Как производится алюминий

Сайт об алюминии

Несмотря на то, что алюминий самый распространенный металл на нашей планете, в чистом виде на Земле его не встретить. Из-за высокой химической активности атомы алюминия легко образуют соединения с другими веществами. При этом «крылатый металл» нельзя получить плавлением руды в печи, как это происходит, например, с железом. Процесс получения алюминия значительно сложнее и основан на использовании электричества огромной мощности. Поэтому алюминиевые заводы всегда строятся рядом с крупными источниками электроэнергии – чаще всего гидроэлектростанциями, не загрязняющими окружающую среду. Но обо всем по порядку.

• Бокситы
• Глинозем
• Криолит
• Алюминий
• Литейное производство
• Новые технологии
• Переработка

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

Александр Герцен
русский публицист, писатель

Добыча бокситов

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.

Запасы бокситов
Общие мировые подтвержденные запасы бокситов оцениваются в 18,6 миллиардов тонн. При нынешнем уровне добычи это обеспечивает потребность в алюминий больше, чем на сто лет.

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.

Крупнейшие страны по добыче бокситов, 2014 год

Чаще всего добыча бокситов ведется открытым способом – специальной техникой руду «срезают» слой за слоем с поверхности земли и транспортируют для дальнейшей переработки. Однако в мире есть места, где алюминиевая руда залегает очень глубоко, и для ее добычи приходится строить шахты – одна из самых глубоких шахт в мире «Черемуховская-Глубокая» находится в России, на Урале, ее глубина – 1550 метров.

Производство глинозема

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.

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.

Крупные частицы гидроксида алюминия легко отделяются от раствора фильтрованием, их промывают водой, высушивают и кальцинируют – то есть нагревают для удаления воды. Так получают глинозем.

Нефелин
Бокситы – самое распространенное, но не единственное сырье для производства глинозема. Его также можно получить из нефелина. В природе он встречается в виде апатито-нефелиновых пород (апатит – материал из группы фосфорнокислых солей кальция). В процессе производства глинозема из нефелина также получают сода, поташ (используется в строительном секторе, производстве бытовой химии, кондитерской промышленности и так далее), редкий металл галлий. А из отходов производства – белого шлама – высококачественный цемент. Чтобы получить 1 тонну глинозема в среднем требуется 4 тонны нефелина и 7,5 тонн известняка.

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.

Криолит

Ивиттуут
Одно из единичных месторождений природного криолита на Земле. Расположено в Гренландии и было обнаружено в 1799 году. Добыча криолита прекратилась там в 1987 году, когда был изобретен способ искусственного получения этого редкого минерала. Позднее криолит был найден в Ильменских горах на Южном Урале (Миасс) и в штате Колорадо (США).

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.

Производство алюминия

Итак, мы добыли боксит, получили из него глинозем, запаслись криолитом. Все готово для последней стадии – электролизу алюминия. Электролизный цех является сердцем алюминиевого завода и не похож на цеха других металлургических предприятий, производящих, например, чугун или сталь. Он состоит из нескольких прямоугольных корпусов, протяженность которых зачастую превышает 1 км. Внутри рядами установлены сотни электролизных ванн, последовательно подключенных массивными проводами к электричеству. Постоянное напряжение на электродах каждой ванны находится в диапазоне всего 4-6 вольт, в то время как сила тока составляет 300 кА, 400 кА и более. Именно электрический ток является здесь главной производственной силой – людей в этом цехе крайне мало, все процессы механизированы.

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 м³ 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.

Углекислый газ

Для сравнения — за один солнечный день 1 гектар леса поглощает из воздуха 120-280 кг углекислого газа и выделяет 180-200 кг кислорода.

Литейное производство

Расплавленный алюминий в ковшах доставляется в литейный цех алюминиевого завода. На этой стадии металл все еще содержит небольшое количество примесей железа, кремния, меди и других элементов. Но даже доли процента, приходящиеся на примеси, могут изменить свойства алюминия, поэтому здесь их удаляют методом переплавки в специальной печи при температуре 800°С. Полученный чистый алюминий разливают в специальные формы, в которых металл приобретает свою твердую форму.

Самые маленькие слитки алюминия называются чушками, они имеют вес 6 до 22,5 кг. Получив алюминий в чушках, потребители вновь расплавляют его и придают тот состав и форму, которые требуются для их целей.

