Что является сырьем для производства алюминия?

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.

Алюминиевая руда — от добычи до получения металла. Страны-лидеры по добыче алюминия

В сравнении с традиционными металлами (сталью, медью, бронзой), алюминий — молодой металл.

• Бокситовая руда – основа мирового производства алюминия
• Свойства алюминиевой руды
• Технология разработки алюминиевых залежей. Способы добычи алюминиевой руды
• Страны лидеры по добыче алюминиевых руд
• Разработка месторождений алюминиевых руд в России
• Применение алюминиевой руды
• Альтернатива алюминиевым рудам

Современный способ его получения был разработан только в 1886 году, а до этого он был очень редким. Промышленные масштабы «крылатого» металла начались лишь в 20 веке. Сегодня, это один из востребованных материалов в различных отраслях от электроники до космической и авиационной промышленности.

Впервые алюминиевая руда в виде серебристого металла была получена в 1825 году в объеме всего лишь нескольких миллиграмм, и до появления массового производства этот металл был дороже золота. Например, одна из королевских корон Швеции имела в своем составе алюминий, а Д. И. Менделеев в 1889 году получил от британцев дорогой подарок – весы из золота и алюминия.

Какое сырье необходимо для получения алюминиевой руды? Как производят один из самых необходимых в современности материалов?

Бокситовая руда – основа мирового производства алюминия

Непосредственно сам серебристый металл получают из глинозема. Это сырье представляет собой оксид алюминия (Аl2О3), получаемый с руд:

• Бокситов;
• Алунитов;
• Нефелиновых сиенитов.

Самый распространенный источник получения исходного материала это бокситы, их и считают основной алюминиевой рудой.

Несмотря на уже более чем 130 летнюю историю открытия, понять происхождение алюминиевой руды до сих пор не удалось. Возможно, что попросту в каждом регионе сырье образовалось под воздействием определенных условий. И это создает затруднения, чтобы вывести одну универсальную теорию об образовании бокситов. Основных гипотез происхождения алюминиевого сырья три:

1. Они образовались вследствие растворения некоторых типов известняков, как остаточный продукт.
2. Боксит получился в результате выветривания древних пород с дальнейшим их переносом и отложением.
3. Руда является результатом химических процессов разложения железных, алюминиевых и титановых солей, и выпала как осадок.

Однако, алунитовые и нефелиновые руды образовывались в отличных условиях от бокситов. Первые формировались в условиях активной гидротермальной и вулканической деятельности. Вторые — при высоких температурах магмы.

Алюминиевая руда

Как результат, алуниты, в основном, имеют рассыпчатую пористую структуру. В их составе имеется до 40% различных оксидных соединений алюминия. Но, кроме собственно самой алюмниеносной руды в залежах, как правило, имеются добавки, что влияет на рентабельность их добычи. Считается выгодным разрабатывать месторождение при 50-ти процентном соотношении алунитов к добавкам.

Нефелины обычно представлены кристаллическими образцами, которые кроме алюминиевого оксида содержат добавки в виде различных примесей. Зависимо от состава, такой тип руды классифицируют по типам. Самые богатые имеют в своем составе до 90% нефелинов, второсортные 40-50%, если минералы беднее этих показателей, то не считается нужным вести их разработку.

Имея представления, о происхождении полезных ископаемых, геологическая разведка может довольно точно определить места нахождения залежей алюминиевых руд. Также условия формирования, влияющие на состав и структуру минералов, определяют способы добычи. Если месторождение считается рентабельным, налаживают его разработку.

Свойства алюминиевой руды

Боксит представляет собой сложное соединение оксидов алюминия, железа и кремния (в виде различных кварцев), титана, а также с небольшой примесью натрия, циркония, хрома, фосфора и прочих.

Самым важным свойством в производстве алюминия является «вскрываемость» бокситов. То есть насколько просто будет отделить от него ненужные кремниевые добавки, чтобы получить исходное сырье для выплавки металла.

Основа получения алюминия – глинозем. Чтобы он образовался, руду перемалывают в мелкий порошок, и прогревают паром, отделяя большую часть кремния. И уже эта масса будет сырьем для выплавки.

