Получение алюминия из глинозема

Производство алюминия

Для получения алюминия используют руды, содержащие Al2O3. К таким рудам относят бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Бокситы в своем составе содержат: 30—57% Al2O3, 17—35% Fe2O3, 3—13% SiO2, 2,0—4,0% TiO2, до 3,0% CaO и 10—18% H2O. Бокситы залегают в Тихвинском районе, на Урале, в Сибири и в других районах. В боксите алюминий находится в составе гидратов окиси алюминия. Нефелины получают в виде отходов после обогащения апатито-нефелиновой породы, содержащей около 30% Al2O3, 20% (Na2O + K2O), 40— 45% SiO2, 2,0—4,0% CaO и 2,0—4,0%; F2O3. Апатито-нефелиновые руды залегают на Севере и Урале. Алуниты содержат 20-21% Al2O3, 4,5—5,0% (Na2O+K2O), 22—23% SO3, 41—42%. SiO2, 4,0—5,0% Fe2O3 и 6,0—7,0% H2O.

Основными рудами для получения алюминия являются бокситы и нефелины. При использовании нефелинов для производства алюминия получают ценные побочные продукты — поташ и соду.

Технологический процесс получения алюминия разделяется в основном на две стадии: получение глинозема из руды и получение алюминия из глинозема.

Для получения глинозема из руд существует несколько способов. Для получения глинозема из руд, содержащих не более 5% SiO2, наиболее рентабельным является щелочной способ.

При получении глинозема по этому способу боксит подвергают дроблению и размолу. Затем в автоклавах производят выщелачивание глинозема, содержащегося в боксите. Для этого в автоклав заливают раствор едкого натра, загружают размолотый боксит и вводят пар для поддержания рабочего давления до 12 ат и температуры 160—170° С.

Глинозем, содержащийся в боксите в форме гидратов окислов алюминия, в автоклаве взаимодействует с едким натром и переходит в раствор в виде алюмината натрия:

Окислы железа, находящиеся в бокситах, при выщелачивании не переходят в раствор, а остаются в шламе, придавая ему кирпично-красный цвет.

Кремнезем, содержащийся в бокситах, реагирует с едким натром и переходит в раствор в виде силиката натрия:

В результате этой реакции раствор очищается от кремнезема, но при этом переходит в шлам глинозем и требуется повышенный расход едкого натра.

Полученный алюминат натрия в виде пульпы из автоклава поступает в специальный аппарат — самоиспаритель. Передача пульпы осуществляется за счет разности давления в автоклаве и самоиспарителе. В самоиспарителе производят гидролиз алюмината натрия и выделение кристаллической гидроокиси алюминия по реакции

Для ускорения разложения пульпа перед операцией охлаждается до 60° С и по мере хода процесса ее температура снижается до 40° С. Кроме этого, вводится затравка в виде кристаллов гидроокиси алюминия.

Выделившаяся гидроокись алюминия отфильтровывается и направляется для обезвоживания. Обезвоживание производят в трубчатых вращающихся печах путем прокаливания при температуре до 1200° С. В процессе прокаливания получают чистый глинозем по реакции

Выход глинозема из руды по этому способу составляет около 85%.

Для получения глинозема из руд с высоким содержанием кремнезема руды прокаливают, размалывают, смешивают с содой (Na2CO3) и мелом (CaCO3). Смесь при температуре 1100°C спекают, в результате получают алюминат натрия в твердом виде

Полученная гидроокись железа переходит в осадок, а щелочь переходит в раствор.

Полученный раствор, содержащий алюминат натрия, отделяют и направляют на обескремнивание и карбонизацию. Целью обескремнивания является более полное удаление кремнезема. Сущность этой операции состоит в связывании растворенного кремнезема в нерастворимые соединения и выделение их в осадок натриевым или кальциевым алюмосиликатом.

Обескремненный алюмосиликатный раствор после отделения от него шлама подвергается карбонизации пропусканием газа, содержащего CO2. Эту операцию проводят для выделения из раствора гидрата окиси алюминия по реакции

Гидрат окиси алюминия Al(OH)3 выпадает в осадок, а сода (Na2CO3) остается в растворе. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают и прокаливают. При прокаливании получают чистый глинозем.

Безводная окись алюминия имеет температуру плавления 2050° С, температуру кипения 2980° С и представляет собой прочное химическое соединение алюминия с кислородом. Получение металлического алюминия из глинозема восстановлением углеродом или окисью углерода невозможно, так как этот процесс приводит к образованию карбидов (Al4C3). Также не удается получить алюминий и электролизом из водного раствора солей, так как на катоде выделяется только водород. Поэтому алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Криолит представляет собой фторит алюминия и натрия Na3AlF6. В качестве сырья для производства криолита используют плавиковый шпат (CaF2), гидрат окиси алюминия, соду и серную кислоту.

Для электролиза глинозема применяют электролизные ванны (рис. 21).

