Металлургия алюминия. Алюминиевая промышленность. Центры производства алюминия

Впервые металлический алюминий был получен химическим путем немецким химиком Ф.Велером в 1821 г. (восстановлением из хлорида алюминия металлическим калием при нагревании). В 1854 г. французский ученый Сент-Клер Девиль предложил электрохимический способ получения алюминия, восстанавливая натрием двойной хлорид алюминия-натрия.

Производство и получение алюминия

Металлический алюминий получают в три стадии:

• Получение глинозема (Al 2 O 3) из алюминиевых руд;
• Получение алюминия из глинозема;
• Рафинирование алюминия.

Получение глинозема

Около 95 % всего глинозема получают из бокситовых руд.

Боксит (фр. bauxite) (по названию местности Baux на юге Франции) – алюминиевая руда, состоящая из гидроксидов алюминия, оксидов железа и кремния, сырьё для получения глинозёма и глинозёмосодержащих огнеупоров. Содержание глинозёма в промышленных бокситах колеблется от 40 % до 60 % и выше. Используется также в качестве флюса в чёрной металлургии.

Рисунок 1 – Бокситовая руда

Обычно бокситы представляют собой землистую глиноподобную массу, которая может иметь полосчатую, пизолитовую (гороховидную) либо однородную текстуру. В обычных условиях выветривания полевые шпаты (минералы, составляющие большую часть земной коры и являющиеся алюмосиликатами) разлагаются с образованием глин, но в условиях жаркого климата и высокой влажности конечным продуктом их разложения могут оказаться бокситы, т. к. подобная обстановка благоприятствует выносу щелочей и кремнезёма, особенно из сиенитов или габбро. Бокситы перерабатывают в алюминий поэтапно: сначала получают оксид алюминия (глинозём), а затем металлический алюминий (электролитическим способом в присутствии криолита).

Основные примеси в бокситах это Fe 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 . К малым примесям бокситов относят: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, редкоземельные элементы, Cr, P, V, F, органика.

Обычно бокситы классифицируют:

• по цвету;
• по основному минералу (чаще они бывают смешанными);
• по возрасту.

Основными критериями качества алюминиевой руды являются :

1. Кремниевый модуль (Мsi = Al 2 O 3 /SiO 2 (% масс.)). Чем больше кремниевый модуль тем лучше качество (Мsi = 7);
2. Содержание железа в пересчете на Fe 2 O 3 . Если содержание Fe 2 O 3 около 18 % масс., то боксит считается высокожелезистым. Чем больше содержание железа труднее добыть бокситы;
3. Содержание серы. Наличие большого количества серы усложняет переработку боксита;
4. Содержание карбонатов в пересчете на CO 3 (2-) . Наличие большого количества карбонатов усложняет переработку боксита.

Бокситы применяют:

• в производстве глинозема;
• в производстве абразивных материалов;
• в производстве огнеупорных материалов;
• в качестве флюса для выплавки мартеновской стали;
• для сушки газов и чистки нефти от серы;
• в качестве красителя.

На сегодняшний день главными поставщиками боксита являются:

• Австралия – там находятся также огромные залежи Fe, Au, U, Ni, Co, Cuи др. Выгоднее покупать сырье у Австралии, чем перерабатывать свое.
• Гвинея – У России есть несколько купленных мест.
• Центральная Америка: Гайана, Ямайка, Суриман.
• Бразилия.

В Европе все месторождения истощены. Осуществляются поставки бокситов из Греции, но данное сырье является сырьем низкого качества.

Рисунок 2 – Запасы бокситов в мире

Ниже представлен основных месторождений алюминиевых руд в России.

• Первое месторождение было открыто в 1914 г. под Сант-Петербургов, рядом с городом Тихвин. На данном месторождении было построено 6 заводов. Самый большой - это Волховский алюминиевый завод. На сегодняшний день Тихвинское месторождение истощено и работает в основном на привозном сырье.
• В 1931 г. было открыто уникальное Северо-Уральское месторождение высококачественных бокситов (СУБР). Оно послужило базой для строительства в 1939 г. Уральского алюминиевого завода (УАЗ). А на основе Южно-уральского бокситового рудника (ЮУБР) был построен Богословский алюминиевый завод (БАЗ).
• Североонежское месторождение находится по дороге на Кольский полуостров. В Плане есть, но дата строительства неизвестна.
• Висловское месторождение – чистоглинистое месторождение каолитного типа. Для глинозема не используется.
• Тиманское месторождение (Республика Коми, Варкута). Канадцы заинтересованы в данном месторождении, поэтому планируют строительство заводов ("Коми Суал" - холдинг).