Чтобы получить 1 тонну алюминия, потребуется около 4-5 тонн бокситов, с которых после обработки образуется около 2 тонн глинозема, а уже потом можно получить металл.

Технология разработки алюминиевых залежей. Способы добычи алюминиевой руды

При незначительной глубине залегания алюминиеносных пород их добыча ведется открытым способом. Но, сам процесс срезания пластов руды будет зависеть от ее вида, и структуры.

• Кристаллические минералы (чаще бокситы, или нефелины), снимают фрезерным способом. Для этого используются карьерные комбайны. Зависимо от модели такая машина может вести срез пласта толщиной до 600 мм. Толща породы разрабатывается постепенно, образуя после прохода одного слоя полки.

Это делается для безопасного положения кабины оператора и ходовых механизмов, которые в случае непредвиденного обвала будут находиться на безопасном расстоянии.

• Рыхлые алюминиевоносные породы исключают использование фрезерной разработки. Так как их вязкость забивает режущую часть машины. Чаще всего такие типы пород могут срезать при помощи карьерных экскаваторов, которые тут же грузят руду на самосвалы, для дальнейшей транспортировки.

Транспортирование сырья — это отдельная часть всего процесса. Обычно обогатительные комбинаты по возможности стараются возводить неподалеку от разработок. Это позволяет использовать ленточные транспортеры для подачи руды на обогащение. Но, чаще изъятое сырье перевозят самосвалами.
Следующий этап, обогащение и подготовка породы для получения глинозема.

1. Руду при помощи ленточного транспортера перемещают в цех подготовки сырья, где может использоваться насколько дробильных аппаратов, измельчающих минералы поочередно до фракции приблизительно в 110 мм.
2. Второй участок подготовительного цеха осуществляет подачу подготовленной руды, и дополнительных добавок на дальнейшую переработку.

1. Следующий этап подготовки, это спекание породы в печах.

Также на этом этапе, возможна обработка сырья выщелачиванием крепкими щелочами. Результатом становится жидкий алюминатный раствор (гидрометаллургическая обработка).

1. Алюминатный раствор проходит стадию декомпозиции. На данном этапе получают алюминатную пульпу, которую в свою очередь отправляют на сепарацию, и выпаривание жидкой составляющей.
2. После чего данную массу очищают от ненужных щелочей, и направляют на прокалку в печах. В результате такой цепочки образуется сухой глинозем необходимый для получения алюминия путем гидролизной обработки.

Сложный технологический процесс требует большого количества топлива, и известняка, а также электроэнергии. Это является основным фактором расположения алюминиевых комбинатов – возле хорошей транспортной развязки, и нахождения рядом залежей необходимых ресурсов.

Однако существует и шахтный способ извлечения, когда порода из пластов вырубается по принципу добычи каменного угля. После чего руду отправляют на подобные производства по обогащению, и извлечению алюминия.

Одна из самых глубоких «алюминиевых» штолен находится на Урале в России, ее глубина достигает 1550 метров!

Страны лидеры по добыче алюминиевых руд

Основные месторождения алюминия сосредоточены в регионах с тропическим климатом, а большая часть 73% залежей приходятся на всего 5 стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. Из них самые богатые запасы имеет Гвинея более 5 млрд. тонн (28%от мировой доли).

Если разделить запасы и объемы по добыче, то можно получить следующую картину:

• 1-е место – Африка (Гвинея).
• 2-е место – Америка.
• 3-е место – Азия.
• 4-е место – Австралия.
• 5-е – Европа.

Пятерка лидеров стран по добыче алюминиевой руды представлена в таблице

Также к основным добытчикам алюминиевых руд относятся: Ямайка (9,7 млн. т.), Россия (6,6), Казахстан (4,2), Гайана (1,6).

Разработка месторождений алюминиевых руд в России

В нашей стране есть несколько богатых залежей алюминиевых руд, сосредоточенных на Урале, и в Ленинградской области. Но, основным способом добычи бокситов у нас, является более трудоемкий закрытый шахтный метод, которым извлекают около 80% от общей массы руд в России.