Ванна имеет железный корпус, внутри выложенный теплоизоляционным кирпичом, а затем угольными блоками. В подину ванны вставлены катодные шины. Сверху в ванну опущены угольные электроды, представляющие собой аноды. Электрический постоянный ток к анодам подводится от шин, расположенных над ванной. Ток применяют с напряжением от 5 до 10 в, сила тока на одну ванну от 40 000 до 100 000 ат. Электрический ток используется как для электрохимического процесса, так и для нагрева электролита до 950—1000°С. По современным теоретическим представлениям кинетика электролиза глинозема протекает следующим образом. Под действием электрического тока в расплавленном криолите протекает диссоциация на ионы:

Выделившийся на аноде кислород взаимодействует с углеродом анодов и образует CO и СО2, которые отводятся из ванны. Собравшийся жидкий алюминий на дне ванны периодически выпускают в ковш или выбирают при помощи сифона. При электролизе для получения 1 т алюминия расходуется до 2 г глинозема, 100 кг криолита, до 600 кг угольных электродов и 16 500—18 500 квт*ч электроэнергии.

Получаемый электролизом алюминий в своем составе содержит различные примеси, которые ухудшают его свойства. Для получения чистого алюминия его подвергают рафинированию методом хлорирования или электролитическим способом. Способ хлорирования состоит в продувке алюминия хлором в ковшах емкостью 1200—1300 кг при температуре 750—770° С в течение 10—15 мин. Во время продувки примеси (глинозем, криолит, газы и др.) из алюминия выделяются; одновременно с этими продуктами теряется часть алюминия (до 1,0%). Рафинированный хлором алюминий разливают в чушки.

Электролитический способ рафинирования применяют для получения алюминия высокой чистоты. При этом способе рафинирования первичный алюминий подвергают анодному растворению, а чистый алюминий служит катодом. Между анодным и чистым алюминием в качестве электролита используют хлористые и фтористые соли. По этому способу получают чистый алюминий (99,85—99,9% Al).

Получение алюминия из глинозема

Алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном криолите (Na₃AlF₆), в специальных ваннах (электролизерах). Ванна имеет стальной кожух, внутри футерованный теплоизоляцион­ным шамотный кирпичом, а подина и стенки выложены угольными блоками. В подине ванны смонтированы ка­тодные шины. Сверху в ванну с расплавленным криоли­том, содержащим 8 – 10 % глинозема и до 10% MgF₂, CaF₂ и NaCl, опущен анод, который частично погружен в электролит.

Современные ванны обычно применяются (одноанод­ные) с самообжигающимся анодом. Непре­рывный самообжигающийся анод устроен следующим образом. Внутрь прямоугольной алюминиевой обечайки загружают угольную анодную массу (нефтяной или смоляной кокс или каменноугольный пек). В верхних слоях масса находится при 100 — 140 °С в жидком состоянии, затем ниже она переходит при 360 °С в тестообразное состояние, при 400 — 950 °С спекается в твердую анодную массу. Перемещение анодов по вертикали производится с помощью электродвигателей. Перед пуском в работу электролизера производят обжиг анодов и подогрев ван­ны в течение 6 — 8 суток, потом заливают жидкий элек­тролит из другой действующей установки и уже затем приступают к электролизу. Постепенно сгорающие аноды опускают в ванну, а сверху загружают анодную массу. Обедняющийся глиноземом электролит периодически пополняется новыми порциями и, таким образом, обес­печивается непрерывность процесса. Электролизер рабо­тает непрерывно 2 — 3 года.

Постоянный электрический ток к аноду подводится от шин, расположенных сверху над ванной, а к катоду через шины, заделанные в подине ванны. Ток использу­ется как для электрохимического процесса, так и для на­грева электролита. В процессе электролиза поддержива­ют температуру криолита 950 – 970 °С, рабочее напряже­ние 4 — 5 В и силу тока около 75000 А. В современных цехах осуществлена непрерывная подача глинозема в ванны, и процесс электролиза алюминия автоматизирован.

При электролизе имеют место следующие процессы. Расплавленный криолит под действием электрического тока диссоциирует на ионы.

Положительно заряженные ионы Al 3+ переносятся электрическим током к подине (катоду), где происходит катодный процесс (разряд ионов алюминия и выделение металлического алюминия в жидком виде).

В результате этого алюминий накапливается на дне ванны под слоем электролита, откуда его удаляют обыч­но с помощью сифонного устройства или путем вычерпывания ковшом через трое или четверо суток.

Отрицательно заряженные анионы AlO₃ 3- переносятся током к аноду (угольному электроду). Выделяющийся при этом кислород окисляет углерод анода с образованием СО и СО₂, которые удаляются с помощью вентиляционных устройств.

При электролизе расходуется глинозем и углерод анодов, а получаются алюминий и окислы углерода.

При электролизе для производства 1 т алюминия рас­ходуется около 2 т глинозема, 0,1 т криолита и других фторидов, 0,7 т анодной массы и 17000 — 18000 кВт-ч электроэнергии. Электроэнергия составляет более 30 % стоимости получаемого алюминия.

