,5% масс. AlF₃+3,5% масс. Al₂O₃+4,0% масс. LiF+1,0% масс. CaF₂, были добавлены 10% масс. Al₂O₃, а сплавляющая среда была представлена сплавом Cu-Al, содержание Al в котором составляло 50% масс. Остальные условия были теми же. По завершении электролиза содержание Al в катодном продукте в виде металлического алюминия составило 99,991%, а кроме того, в сплавляющей среде все еще оставалось некоторое количество нерастворенного сырьевого оксида алюминия.

Можно логически предположить, что даже в случае слишком быстрого добавления сырьевого оксида алюминия или в слишком большом количестве он может оставаться в сплавляющей среде и продолжать участие в растворении/электрохимической реакции для обеспечения непрерывности процесса электролиза, и чистота получаемого продукта в виде металлического алюминия по-прежнему будет относительно высокой.

Сравнительный пример 1

Данный сравнительный пример отличался от примера 1 тем, что: дно электролитической ячейки не заполнялось сплавляющей средой. Электролит был аналогичен анолиту в примере 1, а остальные условия были такими же. По завершении электролиза продукт в виде металлического алюминия был извлечен из электролитической ячейки, и содержание Al в нем составляло 97,1%.

Это указывало на то, что при отсутствии сплавляющей среды не происходило разделение и отсутствовал эффект удаления примесей, основанные на электрохимической реакции в сплавляющей среде/на межфазной поверхности, и примесные элементы Si и Fe напрямую попадали в продукт в виде металлического алюминия, провоцируя снижение чистоты/сорта продукта.

Сравнительный пример 2

Данный сравнительный пример отличался от примера 4 тем, что: дно электролитической ячейки не заполнялось сплавляющей средой, и на основе электролита, включающего в себя 70,0% масс. K₃AlF₆+21,5% масс. AlF₃+3,5% масс. Al₂O₃+4,0% масс. LiF+1,0% масс. CaF₂, также были добавлены 10% масс. Al₂O₃ (поскольку отсутствует разделение сплавляющей среды, в электролитической ячейке находился только один электролит). Остальные условия были теми же. По окончании электролиза продукт в виде металлического алюминия в электролитической ячейке был извлечен, и содержание Al в нем составляло 97,8%, с содержанием Fe, Si, Cu, Ni и прочих примесных элементов. На дне ячейки также обнаружилось некоторое количество нерастворенного сырьевого оксида алюминия.

Это указывало на то, что сырьевой оксид алюминия, который добавлялся слишком быстро или в слишком больших количествах, вряд ли эффективно участвовал в растворении/электрохимической реакции, за счет чего на дне ячейке образовался осадок. Кроме того, без разделения и эффекта удаления примесей на основании электрохимической реакции на межфазной поверхности сплавляющей среды/электролита примесной элемент Si в сырьевом оксиде алюминия и такие элементы, как Cu, Ni и Fe, образовавшиеся после того, как поверхность инертного анода подверглась коррозии, напрямую попали в продукт в виде металлического алюминия, спровоцировав снижение чистоты этого продукта.

Сравнительный пример 3

Дно электролитической ячейки было заполнено металлическим алюминием с содержанием Al 99,8%. И анод, и катод были представлены графитовыми стержнями. Как анолит, так и католит включали в себя: 60,0% масс. Na₃AlF₆+12,0% масс. AlF₃+5,0% масс. NaF+2,0% масс. CaF₂+1,0% масс. MgF₂+10,0% масс. NaCl+10,0% масс. KCl. Электролитическая ячейка была помещена в среду, заполненную сухим аргоном. Электролитическая ячейка была разогрета до 940°C и выдержана в течение 2 ч. Электролитическая ячейка была включена с одновременным выставлением плотности тока анода на 0,8 А/см². После начала электролиза регулярно добавлялся сырьевой оксид алюминия уровня металлургического предприятия с содержанием Al₂O₃, равным 98,8% масс. Скорость добавления вычислялась и определялась на основании силы и эффективности тока по закону Фарадея, а общее время электролиза составило 10 ч. В процессе электролиза обнаружилось наличие раздражающего газообразного хлора, и напряжение при электролизе колебалось в относительно большом диапазоне. По завершении электролиза на поверхности католита в катодной камере не был обнаружен какой-либо продукт в виде металлического алюминия, а также имелись остатки так и не прореагировавшего сырьевого оксида алюминия под металлическим алюминием на дне электролитической ячейки, образовавшие осадок/корку на дне ячейки.