Лидеры по разработке месторождений – акционерное общество «Севуралбокситруда», АО Бакситогорский глинозем, Южно-Уральские бокситовые рудники. Однако их запасы исчерпываются. Вследствие чего России приходится импортировать около 3 млн. тонн глинозема в год.

В общей сложности на территории страны разведано 44 месторождения различных алюминиевых руд (бокситов, нефелинов), которых по оценкам, должно хватить на 240 лет, при такой интенсивности добычи как сегодня.

Импорт глинозема обусловлен низким качеством руды в залежах, например, на месторождении Красная Шапочка добывают боксит с 50% глиноземным составом, тогда как в Италии извлекают породу с 64% оксида алюминия, а в Китае 61%.

Применение алюминиевой руды

В основном до 60% рудного сырья используется для получения алюминия. Однако богатый состав позволяет извлекать из него, и другие химические элементы: титан, хром, ванадий и прочие цветные металлы, необходимые в первую очередь в качестве легирующих добавок для улучшения качеств стали.

Как вспоминалось выше технологическая цепочка получения алюминия обязательно проходит через стадию образования глинозема, который также используют в качестве флюсов в черной металлургии.

Богатый состав элементов в алюминиевой руде используется и для производства минеральной краски. Также способом плавки производится глиноземный цемент – быстро застывающая прочная масса.

Еще один материал, получаемый из бокситов – электрокорунд. Его получают путем плавления руды в электропечах. Это очень твердое вещество, уступающее только алмазу, что делает его востребованным в качестве абразива.

Также в процессе получения чистого металла образуются отходы – красный шлам. Из него извлекают элемент – скандий, который применяется в производстве алюминиево-скандиевых сплавов, востребованных в автомобильной промышленности, ракетостроении, выпуске электроприводов, и спортивного оборудования.

Альтернатива алюминиевым рудам

Развитие современного производства требует все больших объемов алюминия. Однако не всегда рентабельно разрабатывать месторождения, или импортировать глинозем из-за границы. Поэтому все чаще используется выплавка металла с использованием вторичного сырья.

Например, такие страны как США, Япония, Германия, Франция, Великобритания в основном производят вторичный алюминий, по объемам составляющий до 80% от общемировой выплавки.

Вторичный металл обходится намного дешевле, в сравнении с первичным, для получения которого тратится 20000 кВт энергии/1 тонну.

На сегодня алюминий, получаемый с различных руд, один из востребованных материалов позволяющих получать прочные и легкие изделия, не поддающиеся коррозии. Альтернатив металлу пока не найдено, и в ближайшие десятилетия объемы добычи руды, и выплавки будут только расти.

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.

Особенности производства алюминия: расчет сырья и технология добычи

Алюминий представляет собой химический элемент, который занимает лидирующую позицию среди самых распространенных металлов в земной коре, а также наиболее часто используемых. Его содержание в земле приравнивается к 9%. Встречается только в виде соединений, представленных оксидом алюминия или глиноземом. Именно в глине содержится около 30% такого оксида.

Данный металл выгодно отличается среди остальных видов благодаря своим свойствам. А это – отличная пластичность, высокие коэффициенты тепло- и электропроводности, небольшая плотность. Данная статья расскажет вам о технологиях производства и добычи алюминия и его сплавов в мире, а также о важных факторах таких мероприятий.

Необходимое оборудование

Для того чтобы добывать глинозем в природных условиях, а затем извлекать из него алюминий, потребуется достаточно большое количество оборудования:

• Машины для проведения раздачи глинозема;
• Катодная ошиновка;
• Установка по газоочистки сухим методом;
• Электролизер;
• Краны монтажного, линейного и технического назначения;
• Оборудование, необходимое для литейного и анодно-монтажного цехов.

Для производства алюминия необходимо не только большое количество оборудования, но и помещение достаточно большой площади, а также мощная электросеть.

