Как получают алюминий в промышленности?

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:

• кремний;
• железо;
• цинк;
• углерод;
• водород;
• азот;
• озон;
• углекислый газ.

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.

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: свойства, применение, виды, способы получения

Алюминий – металлический элемент серебристо-белого цвета, его механические характеристики и технологические свойства обеспечивают широкое применение в различных отраслях промышленности, строительстве и быту.

Алюминий сочетает малую плотность и прочность, устойчивость к коррозии и резким температурным перепадам. В периодической таблице Менделеева обозначается как Al, атомный номер – 13. Этот элемент распространен в земной коре, по содержанию в ней занимает третье место после кислорода и кремния. В недрах его содержится примерно 8%. Для сравнения – золото в земной коре присутствует в количестве, равном всего миллионным долям процента.

Технологии промышленного получения алюминия

Впервые о существовании этого металла в 16 веке догадался Парацельс, выделивший из квасцов «квасцовую землю». В нейон выявил оксид неизвестного на тот момент металла, очень заинтересовавший ученого. В 18 веке его опыты повторил немецкий химик Маргграф, который и дал имя новому элементу. В переводе с латыни переводится как «вяжущий». Только в конце позапрошлого века был найден экономически выгодный способ промышленного получения алюминия.

Чаще всего этот металл получают из бокситов –вторичных пород. Они образовались при распаде алюмосиликатов первичного происхождения, которые, в свою очередь, сформировались в высокотемпературных условиях вулканических извержений. В России алюминий выделяют из нефелиновых руд, добываемых на Кольском полуострове и в Кемеровской области. Вторичные продукты добычи Al из нефелиновых руд: портландцемент, сода, удобрения.

Популярная технология получения глинозема (оксида алюминия) из бокситов – щелочной метод Байера, разработанный российскими учеными в конце 19 века. Полученный в результате этого процесса оксид Al₂O₃ – прочное химическое соединение, плавящееся при +2050°C. Металл в чистом виде получают электролизным восстановлением оксида. ОсобочистыйAlполучают трехслойным электролизом. Дополнительную очистку, если такая требуется, проводят рафинирующим электролизом с электролитом из алюмоорганических соединений, а также с помощью зонного плавления или дистилляции через субфторид.

Основные свойства алюминия

Этот элемент химически активен, но образующаяся на его поверхности плотная оксидная пленка защищает полуфабрикаты и готовые изделия от коррозионного разрушения.

Для алюминия характерны следующие физические свойства:

• плотность – 2,7 г/см 3 (для сравнения – плотность железа составляет 7,85 г/см 3 );
• температура плавления +600°C (железа+1535°C);
• высокие электро- и теплопроводность;
• парамагнетизм – металл притягивается магнитом исключительно при наличии магнитного поля;
• объемная гранецентрированная металлическая кристаллическая решетка.

Основные естественные примеси, присутствующие в Al после восстановления из оксида (кремний, цинк, титан, железо, медь), влияют на физические и технологические параметры металла. Чем он чище, тем выше его электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость и, конечно, цена. Основные механические параметры: предел прочности после холодного пластического деформирования– 150 МПа, относительное удлинение – 50%.

Alлегко формуется, поддается механической обработке, сваривается различными видами сварки. Для повышения коррозионной стойкости поверхность деталей и конструкций анодируют. Анодирование – электрохимический процесс создания толстой оксидной пленки.

Химические характеристики металла алюминия:

• Химическая активность. В мелкофракционном состоянии при высоких температурах Al активно соединяется с кислородом, фосфором, серой, азотом, йодом, углеродом. При комнатных температурах реагирует с бромом, хлором, щелочами.
• Взаимодействие с другими металлами с образованием сплавов, содержащих алюминиды, – интерметаллические соединения.
• При наличии на поверхности плотной оксидной пленки –стойкость к атмосферной коррозии, пресной и соленой воде, инертность к органическим кислотам, разбавленной и концентрированнойHNO₃. При очищенной оксидной пленке этот металл активно вступает в реакцию с водой.