Самые большие слитки – 30-тонные параллелепипеды длиной 11,5 метров. Их изготавливают в специальных формах, уходящих в землю на примерно 13 метров. Горячий алюминий заливается в нее в течение двух часов – слиток «растет» в форме как сосулька, только в обратном направлении. Одновременно его охлаждают водой и к моменту завершения выливки он уже готов к дальнейшей транспортировке. Прямоугольные слитки называются слябами (от англ. slabs) – они используются для проката в тонкие листы и производства алюминиевой фольги, банок для напитков или, к примеру, автомобильных кузовов.

Алюминий в форме цилиндрических слитков достигает в длину 7 метров – их используют для экструзии, то есть выдавливание через отверстие необходимой формы. Именно так производится большая часть алюминиевых изделий.

В литейном цехе алюминию придают не только разные формы, но и состав. Дело в том, что в чистом виде этот металл используется гораздо реже, чем в виде сплавов.

Сплавы производятся путем введения в алюминий различных металлов (так называемых легирующих добавок) – одни повышает его твердость, другие плотность, третьи приводят к изменению его теплопроводности и т.д. В качестве добавок используются бор, железо, кремний, магний, марганец, медь, никель, свинец, титан, хром, цинк, цирконий, литий, скандий, серебро и др. Кроме этих элементов, в алюминиевых сплавах могут присутствовать еще около десятка легирующих добавок, таких как стронций, фосфор и другие, что значительно увеличивает возможное число сплавов. На сегодняшний день в промышленности используется свыше 100 марок алюминиевых сплавов.

Новые технологии

Производители алюминия постоянно совершенствуют свои технологии, дабы научиться производить металл наилучшего качества с наименьшими затратами и минимальным воздействием на экологию. Уже сконструированы и работают электролизеры, мощность силы тока у который по 400 и 500кА, модернизируются электролизеры прошлых поколений.

Одна из передовых мировых разработок – производство металла с использованием инертного анода. Эта уникальная революционная технология позволит алюминщикам отказаться от использования угольных анодов. Инертный анод, упрощенно говоря, вечен, но что самое важное – при его использовании в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистейший кислород. Причем 1 электролизная ванна сможет вырабатывать столько же кислорода, сколько 70 га леса. Пока эта технология секретна и проходит промышленные испытания, но кто знает – может быть, в будущем она сделает из алюминиевой промышленности еще одни легкие нашей планеты.

Переработка

Алюминий обладает полезным свойством – не терять своих свойств в процессе использования, поэтому изделия из него могут подвергаться переплавке и вторичной переработке в уже новые изделия. Это позволяет сохранить ту колоссальную энергию, затраченную на производство алюминия впервые.

По расчетам Международного алюминиевого института с 1880 года в мире произведен почти 1 млрд тонн алюминия и три четверти всего этого объема до сих пор используется. Около 35% в зданиях и сооружениях, 30% – в электрических кабелях и оборудовании и 30% – в транспорте.

Здания и сооружения

Электрические кабели

Транспорт

По всему миру собирают отходы алюминия – в быту это, в основном, алюминиевые банки из-под напитков. Подсчитано, что 1 кг собранных и сданных в переработку банок позволяет сэкономить 8 кг боксита, 4 кг различных фторидов и 14 кВт/ч электроэнергии. Кроме этого, это позволяет существенно сократить экологический урон от все разрастающихся свалок. Развитие экологической ответственности делает все более популярной идею раздельного сбора мусора во всем мире.

Алюминиевая банка – самый часто перерабатываемый продукт. Примерно через 6 недель после использования они вновь оказываются на полках магазинов.

Ежегодно в мире производится более 220 млрд банок для напитков, в Европе 90% из них вторично перерабатываются – причем зачастую снова в банки, поэтому именно алюминиевую банку называют вечной. Но переработать можно что угодно – и корпуса автомобилей, и использованную фольгу для запекания, и раму велосипеда.

В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.

Процесс производства алюминия

Как производится алюминий

Алюминий в чистом виде в природе не встречается, именно поэтому еще 200 лет назад человечество ничего
не знало об этом металле. Метод получения алюминия при помощи электричества был разработан в 1886 году
и применяется до сих пор. Вот как это происходит.

ДОБЫЧА БОКСИТОВ

Производство алюминия начинается с добычи бокситов. Эта горная порода богата алюминием, который содержится в ней в форме гидрооксидов. Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточены в тропическом поясе.

ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА

Боксит дробят, высушивают и размалывают в мельницах вместе с небольшим количеством воды. Образовавшуюся густую массу собирают в емкости и нагревают паром, чтобы отделить большую часть кремния, содержащегося в бокситах.