Рафинирование алюминия

Полученный электролизом алюминий содержит ряд примесей: металлических (Si, Fe, Zn и др.), неметалличе­ских (А1₂О₃, С и др.) и газообразных (H, N, СО, СО₂ и др.), которые ухудшают его свойства. Для получения чистого алюминия его подвергают рафинированию путем хлорирования или электролитическим способом. Метод хлорирования заключается в продувке алюминия хлором в ковше, в специальной камере при температуре 750 – 760 °С в течение 10 — 12 мин. При этом образуется газо­образный хлористый алюминий который, проходя через жидкий металл, способствует всплыванию неметаллических примесей и удалению га­зов, растворенных в алюминии. Образующиеся хлори­стые соединения: NaCl, MgCl₂ и CaCl₂ также всплывают на поверхность. При хлорировании теряется часть алю­миния до 1,0 %, а расход хлора составляет около 0,1 % от массы металла. После рафинирования хлором алюми­ний разливают на чушки. Чистота полученного алюминия составляет 99,5—99,85%.

Для получения алюминия более высокой чистоты при­меняют электролитический способ рафинирования. Для электролита используют фтористые и хлористые соли с температурой плавления несколько выше температуры плавления алюминия. В расплавленном электролите алю­миний подвергают анодному растворению и электролизу. Более высокие электроположительные свойства алюминия в сравнении с Na, Ca, Mg позволяют осаждать его на катоде (катодом служит чистый алюминий). Электролитическим рафинированием получают алюминий чистотой 99,996% и выше.

Общие понятия о литейном производстве

Литейным производством называется отрасль машиностроения, произ­водящая металлические изделия или заготовки путем заливки расплавлен­ного металла в форму. После затвердевания, металла в форме получается литая деталь (отливка). Отливка может быть или вполне законченным изделием, или заготовкой, которую подвергают в дальнейшем механиче­ской обработке.

Литейные формы изготовляют чаще всего из формовочной смеси, основными составляющими которой являются песок и глина. Такая форма служит только один раз и разрушается при извлечении из нее отливки. В отдельных случаях для изготовления отливок применяют металлические формы, которые могут быть использованы многократно. Применяют в литейном производстве формы и из других материалов.

Литые детали изготовляют из стали, чугуна, медных, алюминиевых, магниевых и других сплавов. Вес отливки может быть самым различ­ным — от нескольких граммов (детали приборов) до сотен тонн (станины станков).

Методом литья можно изготовлять изделия весьма сложной конфигу­рации, которые при помощи других видов обработки (механической обра­ботки, ковки, штамповки, сварки) получить или значительно труднее, или невозможно. Стоимость литой детали, как правило, оказывается меньше по сравнению с деталью, изготовленной другими методами.

При современном уровне развития литейногопроизводства литыедетали получаются весьма высокого качества.

Методом литья изготовляют ответственные детали, как, например, авто­мобильные блоки цилиндров, поршни и поршневые кольца, паровозные рамы, цилиндры, колеса, всевозможные станины и т. д. В общем в совре­менном машиностроении более 60% (по весу) всех деталей машин изго­товляется методом литья.

По мере роста достижений в различных отраслях литейного производ­ства непрерывно увеличиваются прочность получаемых отливок, их точ­ность и чистота поверхности. В соответствии с этим в современном маши­ностроении и других отраслях техники имеется тенденция к еще более широкому применению литых изделий, что увеличивает значение литей­ного производства для народного хозяйства.

Общие сведения

Литые детали (отливки) изготовляют в литейном цехе. Последователь­ность операций изготовления отливки приведена на рисунке 14.

В модельном цехе по чертежу детали изготовляют модель и стержневой ящик (если изготовляемая отливка не имеет полости, то стержневой ящик, как правило, не нужен). Модель по внешнему виду в большинстве случаев соответствует наружной форме отливаемой детали. При изготовлении модели вначале вычерчиваютчер­теж отливки, размеры которой увеличены на припуск Δ для механической обработки. По чертежу отливки изготовляют чертеж модели; размеры модели увеличивают на величину усадки металла. В модели предусматривается изготовление знаков.

Рис.14.Схема последовательности операций изготовления отливки

Стержневыми знаками называют выступающие на моделях части, не образующие непосредственно конфигурацию отливки, а служащие для обра­зования углублений в форме, в которые устанавливают стержни при сборке формы. Модели для удобства формовки чаще изгото­вляют разъемными.

Производство алюминия от сырья до технологии

Алюминий является одним из самых распространенных химических элементов на Земле, используется в машиностроении, энергетике и строительстве. Ежегодно добыча и потребление этого металла увеличивается на 7%. Производство алюминия является сложным техническим процессом и требует большого количества энергетических, транспортных, трудовых и сырьевых ресурсов.

Производство алюминия в России и мире

Объем производства алюминия в 2019 году составляет 72 млн тонн. Международный алюминиевый рынок находится в дефиците, составляющем 277 тыс. тонн.Крупнейшими странами-изготовителями данного металла являются Китай, Россия, США, Австралия, Бразилия и Индия. Страны Северной и Южной Америки активно сокращают добычу бокситов. Рост производства чистого алюминия обеспечивается государствами Ближнего Востока и Азии. В этих регионах содержится свыше 73% мировых запасов алюминиевых руд, залегающих на земной поверхности. В них отсутствует большое число металлических и газообразных веществ. Крупнейшими производителями алюминия в мире являются следующие транснациональные компании:

1. UCRUSAL: российский концерн, производящий 13% всех алюминиевых сплавов в мире. Объем производства компании составляет 3,75 млн тонн в год. РУСАЛ обладает собственной инженерно-технической базой и экспортирует свою продукцию в страны Европы, Северной Америки и Юго-Восточной Азии.
2. Chalco: китайская государственная корпорация, являющаяся вторым крупнейшим производителем алюминиевых материалов в мире. Объем производства составляет 3,4 млн тонн в год.
3. RioTinto: австралийско-британская горно-металлургическая компания, производящая глинозем. Объем производства концерна составляет 3,1 млн тонн в год. RioTinto образует с канадской организацией Alcan совместное предприятие по добыче бокситов.