Виды алюминия по степени очистки

В зависимости от процентного содержания основного элемента принята следующая классификация степеней чистоты:

• 99,5-99,79% – промышленная чистота (техническая);
• 99,8-99,949% – высокочистая;
• 99,95-99,9959% – сверхчистая;
• 99, 9960-99,9990 % – особо чистая;
• свыше 99,999% – ультрачистая.

Алюминий технической чистоты имеет широкое применение в промышленности, где важны его главные физические свойства – небольшая плотность, электро- и теплопроводимость. Он выпускается в виде алюминиевых листов, труб, плит, прутков, профильного проката. Их применяют для изготовления деталей и элементов конструкций, не запланированных для значительных нагрузок. Из высокоочищенных материалов выпускают фольгу и токопроводящие элементы.

Виды алюминиевых сплавов

Основная область применения алюминия– производство сплавов, которые разделяют на деформируемые и литейные.

Деформируемые

Такие марки хорошо обрабатываются на всех стадиях обработки, сочетают прочность и пластичность. Используется при производстве листов, прутков, труб, поковок, штамповок. Применяемые способы деформирования: прокатка, волочение, прессование, ковка. По способности повышать прочностные характеристики деформируемые материалы на базе алюминия подразделяют на термически неупрочняемые и термически упрочняемые.

Популярный сплав, относящийся к этой группе, – дюралюминAl-Cu-Mg, в который дополнительно вводится марганец, повышающий устойчивость к коррозии. Если ранее наиболее распространенным был материал Д1, то постепенно его заменила более технологичная марка Д16. В Евросоюзе и США используются марки 2017, 2024, 2117.Дюралюмин, выпускаемый в листах, для дополнительного улучшения коррозионной стойкости плакируют – покрывают поверхность слоем чистого Al.

Еще один представитель этой группы – авиаль (АВ), материал, используемый в авиастроении. Он немного уступает по прочности дюралюминам, но превышает их по пластичности в нормальном и нагретом состояниях. Удовлетворительно обрабатывается режущими инструментами, сваривается аргонодуговой и контактной сваркой.

Высокопрочные сплавы на основе алюминия обладают повышенными прочностными свойствами, но меньшей пластичностью по сравнению с дюралюминами. Марка В95широко применяется в самолетостроении для конструкций, эксплуатируемых при температурах выше +100°C. Хорошо сваривается точечной сваркой и обрабатывается режущими инструментами.

Литейные

Алюминиевые сплавы для фасонного литья отличаются жидкотекучестью, небольшой усадкой, стойкостью к образованию горячих трещин, коррозии. Количество легирующих элементов в таких материалах выше, чем в деформируемых. Наиболее распространены композиции Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, дополнительно легированные небольшими количествами марганца, хрома, никеля.

Примеры использования алюминия и его сплавов при производстве различных видов транспорта

Современные отрасли транспортостроения невозможно представить без материалов, созданных на основе Al, которые сочетают достаточно высокую прочность, пластичность, малую плотность и хорошую устойчивость ко многим видам коррозии.

Самолетостроение

В РФ при создании авиационной техники широко используют тремоупрочняемые высокопрочные марки, содержащие, помимо AL, цинк, магний, медь. Марки повышенной прочности и среднепрочные, не имеющие в своем составе цинка, используются для изготовления киля, крыла, фюзеляжа. Для гидросамолетов востребованы магнийсодержащие марки АМг5, АМг6 с хорошей свариваемостью и марки В92, 1915, 1420.

Создание объектов космической техники

В этой области используют сплавы на основе алюминия, обладающие хорошей устойчивостью к низким температурам. Из марки 2219, способной работать при криогенных температурных условиях в контакте с жидким кислородом, гелием, водородом, изготавливались листы, применяемые при создании космических «Шаттлов». Из алюминиево-литиевой марки 2090 изготавливают емкости для жидкого водорода.