Для организации такого производственного процесса потребуется огромное количество электроэнергии, именно поэтому крупные производители этого металла стараются располагать свои цеха в непосредственной близости от гидроэлектростанций, поставляющих более дешевую энергию. Далее рассмотрено сырье для производства алюминия.

В видео ниже рассказано о производстве алюминия:

Расчет сырья

Для того чтобы получить алюминий, необходимо в электролизер загрузить анодную массу, глинозем, а также фторсоль. Во время действия электролиза из глины получается окислы углерода, а также фтористые соединения в газообразном состоянии. При этом часть анодной массы расходуется в виде пены, которая снимается с поверхности самого электролита.

В теории для получения 1 кг алюминия потребуется 1,9 кг глинозема. Остальная его часть включает в себя всевозможные примеси и потери в процессе производства. Однако на практике сырья может потребоваться гораздо больше, в зависимости от типа глины, используемого оборудования и прочих факторов.

Далее рассмотрена технология литья, производства сварки алюминия аргоном.

Технологии производства алюминия

Технология производства (получения) алюминия включает в себя следующие стадии:

1. Добыча глинозема (окись алюминия) из алюминиевых руд.
2. Выделение из окиси алюминия.
3. Полная очистка алюминия.

Получить глинозем можно при помощи кислотного, щелочного и электролитического способа. Первый вариант предпочтительнее использовать при работе с высокими сортами сырья. Второй способ подразумевает быстрое разложение алюминиевого раствора путем введения алюминиевой гидроокиси. Образовавшийся после такой реакции раствор подвергается выпариванию с целью последующего использования для глинозема.

Первым этапом добычи алюминия является тщательное дробление боксита с применением едкой щелочи или извести. Затем происходит помещение сырья в автоклавы, где при температуре 250°С происходит его разложение и выделение алюмината натрия. Получившийся натриевый раствор проходит этап очистки в специальных сгустителях, где он отделяется от шлама. Очищенный раствор прогоняется через фильтры и направляется в емкости с регулярным помешиванием.

В вакуумных фильтрах и циклонах происходит выделение окиси алюминия, часть которой используется для затравки, а остальное количество направляется на кальцинацию. Это процесс также называется обезвоживанием и происходит при температуре около 1300°С. В среднем для получения 2 т окиси потребуется энергии до 8,5 кВт/ч. получившееся достаточно прочное соединение еще не является чистым алюминием.

Про процесс электролиза в производстве алюминия расскажет этот видеоролик:

Процесс электролиза

Главным оборудованием на данном этапе является специальная ванна (электролизер), оснащена углеродистыми блоками. К ней организуют подведение электрического тока мощностью до 150000 А, а в саму емкость загружают угольные аноды, которые сгорают после выделения чистого кислорода и образовывают окись углерода.

Аноды подразделяются на два вида:

• Полученные путем обжига угольных блоков, масса которых может превышать 1 т.
• Самообжигающиеся, включающие в себя угольные брикеты, распекающиеся при электролизе.

Рафинация металла

Наиболее популярным методом получения алюминия является трехслойный электролиз, который проходит в специальных ваннах, футерованных магнезитом. В качестве анода выступает непосредственно сам расплавленный алюминий. Он находится в самом нижнем слое.

Чистый же металл, который растворяется в анодном слое благодаря процессу электролита, поднимается на поверхность выступая катодом. Рафинированный алюминий в минимальном соотношении содержит магний, титан и прочие примеси. И уже на данном этапе получает вид товарной продукции, будь-то слитки, чушки или проволока.

Про Россию и другие страны с заводами по добыче-производству алюминия читайте ниже.

Известные производители

Наиболее крупным производителем алюминия является компания «Русал», которая производит более 4 млн. т алюминия в год. Также в список крупнейших производителей алюминия в России входят:

• Компания «СУАЛ», специализирующаяся на работе с алюминиевыми сплавами;
• АО «БАЗ», работающее на производстве и добыче глинозема и гидрооксида алюминия;
• ВгАЗ, завод по производству первичного алюминия.