На рынке стран-лидеров по производству чистого алюминия наблюдается переизбыток мощностей. Это обусловлено циклическим характером спроса и большим количеством конкурентоспособных предприятий. Для снижения переизбытка мощностей многие предприятия стали экспортировать алюминиевые полуфабрикаты. С 2015 г. продажи этой продукции ежегодно растут на 20%.

В Российской Федерации присутствует 17 заводов по изготовлению глинозема и алюминиевых листов. Большая часть предприятий располагается на Урале в и в Сибири. Высокая эффективность российских алюминиевых заводов обуславливается следующими факторами размещения производства:

1. Сырьевой: предприятия расположены рядом с основными месторождениями алюминия. Это позволяет снизить затраты на транспортировку сырья и снизить стоимость готовой продукции
2. Энергетический: чистый алюминий изготавливается посредством электролиза, поэтому заводы расположены рядом с крупными гидроэлектростанциями, вырабатывающими большое количество электрической энергии.
3. Потребительский фактор: продукция российский компаний, производящих алюминий, покупается странами Южной и Северной Америки, Азии, Ближнего Востока, Европы и Африки.
4. Транспортный: заводы располагаются рядом с крупными транспортными узлами, позволяющими эффективно перевозить сырье и готовую продукцию на большие расстояния. Для транспортировки металла чаще всего используются железнодорожные поезда.

В настоящее время производство алюминия в России снижается и составляет 7,3 млн тонн в год. Это связано с разрушением межотраслевых и хозяйственных связей со странами бывшего СССР.

Технология производства

Технология производства алюминия включает в себя 3 основных этапа:

1. Добыча боксита.
2. Переработка алюминийсодержащих руд в глинозем.
3. Выделение чистого металла из глинозема посредством электролиза и его очистка от лишних примесей.

Производство данного химического элемента осуществляется в электролизном цехе. Он состоит из нескольких корпусов протяженностью 1000 м. В нем располагаются электролизные ванны с большими проводами, подключенными к источнику питания. Ванны оборудованы электродами, находящимися под напряжением 6 В.

Большая часть процессов в электролизном цехе автоматизированы. Перед началом электролиза емкость ванн наполняется расплавленным криолитом. Это вещество предназначено для создания токопроводящей среды при высоких температурах. Дно ванны выступает в качестве катода. Анодом являются угольные блоки, погруженные в криолит.

В промышленности алюминий получают методом пирометаллургии, разработанного немецким химиком Карлом Иосифом Байером. Этот способ представляется собой восстановление металла с помощью углекислого газа или оксида углерода. Все работы на предприятии выполняются в соответствии со схемами производства алюминия, где подробно расписан процесс электролиза глинозема. Изначально в ванну загружается порция глинозема. Под воздействием электричества вещество разлагается. В результате связь между частицами алюминия и кислорода разрывается.

После электролиза на дне электролитических ванне остается чистый алюминий, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород, вступая в реакцию углеродом, образуется углекислый газ. Полученный материал разливают по вакуумным ковшам и доставляют в литейный цех. Здесь металл подвергается термической обработке. С помощью переплавки из сплава удаляются лишние примеси. В результате вещество приобретает твердую форму и сортируется по блокам весом до 22 кг.

Алюминий сохраняет свои свойства при длительной эксплуатации. Поэтому часть алюминиевой продукции перерабатывается и повторно используется для создания чистых металлов, что оказывает положительное влияние на экологию. Объем затрат на охрану окружающей среды в этой сфере промышленности составляет 4%. Власти используют множество экономических мер в области ООС, предоставляя льготы предпринимателям, соблюдающим экологические нормы и государственные стандарты в процессе хозяйственной деятельности.

Производство глинозема

Глинозем представляет собой порошок белого цвета, образованный в результате взаимодействия алюминия с кислородом. Технологический процесс производства этого вещества был разработан Байером в конце XIXстолетия. С помощью этой технологии изготавливается 90% глинозема в мире.

При получении порошкообразного оксида алюминия методом Байера можно использовать высококачественные бокситы с низким содержанием примесей. В процессе изготовления глинозема кристаллическая гидроокись алюминия растворяется в каустической щелочи высокой концентрации. Химическая реакция осуществляется при высоких температурах. Посторонние вещества, входящие в состав боксита, при взаимодействии с раствором едкого натра выпадают в осадок. Примеси, отделенные от гидроокиси алюминия, называются красным шламом. В процессе переработки из них можно извлечь соединения кремния, железа, титана и иных химических элементов.