Судостроение

Алюминиевая промышленность изготавливает полуфабрикаты из алюминия и его сплавов для использования в судостроении. Из них производят судовое оборудование, корпуса судов, коммуникационные системы, надстройки для палубы. Применение этих материалов вместо стали уменьшает массу судна, улучшает его маневренность и максимально допустимую скорость. Чаще всего в этой отрасли востребованы магний- и марганецсодержащие марки.

Железнодорожный транспорт

Подвижной состав, эксплуатируемый на железной дороге, изготавливается только из прочных, износостойких, коррозионностойких, долговечных материалов. Такие свойства имеют алюминий и сплавы на его основе. Из них изготавливают емкости для перевозки сырой нефти, темных и светлых нефтепродуктов, масел.

Автомобильный транспорт

Сочетание небольшой плотности, прочности, декоративных характеристик и коррозионной устойчивости позволяет успешно использовать алюминиевые марки в автомобилестроении. Их применение расширяет ассортимент перевозимых товаров, среди которых могут быть жидкости и газы высоких классов опасности.

Применение алюминия в металлургии

Алюминий – высокоактивный металл, поэтому его используют в металлургии в качестве мощного восстановителя при производстве хрома, кальция, марганца. Для раскисления стали используется низкокачественный материал, не подходящий для производства полуфабрикатов и готовой металлопродукции. В ходе этого процесса из расплавленного железа удаляется кислород, негативно влияющий на эксплуатационные свойства конечного продукта.

Как получают алюминий в промышленности?

Алюминий является одним из самых распространенных элементов в земной коре – с количеством более 7% занимает третье место после кислорода и кремния. Его получают из боксита, т.е. осадочной горной породы, в которой он встречается в основном в виде оксида.

Этот металл хорошо известен уже более 2-х тысяч лет и характеризуется широким техническим применением. Для чего его можно использовать?

В промышленности алюминий в основном используется в сплавах с другими элементами, что улучшает его эксплуатационные свойства. В таком виде он представляет собой универсальный конструкционный материал с очень универсальным применением. Среди алюминиевых сплавов можно выделить, в частности, литейные сплавы и сплавы, используемые для пластической обработки. В их состав, кроме алюминия, входят такие элементы, как: медь, магний, кремний и марганец. Алюминиевые сплавы используют, в частности, в авиации, химической промышленности, автомобилестроении и даже в судостроении.

Алюминий широко используется в промышленности также и в чистом виде для изготовления разных предметов быта, таких как, например, зеркала, банки для напитков и продуктов питания, кухонные принадлежности или же всем известная алюминиевая фольга. Его используют также для изготовления химической аппаратуры, электрических проводов, а даже взрывчатых веществ. Чтобы выделить этот элемент из бокситовой руды, необходимо осуществить два следующих друг за другом этапа. Первый из них – это процесс Байера, который позволяет получить из минерала оксид алюминия. Затем это соединение подвергается электролизу, в результате чего образуется алюминий технической чистоты.

Из чего производят алюминий?

Чистый алюминий не встречается в природе из-за его способности к пассивации. Это явление заключается в окислении металла в присутствии воздуха, в результате чего на его поверхности образуется пассивный защитный слой. Алюминий покрывается слоем оксида алюминия (Al₂O₃) толщиной до нескольких нм. Затем, под воздействием влаги внешний слой подвергается частичному гидролизу, в результате чего дополнительно образуется гидроксид, т.е. Al(OH)₃.

Алюминий входит в состав разных минеральных пород, встречающихся в природе в виде руд. Для производства чистого алюминия используется, прежде всего, глинистая бокситовая руда. Она образуется в основном в местах выветривания алюмосиликатных пород в жарком климате и содержит также соединения железа. Это порода с характерным красным или коричневым цветом, которая встречается в двух видах: силикатном и карбонатном.