Руду загружают в автоклав и обрабатывают щелочью – едким натром. В получившейся щелочной раствор из руды переходит практически весь оксид алюминия, а все посторонние примеси формируют твердый осадок — красный шлам.

Раствор алюмината натрия несколько суток перемешивают в декомпозерах, в результате чего в осадок выпадает чистый глинозем – Al₂O₃.

ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ

На алюминиевом заводе глинозем засыпают в ванны с расплавленным криолитом при температуре 950 ⁰С. Через раствор пропускают электрический ток силой до 400 кА и выше – он разрывает связь между атомами алюминия и кислорода, в результате металл в жидкой форме собирается на дне ванны.

ПЕРВИЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ

Первичный алюминий отливается в слитки и отправляется потребителям, а также используется
для дальнейшего производства алюминиевых сплавов для различных целей.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Литейные алюминиевые сплавы служат для получения готовых изделий путем отливки металла в формы. При этом необходимых свойств от сплава добиваются добавлением к нему различных добавок: кремния, меди и магния. Из таких сплавов, например, производят детали автомобильных и авиационных двигателей или колесные диски.

Благодаря высокой пластичности алюминий легко прокатывается в тончайшие листы. Для этих целей соответствующие алюминиевые сплавы выливают в прямоугольные бруски, достигающие 9 метров в длину и более. Из них производят алюминиевую фольгу и банки для напитков, а также детали автомобильных кузовов и многое другое.

Путем экструзии – получения нужной формы продавливанием размягченного металла через формовое отверстие – сегодня изготавливается большинство изделий из алюминия: от оправы очков или корпуса телефона, до фюзеляжа самолета или космического корабля.

ПЕРЕРАБОТКА АЛЮМИНИЯ

В отличие от железа алюминий не подвержен коррозии, поэтому изделия из него можно переплавлять и использовать металл бесконечное количество раз. При этом переработка алюминия требует всего 5% энергии, затраченной на изготовление алюминия впервые.

Производство алюминия включает
несколько этапов

Алюминий в чистом виде в природе не встречается, именно поэтому еще 200 лет назад человечество ничего не знало об этом металле. Метод получения алюминия при помощи электричества был разработан в 1886 году и применяется до сих пор. Вот как это происходит.

Добыча бокситов

ДОБЫЧА БОКСИТОВ

Производство алюминия начинается с добычи бокситов. Эта горная порода богата алюминием, который содержится в ней в форме гидрооксидов.
Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточены в тропическом поясе.

Дробление

ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА

Боксит дробят, высушивают и размалывают в мельницах вместе с небольшим количеством воды. Образовавшуюся густую массу собирают в емкости
и нагревают паром, чтобы отделить большую часть кремния, содержащегося в бокситах.

Выщелачивание

Руду загружают в автоклав и обрабатывают щелочью – едким натром. В получившейся щелочной раствор из руды переходит практически весь
оксид алюминия, а все посторонние примеси формируют твердый осадок — красный шлам.

Декомпозиция

Раствор алюмината натрия несколько суток перемешивают в декомпозерах, в результате чего в осадок выпадает чистый
глинозем – Al₂O₃.

Электролиз

ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ

На алюминиевом заводе глинозем засыпают в ванны с расплавленным криолитом при температуре 950 ⁰С.
Через раствор пропускают электрический ток силой до 400 кА и выше – он разрывает связь между атомами алюминия и кислорода, в результате металл в жидкой форме собирается на дне ванны.

Разливочная линия

ПЕРВИЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ

Первичный алюминий отливается в слитки и отправляется потребителям, а также используется
для дальнейшего производства
алюминиевых сплавов для различных целей.

Литейные сплавы

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Литейные алюминиевые сплавы служат для получения готовых изделий путем отливки металла в формы.
При этом необходимых свойств от сплава добиваются добавлением к нему различных добавок: кремния, меди и магния.
Из таких сплавов, например, производят детали автомобильных и авиационных двигателей или колесные диски.

Прокат

Благодаря высокой пластичности алюминий легко прокатывается в тончайшие листы. Для этих целей соответствующие алюминиевые сплавы
выливают в прямоугольные бруски, достигающие 9 метров в длину и более.
Из них производят алюминиевую фольгу и банки для напитков, а также детали автомобильных кузовов и многое другое.

Экструзия

Путем экструзии – получения нужной формы продавливанием размягченного металла через формовое отверстие – сегодня
изготавливается большинство изделий из алюминия: от оправы очков или корпуса телефона, до фюзеляжа самолета или космического корабля.