Получение глинозема из бокситовых руд

Поскольку алюминий амфотерен, глинозем получают тремя способами:

• щелочным,
• кислотным;
• электролитическим.

Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5 – 6 %) кремнезема). С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема получения глинозема по способу Байера

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169 – 170 °С может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1. Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al 2 O 3 ; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2. Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230 – 250 °С (500 – 520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlOOH+NaOH→NaAlO 2 +H 2 O

Al(OH) 3 +NaOH→NaAlO 2 +2H 2 O;

SiO 2 +2NaOH→Na 2 SiO 3 +H2O;

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100 °С;

3. Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6 – 1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4. Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60 °С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH) 3 . Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси – затравки:

Na 2 O ·Al 2 O 3 + 4H2O→Al(OH) 3 + 2NaOH;

5. Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50 – 60 % частиц Al(OH) 3 . Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затра­вочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Оста­ток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах – для выщелачивания новых бокситов);

6. Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150 – 1300 °С; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

Al(OH) 3 → AlOOH → γ-Al 2 O 3 → α-Al 2 O 3

200 °C – 950 °С – 1200 °С.

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30 – 50 % α-Al2O3 (корунд), остальное γ-Al 2 O 2 .

Этим способом извлекается 85 – 87 % от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ° С .

Получение алюминия электролизом

Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970 °С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают (рисунок 4). Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись угле­рода (CO) или двуокись углерода (CO 2). На практике находят применение два типа анодов:

• самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых «хлебов» массы Зедерберга (малозольный уголь с 25 – 35 % каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);
• обожженные, или «непрерывные», аноды из больших угольных блоков (например, 1900 × 600 × 500 мм массой около 1,1 т).

Рисунок 4 – Схема электролизера

Сила тока на электролизерах состав­ляет 150 000 А. Они включаются в сеть последова­тельно, т. е. получается система (серия) – длинный ряд электролизеров.

Рабочее напряжение на ванне, состав­ляющее 4 – 5 В, значительно выше на­пряжения, при кото­ром проис­ходит раз­ло­жение окиси алю­миния, поскольку в процессе рабо­ты неизбежны потери напряжения в различных частях системы. Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия

Вреакционном сосуде окись алюминия превращается сначала в хлорид алюминия. Затем в плотно изолированной ванне происходит электролиз AlCl 3 , растворенного в расплаве солей KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и пода­ется для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде.

Преимуществами данного метода перед существующим электролизом жидкого крио­литоглиноземного расплава (Al 2 O 3 , растворенная в кри­олите Na 3 AlF 6) считают: экономию до 30 % энергии; возможность применения окиси алюминия, которая не годится для традиционного электролиза (например, Al 2 O 3 с высоким содержанием кремния); замену дорогостоящего криолита более дешевыми солями; исчезновение опасности выделения фтора .

Получение рафинированного алюминия

Для алюминия рафини­рующий электролиз с разло­жением водных солевых рас­творов невозможен. Пос­кольку для некоторых целей степень очистки промыш­лен­ного алюминия (Al 99,5 – Al 99,8), полученного электролизом криолитогли­нозем­ного расплава, недостаточна, то из промышлен­ного алюминия или отходов металла путем рафинирова­ния получают еще более чистый алюминий (Al 99,99 R). На­иболее известен метод рафинирования - трехслой­ный электролиз.

Рафинирование методом трехслойного электролиза

Одетая стальным листом, работающая на постоянном токе (рисунок 6) ванна для рафиниро­вания состоит из уголь­ной подины с токопод­водами и теплоизоли­рующей магнезитовой футеровки. В проти­воположность электро­лизу криолитоглино­земного расплава ано­дом здесь служит, как правило, расплавлен­ный рафинируемый ме­талл (нижний анодный слой). Электролит сос­тавляется из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фто­ридов алюминия и нат­рия (средний слой). Алюминий, растворяю­щийся из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой). Чистый металл служит катодом. Подвод тока к катодному слою осуществляется графитовым электродом.