Производство алюминия технической чистоты

Алюминий технической чистоты (более 99%) промышленно получают в результате двух последовательных процессов. В результате первого получают оксид алюминия (процесс Байера), а на следующем этапе проводят процесс электролитической редукции (электролиз методом Холла-Эру), благодаря которому получают чистый алюминий. Для снижения расходов, связанных с транспортировкой бокситовой руды, большинство перерабатывающих предприятий строят недалеко от шахт.

Процесс Байера

Первый этап после добычи руды заключается в ее мытье с помощью воды. Таким образом удаляют большую часть загрязнений, которые просто растворяются в воде. Затем, в обработанное водой сырье добавляют CaO, т.е. оксид кальция. После этого его измельчают с помощью специальных трубных мельниц до момента получения зерен с очень малым диаметром, т.е. меньше 300 мкм. Соответствующее измельчение сырья чрезвычайно важно, так как оно обеспечивает большую площадь поверхности зерен, что, в свою очередь, влияет на эффективность протекания процесса экстракции.

Следующий этап производства оксида алюминия заключается в растворении зерен при помощи водного раствора каустической соды. В Группе PCC гидроксид натрия производится методом мембранного электролиза. Полученный таким образом продукт характеризуется очень высоким качеством и чистотой, отвечая при этом требованиям последнего издания Европейской фармакопеи. Смесь, содержащая молотые зерна и гидроксид натрия, хранится в течение нескольких часов в специальных реакторах, называемых автоклавами. Во время протекающего процесса осаждения в реакторах поддерживаются высокое давление и повышенная температура. Таким образом, получают алюминат натрия, который затем очищают при помощи разных фильтров.

На следующем этапе очищенный раствор алюмината натрия подвергается разложению. В результате образуется натровый щелок (т.е. водный раствор каустической соды) и кристаллы гидроокиси алюминия высокой степени чистоты. Полученный в результате кристаллизации осадок отфильтровывают и промывают водой. А оставшийся натровый щелок нагревают и возвращают в процесс для повторного использования.

Последним этапом производства чистого оксида алюминия является кальцинация. Она заключается в нагревании гидроксида алюминия при температуре выше 1000 o C, в результате чего происходит его разложение на Al₂O₃, который получают в виде чистого белого порошка. Так подготовленный оксид алюминия транспортируют в печи для получения металлического алюминия в процессе электролитической редукции.

Электролиз оксида алюминия

Следующим этапом получения чистого алюминия является проведение процесса электролиза методом Холла-Эру. В первую очередь, полученный в процессе Байера Al₂O₃ расплавляют с криолитом и таким образом приготовленный раствор подвергают процессу электролиза при температуре не выше 900 o C. Полученный таким образом жидкий алюминий отделяют от электролита и удаляют из электролитических ванн с помощью т.н. вакуумных сифонов. Затем сырье попадает в литейное устройство, откуда на дальнейшем этапе его вкладывают в раскаленные печи, в которых происходит процесс переработки. Он заключается в очистке алюминия с целью достижения максимальной чистоты. В промышленных условиях алюминий может быть очищен двумя методами. Первый из них заключается в растопке алюминия и пропускании через него хлора, благодаря чему примеси связываются с хлором, образуя хлориды, которые затем удаляют из процесса. Второй метод заключается в электролитической редукции расплавленного с медью алюминия. Полученный таким образом конечный продукт характеризуется очень высокой чистотой.

Алюминий – материал будущего

Разработка метода получения чистого алюминия из боксита с помощью процесса Байера и электролиза Холла-Эру расширила область применения этого элемента. Кроме того, сочетание высокой прочности с легкостью позволило в некоторых случаях заменить алюминием более дорогую сталь. Устойчивость к воздействию атмосферных факторов дала возможность использовать алюминий в производстве оконных и дверных профилей. Еще одним преимуществом алюминия является возможность подвергать его многократной вторичной переработке, благодаря чему он считается относительно дружественным окружающей среде материалом.