Переплавка

ПЕРЕРАБОТКА АЛЮМИНИЯ

В отличие от железа алюминий не подвержен коррозии, поэтому изделия из него можно переплавлять и использовать металл бесконечное
количество раз. При этом переработка алюминия требует всего 5% энергии, затраченной на изготовление алюминия впервые.

Алюминий | Geoscience Australia

Введение

Алюминиевая фольга. Источник: Wikimedia Commons

Алюминий окружает вас повсюду — от предметов повседневного обихода, таких как банка из-под безалкогольных напитков, до летающих над головой самолетов. Алюминий – один из самых полезных материалов, известных человеку. Его можно сплавлять (смешивать) практически с любым другим металлом для создания материалов с полезными свойствами. Все металлы, легированные алюминием, очень прочные, но легкие и устойчивые к ржавчине.

После кислорода и кремния алюминий является третьим наиболее распространенным элементом в земной коре (8,2%) и, безусловно, самым распространенным металлом. В отличие от таких металлов, как медь, золото, свинец, железо и цинк, которые использовались людьми на протяжении тысячелетий, алюминий широко используется немногим более 100 лет. Это связано с тем, что алюминий никогда не встречается в чистом виде в природе. Таким образом, хотя люди знали о соединениях алюминия, они узнали, как извлекать металлический алюминий только в конце 1800-х годов.

Алюминий можно извлекать (нерентабельно) из некоторых глин, но наиболее распространенной алюминиевой рудой является боксит. Сначала необходимо добыть алюминиевую руду, затем боксит перерабатывают в глинозем (оксид алюминия). Большое количество электричества используется для плавки глинозема в металлический алюминий.

Свойства

Алюминий – металл серебристого цвета, который никогда не встречается сам по себе в природе. Он очень легкий (около одной трети веса меди), но прочный; некоторые сплавы прочнее стали. Алюминий одновременно податлив (может быть спрессован) и пластичен (можно бить и вытягивать в проволоку). Алюминий является очень хорошим проводником тепла и электричества. Он также обладает высокой устойчивостью к ржавчине и нетоксичен. Алюминий можно сплавить практически с любым другим металлом. Алюминий легко воспламеняется, немагнитен и не образует искр. Эти свойства сделали его важным металлом в современном мире. Поскольку алюминий является таким реактивным металлом, вы можете подумать, что он будет сильно ржаветь и, следовательно, бесполезен. Однако чистый алюминий очень быстро вступает в реакцию с воздухом или водой, образуя на своей поверхности тонкий, почти невидимый слой оксида алюминия, который затем действует как защитное покрытие, предотвращающее дальнейшее «ржавление».

Использование

Austin «A40 Sports» с алюминиевым корпусом (ок. 1951 г.). Источник: Wikimedia Commons

Алюминий выплавляют из глинозема, который очищают от бокситовой руды. Все три продукта имеют ряд применений.

Более 90 % мирового производства бокситов используется для производства глинозема, при этом большая часть оставшихся 10 % используется в абразивной, огнеупорной и химической промышленности. Бокситы также используются в производстве высокоглиноземистого цемента, в качестве абсорбента или катализатора в нефтяной промышленности, в покрытиях сварочных прутков и в качестве флюса при производстве стали и ферросплавов.

Глинозем в основном используется в качестве сырья для алюминиевых заводов, однако он также используется для других промышленных целей. Он используется в стекле, фарфоре и в металлических красках, например, распыляемых на автомобили. Он также используется в производстве изоляторов свечей зажигания, в качестве топливного компонента для твердотопливных ракетных ускорителей, наполнителя для пластмасс, абразива (он дешевле технического алмаза) и на заводах по переработке металлов, где он используется для переработки токсичных сероводородных отходов. газов в элементарную серу.

Глинозем, встречающийся в природном кристаллическом состоянии, называется минералом корундом. Иногда кристаллы корунда загрязнены следовыми количествами хрома, железа, титана, меди или магния. Мы называем эти кристаллы рубинами и сапфирами.

После железа и стали алюминий является наиболее широко используемым металлом на Земле. Его часто сплавляют с медью, цинком, магнием, марганцем или кремнием, а добавление в эти сплавы небольших количеств циркония, гафния или скандия заметно повышает их прочность. Алюминий сам по себе имеет широкий спектр применения: от специального авиастроения до предметов повседневного обихода, таких как ножи и вилки. Некоторые из применений перечислены в таблице ниже.