Крупные алюминиевые частицы с помощью фильтрации отделяются от гидроокиси алюминия. Полученное вещество промывают, высушивают и нагревают до температуры кипения воды. В результате образуется глинозем. У него отсутствует срок годности. Хранить глинозем необходимо в сухих местах. Транспортировка вещества осуществляется в железнодорожных вагонах.

Получение алюминия из глинозема

Производители активно совершенствуют технологию производства алюминия из глинозема, стараясь изготавливать металл с минимальными затратами электроэнергии и наименьшим воздействием на окружающую среду. В современных электролитических цехах используются инертные аноды, что позволяет отказаться от использования угля. Их можно использовать в течение нескольких десятилетий.

В результате использования инновационных технологий при электролизе глинозема в атмосферу не выделяется углекислый газ. В электролизных ваннах вырабатывается чистый кислород. Это позволяет снизить траты на вентиляционные механизмы, предназначенные для своевременного удаления углекислого газа из помещения. При электролизе используется не менее 2 Т глинозема, 0,1 Т криолита и небольшое количество фторидов.

Рафинирование алюминия

Образованный в результате электролиза металл содержит небольшое количество металлических и газообразных веществ:

Примеси ухудшают свойства металла. Поэтому во время производства их удаляют при помощи рафинирования. Эта процедура осуществляется 2 методами:

1. Хлорирование: осуществляется при температуре 750°С. Алюминий подвергается продувке хлористым раствором. Хлорирование производится в специальных ковшах в течение 12 мин.
2. Электролитический способ: осуществляется с применением фтористых и хлористых солей. Металл подвергается термической обработке и анодному растворению. В результате из расплавленного вещества удаляются лишние примеси.

После процедуры рафинирования чистота металла составляет 99,5 – 99,9%. При этой процедуры также из рафинируемого вещества также удаляется 1% алюминия.

Сырье

В естественной среде алюминий встречается только в виде руд – бокситов. Эти вещества представлены виде гидроксидов, корунда и каолинита. В них содержится свыше 40 химических элементов. Содержание глинозема в бокситах составляет 45%. Одним из важнейших параметров алюминиевых руд является кремниевый модуль, характеризующий отношение содержаний оксидов алюминия и кремния. Он должен составляет не менее 2,6. В недрах Земли находится свыше 18 млрд тонн бокситов. При нынешних темпах производства из этого сырья можно производить алюминий до 2122 г.

Необходимое оборудование

Для добычи бокситов, преобразования руд в глинозем и извлечения чистого металла требуется следующее оборудование:

1. Механизмы раздачи глинозема: предназначены для транспортировки порошкообразного оксида алюминия внутри цеха и дозированной подачи глинозема к электролизным машинам.
2. Катодная ошиновка: представляет собой гибкие ленты катодных спусков, прикрепленных к стержням катодных шин, выполненных из стальных материалов.
3. Газоочистительные установки: используются для очистки помещения от газов, образующихся во время производства фторида алюминия сухим способом.
4. Монтажное оборудование: краны линейного и технического предназначения.
5. Электролизер: прибор для разделения основных компонентов глинозема при помощи электрического тока во время электролиза.

В зависимости от технологических особенностей производства требуется большое количество барабанных вращающихся печей. Они используются при сухих методах производства. При организации предприятия важно обеспечить оборудование для электролиза глинозема электроэнергией.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Производство алюминия

«В природе ничто не возникает мгновенно и ничто не появляется в свете в совершенно готовом виде».

Александр Герцен
русский публицист, писатель

Производство металла делится на три основных этапа: добыча бокситов – алюминийсодержащей руды, их переработка в глинозем – оксид алюминия, и, наконец, получение чистого металла с использованием процесса электролиза – распада оксида алюминия на составные части под воздействием электрического тока. Из 4-5 тонн бокситов получается 2 тонны глинозема, из которого производят 1 тонну алюминия.

В мире существуют несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства этого металла являются именно бокситы. Это горная порода, состоящая, в основном, из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50% оксида алюминия.

Бокситы могут сильно отличаться друг от друга. По структуре они бывают твердые и плотные либо рыхлые и рассыпчатые. По цвету – как правило, кирпично-красные, рыжеватые или коричневые из-за примеси оксида железа. При небольшом содержании железа бокситы имеют белый или серый цвет. Но иногда встречаются руды желтого, темно-зеленого цвета и даже пестрые – с голубыми, красно-фиолетовыми или черными прожилками.

Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – из них 73% приходится на пять стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. В Гвинее бокситов больше всего – 5,3 миллиарда тонн (28,4%), при этом они высокого качества, содержат минимальное количество примесей и залегают практически на поверхности.

Следующим этапом является производственной цепочки является переработка бокситов в глинозем – это оксид алюминия Al₂O₃, который представляет собой белый рассыпчатый порошок. Основным способом получения глинозема в мире является метод Байера, открытый более ста лет назад, но актуальный до сих пор – около 90% глинозема в мире производятся именно так. Этот способ весьма экономичен, но использовать его можно только при переработке высококачественных бокситов со сравнительно низким содержанием примесей – в первую очередь кремнезема.