Подводя итог, алюминий – это универсальный материал, широко используемый в пищевой, энергетической, химической, транспортной, строительной, автомобильной и авиационной промышленностях. Учитывая его многочисленные преимущества, безусловно, это не предел возможностей его применения и в ближайшем будущем он по-прежнему будет приобретать популярность.

Алюминий: свойства, как добывают, сферы применения, инвестиции в металл

Алюминий – один из самых распространенных металлов в земной коре.

• Исторические факты
• Нахождение в природе
• Как получают алюминий
• Физические и химические свойства
• Где и как производят алюминий
• Сферы применения металла
  • Применение в качестве восстановителя
  • Виды сплавов
  • Алюминий в ювелирных изделиях
  • Другие сферы применения
• Токсичность металла
• Алюминий в инвестициях
• Интересные факты об алюминии

Алюминий обладает серебристо-белым окрасом, легкой массой и высокой электропроводностью. Плавится металл при температуре 660 °С. Среди плюсов отмечают низкую плотность, достаточно высокую прочность, отличную проводимость тепла, стойкость к коррозии.

Благодаря этому считается одним самых важных технических металлов. Алюминиевые сплавы получают литейным, деформируемым и другими способами.

Исторические факты

Впервые об этом металле упоминается во времена римского императора Тиберия. Неизвестно, миф это или правда, но правителю в дар принесли чашу из очень легкого металла, визуально похожего на серебро. Испугавшись, что новый материал обесценит лежавшее в казне золото и серебро, он казнил изобретателя и уничтожил работы из алюминия. Заговорили вновь о легком серебристом металле спустя полторы тысячи лет. Известный немецкий врач и испытатель Парацельс фон Гогенгейм открыл алюминий в процессе исследования квасцовой земли. В то время её называли глиноземом.

Нахождение в природе

Одним из самых распространенных среди металлов считается алюминий. Он занимает 8,8 % всей массы земной коры. Его соединения – боксит, алюмосиликаты, корунд. Большую часть земной коры составляют алюмосиликаты. Боксит относится к горным породам, из которого добывают алюминий.

Практически весь металл алюминий в природе находится лишь в соединения. В редких случаях находят чистый металлический алюминий в очень маленьких количествах. Среди основных соединений стоит отметить такие:

• Бокситы;
• Нефелины;
• Алуниты;
• Глиноземы;
• Корунд;
• Полевые шпаты;
• Каолинит;
• Берилл;
• Хризоберилл.

Также его находят в природных водах в форме низкотоксичных соединений, таких как фторид. Чистый алюминий включает только устойчивый изотоп 27 AI.

Как получают алюминий

Химический элемент алюминий достаточно сложно получить в чистом виде. Для получения алюминия потребуется провести множество этапов по отделению его от других элементов. Как получают алюминий? Сам процесс состоит из нескольких этапов: измельчение бокситной руды и добыча глинозема, получение конечного элемента из него. Другими словами его называют кристаллической окисью алюминия, которую электролизуют в криолите. Температура плавления 960 — 970 °С. Для этой процедуры требуется большое количество электроэнергии, поэтому производство вещества часто находится вблизи масштабных электростанций.

Физические и химические свойства

Основные физические свойства алюминия заключаются в высокой теплопроводности, практически в два раза больше чем сталь. Кроме того он имеет плотность в три раза меньше, чем у железа и цинка. И ко всему этому стоит добавить высокую прочность материала. Алюминий реагирует с такими веществами: медь, магний, кремний и другие.

Химические свойства алюминия:

• Образование соединений ионного и ковалентного вида;
• Высокая энергия ионизации;
• Высокая плотность заряда наряду с катионами других подобных материалов;
• Слабая подверженность коррозии;
• Реакция с кислородом, галогенами, неметаллами, фтором, серой, азотом, углеродом, водой.