История

Около 5300 г. до н.э.: Персы делали очень прочные горшки из глины, содержащей оксид алюминия.

Около 2000 г. до н.э.: Древние египтяне и вавилоняне использовали сульфат калия-алюминия KAl(SO4)2 в качестве лекарства для уменьшения кровотечения. Он был получен из природных месторождений в Греции и Турции. Древние римляне называли это медицинское соединение «квасцами», откуда мы получили современное слово и символ. Его до сих пор используют для остановки кровотечения.

Средневековье: Большая часть квасцов поступала с папской территории Толфа, но цена резко упала, когда в начале 1600-х годов в Йоркшире было обнаружено большое месторождение квасцового сланца. В течение следующих столетий квасцы использовались в двух основных областях: в качестве консерванта для бумаги и в качестве фиксатора для окрашивания ткани.

1808: Англичанин сэр Хамфри Дэви пытался извлечь алюминий электролизом. Он потерпел неудачу, но установил его существование и дал ему имя.

1821: Французский геолог Пьер Бертье обнаружил богатый алюминием материал недалеко от деревни Ле Бо в Провансе, Франция. Он был назван бокситом в честь деревни.

1825: Ганс Кристиан Эрстед в Дании получил нечистый алюминий путем нагревания хлорида алюминия с амальгамой калия.

1827: Немецкий химик Фридрих Вёлер извлек алюминий в виде порошка путем взаимодействия калия с безводным хлоридом алюминия, улучшив процесс Эрстеда.

1855: Французскому химику Анри Сен-Клер Девилю удалось получить твердый брусок алюминия, используя натрий вместо более дорогого калия. Алюминиевый слиток считался настолько драгоценным, что в том же году был выставлен вместе с драгоценностями французской короны.

1886: Два ученых на разных континентах (Шарль Холл в Америке и Поль Эро во Франции) независимо друг от друга открыли экономичный метод производства алюминия путем электролиза в расплавленном криолите (алюмофторид натрия). Между прочим, оба родились в 1864 году и оба умерли в 1914.

1887: Австрийский химик Карл Йозеф Байер, работавший в России, разработал метод извлечения глинозема из бокситов.

1888: Холл основал Pittsburgh Reduction Company (известную как Alcoa с 1907 года).

1890: Открытия Холла-Эру и Байера привели к падению цен на алюминий на 80%. В 1888 году алюминий стоил 4,86 ​​доллара США за фунт. В 1893 году он стоил 0,78 доллара США за фунт, а к концу 1930-х стоил всего 0,20 доллара США за фунт и имел более 2000 применений.

1900: Всего было произведено 8000 тонн алюминия, но 100 лет спустя было произведено 24,5 миллиона тонн, а в 2016 году было произведено примерно 57,6 миллиона тонн.

Истребитель F-16 был спроектирован так, чтобы быть относительно недорогим в строительстве и более простым в обслуживании, чем истребители предыдущего поколения. Планер построен примерно на 80% из авиационных алюминиевых сплавов, на 8% из стали, на 3% из композитов и на 1,5% из титана. Источник: Wikimedia Commons, мастер-сержант. Энди Данауэй

1911: Немецкий химик Альфред Вильм разработал важные алюминиевые сплавы, которые были достаточно прочными для производства таких предметов, как самолеты. Во время Второй мировой войны и войны в Корее на алюминий был большой спрос, поскольку раньше самолеты изготавливались из дерева и ткани.

1922: Изготовлена ​​алюминиевая фольга.

1955: Первый алюминиевый завод в Австралии был открыт в Белл Бэй, Тасмания.

1958: Впервые выпущены алюминиевые банки для безалкогольных напитков.

1961: Alcoa формирует Alcoa of Australia.

1963: Австралийская компания Alcoa открывает первый в Австралии глиноземный завод в Квинане в Западной Австралии, за которым последовали Пинджарра в 1972 году и Вагеруп в 1984 году. Это больше, чем все остальные цветные металлы вместе взятые. Австралия добывает бокситы в Квинсленде, Западной Австралии, Северной территории и Тасмании и является крупнейшим производителем бокситов в мире. Австралия также является мировым лидером по производству глинозема и алюминия. Три НПЗ в Западной Австралии поставляют 45% глинозема Австралии и 11% общемирового объема, что делает их крупнейшим источником глинозема в мире.

Пласт

Бокситы Вейпа, R30128. Источник: Geoscience Australia.