Сравнительный пример 4

Дно электролитической ячейки было заполнено металлическим алюминием с содержанием Al 99,8%. И анод, и катод были представлены графитовыми стержнями. Как анолит, так и католит включали в себя: 60,0% масс. Na₃AlF₆+12,0% масс. AlF₃+5,0% масс. NaF+2,0% масс. CaF₂+1,0% масс. MgF₂+10,0% масс. NaCl+10,0% масс. KCl. Более того, на поверхность католита был помещен алюминий высокой чистоты с содержанием Al, равным 99,999%. Электролитическая ячейка была помещена в среду, заполненную сухим аргоном. Электролитическая ячейка была разогрета до 940°C с термопрограммированием и выдержана в течение 2 ч. В ходе процесса было установлено, что расплавленный жидкий алюминий высокой чистоты не смог стабильно всплывать на поверхность католита, но автоматически оседал на дне ячейки, то есть, не удалось сформировать электрохимическую систему, представленную на ФИГ. 1.

Сравнительный пример 5

Дно электролитической ячейки было заполнено металлическим алюминием с содержанием Al 99,8%. И анод, и катод были представлены графитовыми стержнями. Анолит включал в себя: 60,0% масс. Na₃AlF₆+12,0% масс. AlF₃+5,0% масс. NaF+2,0% масс. CaF₂+1,0% масс. MgF₂+10,0% масс. NaCl+10,0% масс. KCl. Католит включал в себя: 35,0% масс. BaF₂+30,0% масс. AlF₃+30,0% масс. NaF+5,0% масс. CaF₂. Электролитическая ячейка была помещена в среду, заполненную сухим аргоном. Электролитическая ячейка была разогрета до 940°C с термопрограммированием и выдержана в течение 2 ч. В ходе процесса было установлено, что жидкий металлический алюминий на дне электролитической ячейки автоматически всплывал на поверхность католита, то есть, не удалось сформировать электрохимическую систему, представленную на ФИГ. 1.

Сравнительный пример 6

Корундовый плавильный тигель был заполнен расплавленными солями, включавшими в себя 35,0% масс. BaF₂+30,0% масс. AlF₃+30,0% масс. NaF+5,0% масс. CaF₂, в избыточном количестве был добавлен сырьевой оксид алюминия уровня металлургического предприятия, содержавший 98,8 5 масс. Al₂O₃, и он был выдержан при температуре 940°C в течение 2 ч, чтобы сырьевой оксид алюминия растворился в достаточной мере. Далее расплавленные соли, в которых был растворен насыщенный Al₂O₃, были извлечены для декантации, а нерастворенный сырьевой оксид алюминия и остаточные расплавленные соли были оставлены в корундовом тигле.

Дно электролитической ячейки было заполнено предварительно легированным сплавом Cu-Al, содержание Al в котором составляло 60% масс. И анод, и катод были представлены графитовыми стержнями. Вышеприведенные расплавленные соли, в которых был растворен насыщенный Al₂O₃Э, были использованы в качестве анолита, а католит был представлен 35,0% масс. BaF₂+30,0% масс. AlF₃+30,0% масс. NaF+5,0% масс. CaF₂. Электролитическая ячейка была помещена в среду, заполненную сухим аргоном. Электролитическая ячейка была разогрета до 940°C с термопрограммированием и выдержана в течение 2 ч. Электролитическая ячейка была включена с одновременным выставлением плотности тока анода на 0,8 А/см². В ходе процесса электролиза напряжение колебалось в сторону повышения и понижения, а позднее резко увеличилось, и электролиз был мгновенно остановлен.

Причиной такого явления могло быть то, что относительно большее количество Al₂O₃, растворенного в анолите в начале электролиза, могло поддерживать нормальный ход электролиза, но и сопротивление электролита, и напряжение ячейки были относительно высоки. По ходу электролиза Al₂O₃ в анолите непрерывно поглощался, а сопротивление электролита уменьшалось. Однако концентрационная поляризация привела к анодному эффекту, и напряжение колебалось, а также резко возросло позднее.