Где и как производят алюминий

Добыча и производство алюминия в целом состоит из трех стадий. Первый и второй этапы – выработка бокситов и образование из них глинозема. На последнем из глинозема получают чистый материал в процессе электролиза. На 4-5 тонн алюминийсодержащей руды приходится 2 глинозема и 1 алюминий.

Добыча алюминия в мире может производиться из других алюминиевых руд, но самыми распространенными считаются бокситы. Основа их — оксид алюминия и других минералов. Качество определяется высоким содержанием металла. Общий мировой запас алюминиевых руд составляет более 18 миллиардов тонн. Учитывая теперешнюю добычу алюминия в мире по странам, его должно хватит более чем на один век.

Большая часть бокситов находится в странах с тропическим поясом. Только 73 % приходится на Индию, Гвинею и Австралию. Больше всего бокситов сосредоточено в Гвинее. Они имеют высокое качество и минимум минеральных примесей. По подсчетам 2014 года отмечают такие страны — лидеры по добыче алюминия: Китай, Австралия, Бразилия, Гвинея, Индия, Ямайка, Россия и Казахстан.

Как правило, добыча алюминия осуществляется открытым методом. При помощи специального оборудования убирают слой земной коры, которая перевозится для следующего этапа переработки. Есть точки добычи руды с глубоким залеганием. Для получения ее приходится сооружать шахты. Самая глубокая шахта находится в России. Глубина ее составляет 1550 метров.

Россия по добыче алюминия находится на 7 месте мирового рейтинга. В этой стране существует более пятидесяти месторождений. Одним из самых старых считается Радынское, находящееся в Ленинградской области. Среди всех мест добычи алюминия в России выделяют «Красную шапочку», Кальинское, Ново-Кальинское в Североуральске, Черемузовское в Свердловской области. Наша страна славится также большим разнообразием заводов-производителей металла. Наиболее крупным в России и не только является «Русал», который производит более 3 миллионов тонн металла.

Сферы применения металла

Алюминий получил широкое применение в качестве конструкционного материала. Главные преимущества его – легкая масса, гибкость штамповки, устойчивость к коррозии, высокий уровень тепло или электропроводности, нетоксичность соединений. Именно эти достоинства привели к его широкому использованию в производстве посуды для кухни, упаковочной тары и фольги для пищевой отрасли.

Говоря о недостатках, следует в первую очередь отметить невысокую прочность. Поэтому в алюминий стали добавлять малую долю меди и магния. Также материал успешно применяется в производстве электротехники, поскольку его электропроводность на высоком уровне. Единственный минус – сложность пайки из-за прочной оксидной пленки.

Легкий металл используется в разных видах транспорта. В сфере авиации он является главным конструкционным материалом. Применение алюминия коснулось и область судостроения. При помощи сплавов из него производят корпусы, палубы и оборудование для суден.

Применение в качестве восстановителя

Алюминий успешно применяется в качестве восстановителя. Алюминиевое восстановление металлов достаточно распространено. Выплавка алюминия позволяет восстанавливать редкие виды металлов. Также его применяют для пиротехники.

Виды сплавов

Для производства конструктивных материалов требуется большая прочность. Алюминий таковой не обладает, поэтому его соединяют с другими химическими элементами в меньшем количестве. Самые распространенные сплавы:

1. Алюминиево-магниевые. Отличаются высокой прочностью, гибкостью, устойчивостью к коррозии, вибростойкостью и свариваемостью. Процент магний в сплавах составляет не более 6 %.
2. Алюминиево-марганцевые. Обладают также высокой прочностью, пластичностью, неподверженностью коррозии и свариваемостью.
3. Алюминиево-медные. Одни из самых высокотехнологичных. Улучшенный вариант низкоуглеродистых сталей. Существенный минус – подверженность коррозии.

Алюминий в ювелирных изделиях

Особенную ценность представлял металл во времена Наполеона III. В тот период из него изготавливали ювелирные изделия, пуговицы, посуду. Ее оценивали наряду с золотой и серебряной. Но спрос на драгоценности из алюминия быстро прошел, после того как возникли новые возможности его добычи.