Производство алюминия представляет собой сложный процесс, требующий необходимого оборудования, знания технологии, соблюдения особых условий и трудовых затрат. Зато изготовление различных изделий из алюминия — дело популярное.

О перспективах производства алюминия расскажет это видео:

Виды сырья для получения алюминия и требования к ним

1.2 Виды сырья для получения алюминия и требования к ним

Глинозем АI₂О_з является основным исходным материалом в производстве алюминия. Рудной базой для производства глинозема служат преимущественно бокситы, а также нефелины, алуниты и некоторые другие глинозёмсодержащие руды.

Можно назвать несколько опреде­ляющих требований к качеству глинозёма:

— повышенная скорость растворения в электролите и доста­точная адсорбционная (поглащающяя) активность поверхности от­носительно летучих фтористых соединений;

— хорошая текучесть при возможно меньшем пылении;

— удовлетворительные теплофизические свойства.

В промышленных условиях следует стремиться к макси­мальному совмещению этих свойств в используемом глинозёме.

Также глинозем подразделяется на следующие типы:

— с пониженной степенью кальцинации (слабопрокаленный);

Второй тип глинозема производится для некоторых отечественных предприятий с учетом использования его в установках «сухой» очистке газа.

Скорость растворения являются наиболее значимым показателем качества глинозёма. Промышленный опыт пока­зывает, что узкий диапазон частиц глинозёма +45-100 мкм со сдвигом крупности ближе к 100 мкм И содержание a-А1₂О_з не более 10% (остальное ‘У- А1₂О_з) обеспечивают хорошую смачи­ваемость и удовлетворительную скорость растворения глино­зёма в электролите.

Это достигается за счёт большого содержания в глинозёме частиц y-АI₂О_з, имеющих развитую ультрапористую структуру, дос­таточно большую удельную поверхность (более 60-80 м 2 /г), опреде­лённую методом гелиевой адсорбции или сокращенно «по БЭТ», и высокую степень насыщения структуры не скомпенсированными химическими связями. Особенно велико их химическое сродство к фтору, что и придаёт им свойства повышенной растворимости в электролите. Химическое сродство глинозёма· к фтору проявляется также в эффективном улавливании фтористых соединений в сухой газоочистке.

Не менее важным свойством глинозёма является его способ­ность образовывать устойчивую корку на поверхности электролита. Мягкая, но достаточно плотная корка с хорошим сцеплением частиц образуется при использовании глинозёма с теми же характеристика­ми по содержанию a-А1₂О_з и класса менее 45 мм, которые указаны выше для песчаного глинозёма.

Такая корка хорошо пропитывается электролитом и содер­жит больше глинозёма, легче поддаётся разрушению при обработке электролизёров и при ударе пробойника АПГ, чем корки, образую­щиеся при использовании мучнистого глинозёма. Следует также от­метить, что устойчивая корка образуется при условии, когда глино­зем хорошо смачивается электролитом. Мучнистый глинозём, в от­личие от песчаного, смачивается значительно хуже, и корка состоит преимущественно из застывшего электролита, поверх которого на­ходится глинозём. Прочность такой корки очень высока.

Теплопроводность и объёмная плотность глинозема играют большую роль в тепловом балансе электролизёра, в том числе в регулировании тепловых потерь через глинозёмную засыпку или ук­рытие анодного массива у электролизёров ОА, в поддержании ста­бильного уровня электролита и защите боковых поверхностей анода от окисления.

Текучесть глинозёма определяется в основном грануломет­рическим составом материала, а также содержанием в нём а- АI₂О_з. Материалом с хорошей текучестью можно считать глинозём с по­ниженной степенью прокалки. Он имеют крупность зерна более 45 мкм, высокую степень однородности гранулометрического соста­ва и угол естественного откоса 30-400. Однако в наибольшей степе­ни требованию высокой текучести удовлетворяет песчаный глинозем, содержащий фракцию 40-450 комкуются при контакте с электролитом. Образовав­шиеся комки обволакиваются электролитом и, имея больший удель­ный вес, оседают через границу металл-электролит, образуя осадок.