Метод Байера основан на следующем: кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав боксита, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щёлочи, NaOH) высокой концентрации, а при понижении температуры и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Посторонние, входящие в состав боксита (так называемый балласт), не переходят при этом в растворимую форму или перекристаллизовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Поэтому после растворения гидроокиси алюминия балласт легко может быть отделен – он называется красный шлам.

Это густая масса красно-бурого цвета, состоящая из соединений кремния, железа, титана и других элементов. Его складируют на тщательно изолированных территориях – шламохранилищах. Их обустраивают таким образом, чтобы содержащиеся в отходах щёлочи не проникали в грунтовые воды. Как только хранилище отрабатывает свой потенциал, территорию можно вернуть в первоначальный вид, покрыв её песком, золой или дёрном и посадив определённые виды деревьев и трав. На полное восстановление могут уйти годы, но в итоге местность возвращается в изначальное состояние.

Многие специалисты не считают красный шлам отходом, так как он может служить сырьем для переработки. Например, из него извлекают скандий для дальнейшего производства алюминиево-скандиевых сплавов. Скандий придает таким сплавом особую прочность, сферы использования – автомобиле- и ракетостроение, спортивная экипировка, производство электропроводов.

Также красный шлам может использоваться для производства чугуна, бетона, получения редкоземельных металлов.

У глинозема нет срока годности, но хранить его непросто, так как при малейшей он возможности активно впитывает влагу – поэтому производители предпочитают как можно быстрее отправлять его на алюминиевое производство. Сначала глинозем складывают в штабели весом до 30 тысяч тонн – получается своеобразный слоеный пирог высотой до 10-12 метров. Потом пирог «нарезают» и грузят для отправки в железнодорожные вагоны – в среднем, в один вагон от 60 до 75 тонн (зависит от вида самого вагона).

Существует еще один, гораздо менее распространенный способ получения глинозема – метод спекания. Его суть заключается в получения твердых материалов из порошкообразных при повышенной температуре. Бокситы спекают с содой и известняком – они связывают кремнезем в нерастворимые в воде силикаты, которые легко отделить от глинозема. Этот способ требует больших затрат, чем способ Байера, но в то же время дает возможность перерабатывать бокситы с высоким содержанием вредных примесей кремнезема.

Глинозем выступает непосредственным источником металла в процессе производства алюминия. Но для создания среды, в которой этот процесс будет происходить, необходим еще один компонент – криолит.

Это редкий минерал из группы природных фторидов состава Na3AlF6. Обычно он образует бесцветные, белые или дымчато-серые кристаллические скопления со стеклянным блеском, иногда – почти черные или красновато-коричневые. Криолит хрупкий и легко плавится.

Природных месторождений этого минерала крайне мало, поэтому в промышленности используется искусственный криолит. В современной металлургии его получают взаимодействием плавиковой кислоты с гидроксидом алюминия и содой.

Ток для производства алюминия

Для запуска двигателя автомобильный аккумулятор должен обеспечить электрический ток в 300-350 А в течение 30 секунд. То есть в 1000 раз меньше, чем нужно одному электролизеру для постоянной работы.

В каждой ванне происходит процесс электролиза алюминия. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, который создает электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С. Роль катода выполняет дно ванны, а анода – погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра, со стороны они выглядят как впечатляющих размеров молот.

Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается – алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ.

Примерно раз в 2-4 суток алюминий извлекают из ванны при помощи вакуумных ковшей. В застывшей на поверхности ванны корке электролита пробивают отверстие, в которое опускают трубу. Жидкий алюминий по ней засасывается в ковш, из которого предварительно откачан воздух. В среднем, из одной ванны откачивается около 1 тонны металла, а в один ковш вмещается около 4 тонн расплавленного алюминия. Далее этот ковш отправляется в литейное производство.

При производстве каждой тонны алюминия выделяется 280 000 м 3 газов. Поэтому каждый электролизер независимо от его конструкции оснащен системой газосбора, которая улавливает выделяющиеся при электролизе газы и направляет их в систему газоочистки. Современные «сухие» системы газоочистки для улавливания вредных фтористых соединений используют ни что иное, а глинозем. Поэтому перед тем как использоваться для производства алюминия, глинозем на самом деле сначала участвует в очистке газов, которые образовались в процессе производства металла ранее. Вот такой замкнутый цикл.

Для процесса электролиза алюминия требуется огромное количество электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые и не загрязняющие окружающую среду источники этой энергии. Чаще всего для этого используются гидроэлектростанции – они обладают достаточной мощностью и не имеют выбросов в атмосферу. Например, в России 95% алюминиевого мощностей обеспечены гидрогенерацией. Однако есть в места в мире, где угольная генерация пока доминирует – в частности, в Китае на нее приходится 93% производства алюминия. В результате для производства 1 тонны алюминия с использованием гидрогенерации в атмосферу выделяется чуть более 4 тонн углекислого газа, а при использовании угольной генерации – в пять раз больше – 21,6 тонны.

Алюминий, производство алюминия: технология, процесс и описание

Алюминий обладает массой свойств, которые делают его одним из самых используемых материалов в мире. Он широко распространен в природе, занимая среди металлов первое место. Казалось бы, и трудностей с его производством быть не должно. Но высокая химическая активность металла приводит к тому, что в чистом виде его не встретить, а производить – сложно, энергоемко и затратно.