Рисунок 6 - Схема электролизера с передним горном для рафинирования алюминия (по Фульда - Гинзбергу)

1 – алюминиевый расплав; 2 – электролит; 3 – рафинированный алюминий высокой частоты; 4 – катод из графита; 5 – магнезитовая стена; 6 – передний горн; 7 – изолирующий слой; 8 – боковая изоляция; 9 – угольная подина; 10 – анодный токопровод; 11 – изоляция подины; 12 – железный короб; 13 – крышка

Ванна работает при 750 – 800 °С, расход электроэнергии составляет 20 кВт ч на 1 кг чистого алюминия, т. е. несколько выше, чем при обычном электролизе алюминия.

Металл анода содержит 25 – 35 % Cu; 7 – 12 % Zn; 6 – 9 % Si; до 5 % Fe и незначительное количество марганца, никеля, свинца и олова, остальное (40 – 55 %) – алюминий. Все тяжелые металлы и кремний при рафинировании остаются в анод­ном слое. Наличие магния в электролите приводит к нежелательным изменениям состава электролита или к сильному его ошлакованию. Для очистки от магния шлаки, содержащие магний, обрабатывают флюсами или газообразным хлором.

В результате рафинирования получают чистый алюминий (99,99 %) и про­дукты сегрегации (зайгер-продукт), которые содержат тяжелые металлы и крем­ний и выделяются в виде щелочного раствора и кристаллического остатка. Щелоч­ной раствор является отходом, а твердый остаток применяется для раскисления.

Рафинированный алюминий имеет обычно следующий состав, %: Fe 0,0005 – 0,002; Si 0,002 – 0,005; Cu 0,0005 – 0,002; Zn 0,0005 – 0,002; Mg следы; Al остальное.

Рафинированный алюминий перерабатывают в полуфабрикат в указанном составе или легируют магнием (таблица 1).

Таблица 1 – Химический состав алюминия повышенной чистоты и первичного алюминия по DIN 1712, лист 1

* Насколько возможно определить обычными методами исследования.

** Чистый алюминий для электротехники (алюминиевые проводники) поставляют в виде первичного алюминий 99,5, содержащего не более 0,03 % (Ti + Cr + V + Mn); обозначается в этом случае E-A1, номер материала 3.0256. В остальном соответствует нормам VDE-0202.

Рафинирование путем алюмоорганических комплексных соединений и зонной плавкой

Алюминий степени чистоты выше марки A1 99,99 R может быть получен рафинирую­щим электролизом чистого или технически чистого алюминия с применением в качестве электролита комплексных алюмоорганических соединений алюминия. Электролиз проходит при температуре около 1000°С между твердыми алюминиевыми электродами и в принципе схож с рафинирующим электролизом меди. Природа электролита диктует необходимость работать без доступа воздуха и при низкой плотности тока.

Этот вид рафинирующего электролиза, применяемым сначала лишь в лабора­торном масштабе, уже осуществляется в небольшом производственном масштабе – изготовляется несколько тонн металла в год. Номинальная степень очистки полу­чаемого металла 99,999 -99,9999%. Потенциальными областями применения металла такой чистоты являются криогенная электротехника и электроника.

Возможно применение рассмотренного метода рафинирования и в гальванотехнике.

Еще более высокую чистоту – номинально до A1 99,99999 – можно получить последующей зонной плавкой металла. При переработке алюминия повышенной чистоты в полуфабрикат, лист или проволоку необходимо, учитывая низкую температуру рекристаллизации металла, принимать особые меры предосторожности. Примечательным свойством рафинированного металла является его высокая электропроводность в области криогенных температур .

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 из всех минералов, его содержащих, дорого и нерентабельно. Добывают его из бокситов, которые содержат до 50% 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 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 алюминие-вая промышленность, ставшая за более чем вековую историю одной из самых крупных отраслей металлургии.

Основные этапы технологии производства

В общих чертах 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 Al 2 O 3 .

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 алюминия из руд:

Кислотный;

Электролитический;

Щелочной.

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 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 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.

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 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.

Основные алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины, из которых наибольшее значение имеют бокситы, содержащие 40-60% глинозема, остальное - оксиды железа, кремния, кальция, титана и др. примесей. В нефелинах, алунитах и каолинах содержится 20-30% глинозема (А1 2 0 3).