Другие сферы применения

Легкий металл используют в разных отраслях, в том числе военной промышленности. Это как правило касается оружейного производства. Также известно его применение в ракетной технике в качестве твердого топлива и горючих компонентов.

Токсичность металла

Хотя алюминий очень распространен в мире, живые существа не используют его из-за небольшой токсичности. Соединения его долгое время оказывают вредное действие на людей и животных. Наибольшее влияние оказывают ацетат и гидроксид алюминия. Они воздействуют негативным образом на нервную систему и выделительную функцию организма.

Алюминий в инвестициях

В настоящее время выгодно инвестировать деньги в алюминий. Динамика цен на алюминий в 2018 году колеблется до 2, 562 доллара за тонну. Такой рост обусловлен множеством санкций и последствиями их. Цены на металл на бирже в апреле-мае не достигали выше 2,280 долларов.

Интересные факты об алюминии

Этот металл имеет такие особенности:

• Его соединения существуют не только на нашей планете, но и на Луне и Марсе;
• В организме человека имеется более 100 мг данного вещества;
• Суточная необходимость в нем составляет 2, 4 мг;
• Больше всего химического элемента находится в яблоках;
• Первый слиток чистого металла был произведен в 1932 году.

Производство алюминия

А мы тем временем приступим к изучению технологии производства алюминия в фотографиях.

Общая информация
Алюминий — химический элемент третьей группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Земная кора на 8,8% состоит из алюминия (для сравнения, содержание в земной коре железа – 4,2%, меди – 0,003, золота – 0,000005%). В природе алюминий встречается только в виде различных и очень разнообразных по своему составу соединений. Основная их масса приходится на оксид алюминия — в обиходе он называется глиноземом , или просто глиной. Глина примерно на треть состоит из оксида алюминия и является потенциальным сырьем для его производства.

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Это — небольшая плотность алюминия, хорошая пластичность и достаточная механическая прочность, высокие тепло- и электропроводность. Алюминий нетоксичен, немагнитен и коррозионностоек к ряду химических веществ.

Важнейшие потребители алюминия и его сплавов — авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.

Производство алюминия
Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозёма) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в криолите.

Технологический процесс получения алюминия состоит из двух основных стадий:

• Получение глинозема (Al₂O₃) из алюминиевых руд;
• Электролиз и рафинирование алюминия из глинозема;

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью. Полученный алюминат натрия подвергают гидролизу. В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия. Гидроксид алюминия обезвоживают путем нагрева во вращающихся печах и получают обезвоженный глинозем.

Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят гидроксид алюминия, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок. Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Таким образом получают глинозем, представляющий из себя серый порошок. Следующая задача выделить из него чистый алюминий с помощью электролиза. Вот теперь начинается самое интересное:

Цех по изготовлению анодов

2. Алюминиевая промышленность является крупным потребителем угольных электродов, которые служат для подвода тока к электролиту в электролизерах.

3. Здесь производят прессованные предварительно обожженные электроды.

4. Анод представляет собой призматический блок, на верхней плоскости которого имеется несколько ниппельных гнезд (углублений).

5. Анодные блоки изготавливают из малозольных и малосернистых коксов.

6. Для подвода тока к аноду служат стальные ниппеля, которые вставляют в ниппельные гнезда и заливают расплавленным чугуном или заделывают углеродистой пастой.

7. Для производства углеродистых изделий применяют твердые углеродистые материалы, составляющие основу электрода, и связующие углеродистые вещества, заполняющие промежутки между зернами твердых углеродистых материалов. При обжиге изделий связующие вещества коксуются и прочно связывают зерна твердых углеродистых материалов между собой.