Сырье для производства

Из какого сырья получают алюминий? Производство алюминия из всех минералов, его содержащих, дорого и нерентабельно. Добывают его из бокситов, которые содержат до 50% оксидов алюминия и залегают прямо на поверхности земли значительными массами.

Эти алюминиевые руды имеют достаточно сложный химический состав. Они содержат глиноземы в количестве 30-70% от общей массы, кремнеземы, которых может быть до 20%,окись железа в пределах от 2 до 50%, титан (до 10%).

Глиноземы, а это окись алюминия и есть, состоят из гидроокисей, корунда и каолинита.

В последнее время окиси алюминия стали получать из нефелинов, которые содержат еще и окиси натрия, калия, кремния, и алунитов.

Для производства 1 т чистого алюминия нужно около двух тонн глинозема, который, в свою очередь, получают из примерно 4,5 т боксита.

Месторождения бокситов

Запасы бокситов в мире ограничены. На всем земном шаре всего семь районов с его богатыми залежами. Это Гвинея в Африке, Бразилия, Венесуэла и Суринам в Южной Америке, Ямайка в Карибском регионе, Австралия, Индия, Китай, Греция и Турция в Средиземноморье и Россия.

В странах, где есть богатые месторождения бокситов, может быть развито и производство алюминия. Россия добывает бокситы на Урале, в Алтайском и Красноярском краях, в одном из районов Ленинградской области, нефелин — на Кольском полуострове.

Самые богатые месторождения принадлежат именно российской объединенной компании UC RUSAL. За ней идут гиганты Rio Tinto (Англия-Австралия), объединившийся с канадской Alcan и CVRD. На четвертом месте находится компания Chalco из Китая, затем американо-австралийская корпорация Alcoa, которые являются и крупными производителями алюминия.

Зарождение производства

Датский физик Эрстед выделил первым алюминий в свободном виде в 1825 году. Химическая реакция проходила с хлоридом алюминия и амальгамой калия, вместо которой спустя два года немецкий химик Велер использовал металлический калий.

Калий – материал достаточно дорогой, поэтому в промышленном производстве алюминия француз Сент-Клер Девиль вместо калия в 1854 году использовал натрий, элемент значительно более дешевый, и стойкий двойной хлорид алюминия и натрия.

Русский ученый Н. Н. Бекетов смог вытеснить алюминий из расплавленного криолита магнием. В конце восьмидесятых годов того же века эту химическую реакцию использовали немцы на первом алюминиевом заводе. Во второй половине XVIII века было получено около химическими способами 20 т чистого металла. Это был очень дорогой алюминий.

Производство алюминия с помощью электролиза зародилось в 1886 году, когда одновременно были поданы практически одинаковые патентные заявки основоположниками этого способа американским ученым Холлом и французом Эру. Они предложили растворять глинозем в расплавленном криолите, а затем электролизом получать алюминий.

С этого и началась алюминие­вая промышленность, ставшая за более чем вековую историю одной из самых крупных отраслей металлургии.

Основные этапы технологии производства

В общих чертах технология производства алюминия не изменилась с момента создания.

Процесс состоит из трех стадий. На первой из алюминиевых руд, будь это бокситы или нефелины, получают глинозем – окись алюминия Al₂O₃ .

Затем из окиси выделяют промышленный алюминий со степенью очистки 99,5 % , которой для некоторых целей бывает недостаточно.

Поэтому на последней стадии рафинируют алюминий. Производство алюминия завершается его очисткой до 99,99 %.

Получение глинозема

Существует три способа получения окиси алюминия из руд:

Последний способ — наиболее распространенный, разработанный еще в том же XVIII веке, но с тех пор неоднократно доработанный и существенно улучшенный, применяется для переработки бокситов высоких сортов. Так получают около 85 % глиноземов.

Сущность щелочного способа заключается в том, что алюминиевые растворы с большой скоростью разлагаются, когда в них вводится гидроокись алюминия. Оставшийся после реакции раствор выпаривается при высокой температуре около 170° С и опять используется для растворения глинозема;

Сначала боксит дробится и измельчается в мельницах с едкой щелочью и известью, затем в автоклавах при температурах до 250°С происходит его химическое разложение и образовывается алюминат натрия, который разбавляют щелочным раствором уже при более низкой температуре – всего 100° С. Алюминатный раствор промывается в специальных сгустителях, отделяется от шлама. Затем происходит его разложение. Через фильтры раствор перекачивают в емкости с мешалками для постоянного перемешивания состава, в который для затравки добавлена твердая гидроокись алюминия.

В гидроциклонах и вакуум-фильтрах выделяется гидроокись алюминия, часть которой возвращается в качестве затравочного материала, а часть идет на кальцинацию. Фильтрат, оставшийся после отделения гидроокиси, тоже возвращается в оборот для выщелачивания следующей партии бокситов.

Процесс кальцинации (обезвоживания) гидроокиси во вращающихся печах происходит при температурах до 1300° С.

Для получения двух тонн окиси алюминия расходуется 8,4 кВт*ч электроэнергии.

Прочное химическое соединение, температура плавления которого 2050° С, это еще не алюминий. Производство алюминия впереди.