Кроме того, на электролизёрах ВТ глиноземы с плохой текучестью при перемещении анода зависают, образуя пустоты, но которым воздух проникает до боковых граней анода и окисляет их. Однако если текучесть глинозема будет слишком велика, то надежное укры­тие анодов будет затруднено, что особенно важно для электролизё­ров с обожженными анодами.

Потери глинозема за счет уноса с анодными газами в виде пыли зависят, главным образом, от его гранулометрического состава (от содержания фракции менее 10-20 мкм), от технологии обработки электролизёров, настройки АПГ и частоты анодных эффектов. Сум­марные потери мучнистого глинозёма составляют 17-25 кг/т алюми­ния, что на

10-15 кг/т выше по сравнению с результатами для пес­чаного глинозёма.

В глинозёме, используемом для производства алюминия, должно содержаться минимальное количество соединений железа, кремния, тяжелых металлов с меньшим потенциалом выделения на катоде, чем алюминий, т.к. они легко восстанавливаются и перехо­дят в катодный алюминий. Нежелательно также присутствие в гли­нозёме избытка оксидов щелочных металлов, поскольку они всту­пают во взаимодействие с фтористым алюминием электролита по реакции

разлагают его и тем самым нарушают установленное криолитовое отношение. Для восстановления к.о. требуется корректировка элек­тролита фтористым алюминием, что удорожает стоимость первич­ного алюминия. В случае содержания Na₂0 в глинозёме 0,3 % и бо­лее при работе на кислых электролитах начинается наработка из­лишнего количество электролита, который необходимо периодиче­ски сливать из ванны.

Для расчёта количества АIF_з (Сфа, кг), требуемого для кор­ректировки электролита, можно пользоваться формулой И.П. Гупало

Сфа = 2 т (К1-К2) /С (2 + Ю)К2

где: К1 и К2 — к.о. электролита соответственно до и после корректировки; т — масса корректируемого электролита, кг; С — со­держание АIF_з в промышленной соли фтористого алюминия, доли ед.

Эта формула с соответствующими коэффициентами на со­став сырья, срок службы электролизёра, температуру электролита JI др. служит основой существующих методик расчета корректирую­щей дозы фтористого алюминия.

По химическому составу глинозём должен соответствовать приведенным в ГОСТ 30558-98 «Глинозём металлургический».

Боксит является лучшим и во всем мире основным сырьем для по­лучения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По хими­ческому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al O nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов.

Нефелин Na(AlSiO) — минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O. Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленно­сти.

Алунит (квасцовый камень) KAl (SO) (OH) — минерал белого, се­рого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O. Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.

Для наплавления электролита — основной среды, в которой протекает процесс электролиза, используется криолит. Выпускае­мый в промышленности технический криолит должен соответство­вать требованиям ГОСТ 10561-80.

Выпускаемый отечественной промышленностью криолит отличается пониженным криолитовым модулем (т.е. пониженным отношением NaF:AIF₃). Это помогает поддерживать при переплавке такого криолита достаточно низкое криолитовое отношение в элек­тролите.

Кроме технического криолита на предприятиях, имеющих систему мокрой газоочистки, используют регенерированный крио­лит, который поступает в виде смеси с флотационным криолитом и носит название смешанного. Это так называемый вторичный крио­лит. В нём контролируют содержание фтора, натрия, серы, углерода и влаги.

В качестве основного модификатора электролита алюми­ниевых ванн используется соль A1F3. С помощью этой добавки ком­пенсируются потери фтора из-за улетучивания A1F3 и поддержива­ется заданное криолитовое отношение. Технический фтористый алюминий должен соответствовать условиям ГОСТ 19181-78 .

Фтористый натрий применяется после пуска электролизёров как компенсация соли NaF, которая теряется в результате пропитки угольной футеровки. Эта соль выпускается согласно ТУ 113-08-586-56. В высшем сорте содержится 97%, в первом сорте — 95% NaF. На практике как Источник натрия чаще всего используют соду.

Другие добавки (фтористый кальций, фтористый магний и кальцинированная сода) выпускаются по техническим условиям, согласованным производителем и пользователем.