Электролизный цех

10. Современный цех электролиза представляет собой территориально и административно обособленную хозрасчетную единицу с полным циклом производства — от приемных складов сырья до складов товарной продукции, основу которого составляет одна или несколько серии последовательно соединенных электролизных ванн.

11. Электролизер представляет собой ванну с расплавленным криолитом, двойным фторидом натрия и алюминия, в котором растворено 3–5% глинозема, – плавающим на подушке из расплавленного алюминия. Стальные шины, проходящие через подину из углеродистых плит, используются для подачи напряжения на катод, а подвешенные угольные бруски, погруженные в расплавленный криолит, служат анодами. Рабочая температура процесса близка к 950° С, что значительно выше температуры плавления алюминия. Температура в электролизной ванне регулируется изменением зазора между анодами и катодным металлоприемником, на который осаждается расплавленный алюминий.

14. Жидкий алюминий выделившийся на подине, служащей катодом, тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают. Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, с выделением окиси углерода СО и двуокиси углерода CO₂.

15. Сила тока на электролизерах составляет 150 000 А. Рабочее напряжение на ванне 4-5 В. Рядом с электролизерами присутствует сильное электромагнитное поле.

16. Специальная машина транспорта анодных паллет. Применяются для транспортировки свежих анодов и анодных огарков между анодо-монтажным отделением (АМО) и корпусом электролиза.

17. Общие размеры цеха впечатляют. Позади такой же ряд электролизеров, а также рядом находится второй цех аналогичных размеров.

18. Характерным для производства глинозема, фтористых солей и углеродистых изделий является требование максимальной степени чистоты этих материалов.

19. В состав электролита промышленных алюминиевых электролизеров, помимо основных компонентов — криолита, фтористого алюминия и глинозема, входят небольшие количества (в сумме до 8-9%) некоторых других солей, которые улучшают некоторые физико-химические свойства электролита и тем самым повышают эффективность работы электролизеров.

20. По мере обеднения электролита глиноземом в него вводят очередную порцию глинозема.

Литейный цех

21. Литейное отделение расположено на территории электролизного цеха с таким расчетом, чтобы транспортные пути жидкого металла из корпусов электролиза в литейное отделение были минимальными. Основное оборудование этого отделения — отражательные печи (миксеры) с электрическим обогревом.

22. Обычно для повышения качества продукции устанавливают последовательно две спаренные отражательные печи, одна из которых (отстойник) предназначается для приема, отстаивания, усреднения температуры и состава металла, а другая (разливочная) — для литья из нее различных видов продукции. Система стационарных печей в отличие от поворотных позволяет осуществить непрерывный процесс литья.

23. Жидкий алюминий выдерживают в электропечи в течение 30—45 минут при температуре 690—730 °С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла.

24. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через
расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5—99,85%.

25. Разливка мелкоформатной чушки производится в изложницы на разливочной машине конвейерного типа, оборудованной устройством для механического клеймения чушек и системой воздушного или водяного охлаждения изложниц.

26. Разливку металла в изложницы ведут короткой ровной струей. После заполнения изложниц с поверхности металла удаляют оксидную пленку.

27. Устройство для механического клеймения чушек.

28. Отлитые чушки укладываются в штабеля с помощью чушкоукладчика, установленного в конце конвейерной машины.

29. После этого готовая продукция упаковывается в паллеты по 1000 кг и отправляется на склад.

30. Для производства одной тонны алюминия требуется около 14 000 киловатт-часов электроэнергии и окол двух тонн глинозема. В то же самое время, для производства одной тонну глинозера требуется переработать около 5 тонн бокситовой руды. В настоящее время стоимость алюминия на лондонской бирже металлов составляет 2600 долларов за тонну.

Видео с электролизного завода. Я совершил небольшую ошибку пытаясь одновременно снимать фото и видео, в результате на видео имеются паузы в момент экспонирования.

Книга для самостоятельного изучения: Металлургия алюминия

Репортажи с этого завода также смотрите в ближайшее время в журналах russos и gelio (здесь).