Электролиз окиси алюминия

Основным оборудованием для электролиза является специальная ванна, футерованная углеродистыми блоками. К ней подводят электрический ток. В ванну погружаются угольные аноды, сгорающие при выделении из окиси чистого кислорода и образующие окись и двуокись улглерода. Ванны, или электрилизеры, как их называют специалисты, включаются в электрическую цепь последовательно, образуя серию. Сила тока при этом составляет 150 тысяч ампер.

Аноды могут быть двух типов: обожженные из больших угольных блоков, масса которых может быть больше тонны и самообжигающиеся, состоящие из угольных брикетов в алюминиевой оболочке, которые спекаются в процессе электролиза под действием высоких температур.

Рабочее напряжение на ванне обычно составляет около 5 вольт. Оно учитывает и напряжение, необходимое для разложения окиси, и неизбежные потери в разветвленной сети.

Из растворенной в расплаве на основе криолита окиси алюминия жидкий металл, который тяжелее солей электролита, оседает на угольном основании ванны. Его периодически откачивают.

Процесс производства алюминия требует больших затрат электроэнергии. Чтобы получить одну тонну алюминия из глинозема, нужно израсходовать около 13,5 тысяч кВт*ч электроэнергии постоянного тока. Поэтому еще одним условием создания крупных производственных центров является работающая рядом мощная электростанция.

Рафинация алюминия

Наиболее известный метод – это трехслойный электролиз. Он также проходит в электролизных ваннах с угольными подинами, футерованных магнезитом. Анодом в процессе служит сам расплавленный металл, который подвергается очистке. Он располагается в нижнем слое на токопроводящей подине. Чистый алюминий, который из электролита растворяется в анодном слое, понимается вверх и служит катодом. Ток к нему подводится с помощью графитового электрода.

Электролит в промежуточном слое – это фториды алюминия или чистые или с добавлением натрия и хлорида бария. Нагревается он до температуры 800°С.

Расход электроэнергии при трехслойном рафинировании составляет 20 кВт*ч на один кг металла, то есть на одну тонну нужно 20 тысяч кВт*ч. Вот почему, как ни одно производство металлов, алюминий требует наличия не просто источника электроэнергии, а крупной электростанции в непосредственной близости.

В рафинированном алюминии в очень малых количествах содержатся железо, кремний, медь, цинк, титан и магний.

После рафинирования алюминий перерабатывается в товарную продукцию. Это и слитки, и проволока, и лист, и чушки.

Продукты сегрегации, полученные в результате рафинирования, частично, в виде твердого осадка, используются для раскисления, а частично отходят в виде щелочного раствора.

Абсолютно чистый алюминий получают при последующей зонной плавке металла в инертном газе или вакууме. Примечательной его характеристикой является высокая электропроводность при криогенных температурах.

Переработка вторичного сырья

Четверть общей потребности в алюминии удовлетворяется вторичной переработкой сырья. Из продуктов вторичной переработке льется фасонное литье.

Предварительно отсортированное сырье переплавляется в пороговой печи. В ней остаются металлы, имеющие более высокую температуру плавления, чем алюминий, например, никель и железо. Из расплавленного алюминия продувкой хлором или азотом удаляются различные неметаллические включения.

Более легкоплавкие металлические примеси удаляются присадками магния, цинка или ртути и вакуумированием. Магний удаляется из расплава хлором.

Заданный литейный сплав получают, введя добавки, которые определяются составом расплавленного алюминия.

Центры производства алюминия

По объемам потребления алюминия КНР занимает первое место, оставляя далеко позади находящиеся на втором месте США и обладательницу третьего места Германию.

Китай – это и страна производства алюминия, с огромным отрывом лидирующая в этой области.

В десятку лучших, кроме КНР, входят Россия, Канада, ОАЭ, Индия, США, Австралия, Норвегия, Бразилия и Бахрейн.

В России монополистом в производстве глинозема и алюминия является объединенная компания RUSAL. Она производит до 4 млн т алюминия в год и экспортирует продукцию в семьдесят стран, а присутствует на пяти континентах в семнадцати странах.

Американской компании Alcoa в России принадлежат два металлургических завода.

Крупнейший производитель алюминия в Китае – компания Chalco. В отличие от зарубежных конкурентов, все ее активы сосредоточены в родной стране.

Подразделение Hydro Aluminium норвежской компании Norsk Hydro владеет алюминиевыми заводами в Норвегии, Германии, Словакии, Канаде, и Австралии.

Австралийская BHP Billiton владеет производством алюминия в Австралии, Южной Африке и Южной Америке.

В Бахрейне находится Alba (Aluminium Bahrain B. S. C.) – едва ли не самое крупное производство. Алюминий этого производителя занимает более 2 % общего объема «крылатого» металла, выпускаемого в мире.

Итак, подводя итоги, можно сказать, что главными производителями алюминия являются международные компании, владеющие запасами бокситов. А сам исключительно энергоемкий процесс состоит из получения глинозема из алюминиевых руд, производства фтористых солей, к которым относится криолит, углеродистой анодной массы и угольных анодных, катодных, футеровочных материалов, и собственно электролитического производства чистого металла, которое является главной составляющей металлургии алюминия.