Кроме того, анолит содержал большое количество бариевой соли. Добавление бариевой соли значительно повысило растворимость оксида алюминия, из-за чего требовалось частое извлечение анолита, а сырьевой оксид алюминия необходимо было часто перемещать и растворять, что привело к низкой эффективности производства.

Вышеприведенное описание представляет собой исключительно конкретные варианты реализации настоящего изобретения, и оно не ограничивает объема правовой охраны настоящего изобретения. Любое изменение или замена, разработанные специалистом в этой области техники в рамках объема технической информации, раскрываемой согласно настоящему изобретению, должны укладываться в объем правовой охраны этого изобретения. Таким образом, объем правовой охраны настоящего изобретения укладывается в объем правовой охраны пунктов его формулы.

Claims (12)

1. Способ получения металлического алюминия путем электролиза оксида алюминия в расплавленной соли, включающий следующие этапы:

в первую очередь включают электролитическую ячейку, выполненную разделенной на анодную и катодную камеры, оснащенные инертным анодом и катодом соответственно, а также предназначенные для физического отделения анолита от католита, и дно которой заполнено сплавляющей средой, соприкасающейся с анолитом и католитом,

добавляют сырьевой оксид алюминия в анодную камеру, заполненную анолитом, представляющим собой фторсодержащую систему или хлорсодержащую систему, при этом фторсодержащая система содержит, % масс.: 60-90 криолита, 5-30 AlF₃, 1-10 Al₂O₃ и 0-15 добавки; и криолит представлен одним или несколькими соединениями из числа Na₃AlF₆, Li₃AlF₆ и K₃AlF₆, а добавка - одним или несколькими соединениями из числа LiF, NaF, KF, CaF₂, MgF₂, BaF₂ и NaCl, а хлорсодержащая система представлена CaCl₂ или же включает CaCl₂ и одно или несколько соединений из числа NaCl, KCl, BaCl₂, CaF₂, LiCl и CaO, и молярная концентрация CaCl₂ в этой системе с хлорсодержащей системе составляет не менее 50%,

осуществляют электрохимическую реакцию, при которой посредством сплавляющей среды, соприкасающейся с анолитом и католитом, обеспечивают межфазные поверхности для протекания электрохимической реакции ионов/атомов алюминия, а также передачу атомов алюминия, при этом твердый сырьевой оксид алюминия располагают на межфазной поверхности между анолитом и сплавляющей средой, плотность которой превышает таковую у сырьевого оксида алюминия,

получают металлический алюминий в катодной камере,

причем при использовании анолита с относительно низкой растворимостью в отношении сырьевого оксида алюминия или когда скорость добавления сырьевого оксида алюминия относительно высока, содержание алюминия в сплавляющей среде снижают для обеспечения плотности сплавляющей среды, которая будет выше плотности сырьевого оксида алюминия,

сплавляющая среда представляет собой сплав, образованный Al и одним или несколькими элементами из числа Cu, Sn, Zn, Ga, In и Sb, а предпочтительно сплав Al-Cu, содержание Al в котором составляет 40-75% масс.,

кроме того, используют сплавляющую среду, способную оставаться в жидком состоянии при нормальном электролизе и обладающую плотностью выше, чем плотность анолита или католита.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что католит представляет собой фторсодержащую систему или смешанную фтор/хлорсодержащую систему.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что католит представляет собой фторсодержащую систему, содержащую, % масс.: 20-40 BaF₂, 30-50 AlF₃, 15-40 NaF и 0-20 добавки; и добавка представлена одним или несколькими соединениями CaF₂, LiF, Li₃AlF₆ и MgF₂.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что католит представляет собой фторсодержащую систему или смешанную фтор/хлорсодержащую систему, содержащую, % масс.: 50-70 BaCl₂, 15-30 AlF₃, 10-30 NaF и 0-15 добавки, и добавка представлена одним или несколькими соединениями из числа LiF, Li₃AlF₆, CaF₂, MgF₂, NaCl, LiCl, CaCl₂ и MgCl₂.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что катод представляет собой один или несколько композитных материалов из числа графита, алюминия и инертный смачиваемый катод.