Алюминий получают в 2 стадии: получение глинозема (А1 2 0 3) из алюминиевых руд и получение алюминия электролизом из глинозема.

Около 95% всего глинозема получают из бокситовых руд. Боксит - алюминиевая руда,_состоящая из гидрооксидов алюминия, оксидов железа, титана и кремния.

Технология получения металлического алюминия включает в себя 4 отдельных производства (рис. 2.10).

Рис. 2.10.

В основе способа получения глинозема лежит реакция выщелачивания. При 230-250 °С происходит химическое разложение алюминиевого раствора от взаимодействия с водным раствором щелочи. Гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

В растворе алюминат натрия и силикат натрия выпадают в осадок (нерастворимый натриевый алюмосиликат). В этот осадок переходят окислы титана и железа, предающие ему красный цвет. Поэтому осадок получил название - красный шлам.

При разложении (декомпозиции) полученных растворов происходит обратная реакция - гидролиз алюминатного раствора с образованием кристаллического осадка гидрооксида алюминия. Следовательно, технологический цикл по щелочи замкнут. Затраченная на выщелачивание щелочь восстанавливается при декомпозиции и возвращается в начало процесса для обработки новой порции руды.

Для проведения электролиза глинозем необходимо расплавить, но он имеет очень высокую температуру плавления - 2030 °С, поэтому глинозем растворяют в специальной среде, что позволяет снизить температуру электролиза до 950-1000 °С.

Основным компонентом этой среды служит криолит - двойная соль фторидов алюминия и натрия (NaAlF 6). Для электролиза алюминия необходимо дополнительное количество AlF 3 .

Криолит и фтористый алюминий получают из флотационного концентрата CaF 2 , получаемого при обогащении природного плавикового шпата. В основе кислотного способа получения этих веществ лежат реакции:

Угольные изделия необходимы для подвода тока к электролиту и для футеровки электролизеров. В их состав входят: анодные обожженные блоки (компоновка электродов); анодная масса (формирование непрерывных самообжигающихся анодов); катодные блоки (для футеровки подины электролизера); угольные плиты (футеровка боковых стен электролизеров).

Электролиз проводят в электролизных ваннах-электролизерах.

В ванну из углеродистого материала заливают расплав алюминия (который служит катодом) и электролит, состоящий из криолита, глинозем. Толщина слоя расплава - 250-300 мм. Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000 °С. Глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион алюминия и образуется алюминий, а на аноде - ион кислорода, в результате чего электроды постепенно сгорают и заменяются новыми. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита, откуда его периодически откачивают в вакуумный ковш. Полученный электролизом алюминий-сырец содержит металлические и неметаллические примеси, газы, поэтому его рафинируют продувкой хлором.

Продувку хлором ведут в вакуумном ковше. Для этого ковш со снятой крышкой помещают под колпак вытяжной вентиляции. В расплав алюминия вводят трубку, по которой подают газообразный хлор. Пузырьки хлора, всплывая, захватывают взвешенные неметаллические примеси, хлориды металлов и хлористый водород. Всплывшую пену удаляют.

После обработки хлором алюминий (из различных электролизеров) сливают в отражательные печи вместимостью до 25 т и выдерживают несколько часов. Цель этой операции - усреднение состава алюминия и дополнительная очистка металла. Далее алюминий выпускают в виде слитков массой от 15 до 1000 кг.

Для получения алюминия высокой чистоты необходимо дополнительное рафинирование по трехслойному методу.

Сущность трехслойного метода состоит в том, что в электролизере создают три слоя расплава: анод - расплав алюминия технической чистоты; катод - расплав очищенного металла; между ними располагается слой, состоящий из сплава хлористого бария с фторидами алюминия и натрия. Для разделения слоев алюминия по удельному весу нижний слой утяжеляют, добавляя в загрязненный алюминий до 40% меди (плотность расплава 3200 кг/м 3).

При рафинировании более электроположительные примеси (Fe, Si, Си) накапливаются в анодном сплаве, а более электроотрицательные (Na, Ва, Са) переходят в электролит.

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 (Al 2 O 3) 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 , 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 (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 Al 2 O 3 , 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 Al 2 O 3 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 , 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.