Бокситы — наиболее распространенная алюминиевая руда. Бокситы встречаются в виде выветренного покрова или покрова, известного как латерит или дюрикорст, на различных глиноземосодержащих породах. Он образуется, когда большое количество осадков вымывает более подвижные элементы вмещающей породы, оставляя относительно неподвижный алюминий с небольшим количеством кремния, железа и титана. Из-за того, как он формируется, месторождения бокситов могут быть очень обширными и встречаются почти на каждом континенте.

Основными минералами алюминия в бокситах являются гиббсит [Al(OH) ₃ , также записывается как Al ₂ O ₃ .H ₂ O в обозначении оксида], бемит [AlO(OH), записывается как Al ₂ O ₃ .H ₂ O в обозначении оксида] и диаспор, который представляет собой полиморф (альтернативная форма) бемита, но более плотный и твердый. Чистый оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ) содержит 52,9% алюминия и 47,1% кислорода. Бокситы могут быть очень твердыми или мягкими, как грязь, и могут встречаться в виде уплотненной земли (как рыхлой, так и повторно сцементированной), маленьких шариков (пизолиты) или полого материала, похожего на веточки (трубочки). Его цвета могут быть желтовато-коричневыми, розовыми, желтыми, красными или белыми или любой их комбинацией. Алюминий также присутствует во многих драгоценных камнях, таких как бирюза, рубины, сапфиры, изумруды, топазы, нефрит и аквамарины.

Ресурсы

Бокситовая руда содержит достаточно высокие уровни оксидов алюминия и соответственно низкие уровни оксидов железа (Fe ₂ O ₃ ) и кремнезема (SiO ₂ ), что делает добычу экономически выгодной. Количество реакционноспособного кремнезема особенно важно, поскольку эта форма кремнезема потребляет едкий натр, необходимый для производства глинозема, поэтому желателен низкореактивный кремнезем. Другие потенциальные источники алюминия включают различные горные породы и минералы, такие как глиноземистые сланцы и сланцы, алюмофосфатные породы и глиноземистые глины.

Крупные месторождения бокситов, шахты, глиноземные и алюминиевые заводы Австралии (2016 г.). Источник: Geoscience Australia.

Крупнейшие в мире запасы бокситов находятся в Гвинее, Австралии, Бразилии, Вьетнаме и на Ямайке. В Австралии бокситы добываются открытым способом на месторождениях Вейпа в Квинсленде, Гоув на Северной территории и Дарлинг-Рейндж в Западной Австралии. Кроме того, недавно были введены в эксплуатацию новые шахты в районе Кейп-Йорк в Квинсленде и в центральной части Тасмании. Другие месторождения бокситов находятся в северной части Западной Австралии, Новом Южном Уэльсе и восточном Квинсленде, но в настоящее время добыча нерентабельна.

Глиноземные заводы Австралии расположены в Западной Австралии (Квинана, Вагеруп, Пинджарра и Уорсли) и Квинсленде (QAL и Ярвун), а ее алюминиевые заводы расположены в Тасмании (Белл-Бэй), Квинсленде (остров Бойн), Виктории (Портленд) и Новый Южный Уэльс (Томаго). Китай является крупнейшим в мире потребителем алюминия и, несмотря на мощное внутреннее производство, импортирует большое количество глинозема и необработанных бокситов, на долю которых приходится более 40% мирового потребления. Другими крупными рынками сбыта алюминия являются Соединенные Штаты Америки, Япония и Европа, но эти регионы обладают небольшими запасами бокситов и также зависят от импорта бокситов и глинозема для своих глиноземных заводов и алюминиевых заводов.

• Дополнительная информация о ресурсах и производстве

Добыча полезных ископаемых

Добыча металлического алюминия происходит в три основных этапа: добыча бокситовой руды, очистка руды для извлечения глинозема и плавка глинозема для производства алюминия. Бокситы добывают открытым способом (открытым способом), при котором верхний слой почвы и вскрышные породы снимаются бульдозерами и скребками. Затем верхний слой почвы сохраняется и позже используется для восстановления растительности и восстановления территории после завершения добычи. Нижележащий боксит добывается фронтальными погрузчиками, экскаваторами или гидравлическими экскаваторами. Некоторые бокситовые руды просто измельчаются, высушиваются и отправляются. Другие бокситы обрабатывают после дробления путем промывки для удаления некоторого количества глины, реакционноспособного кремнезема и песчаных отходов; а затем сушат во вращающихся печах. Руда загружается в грузовики, железнодорожные вагоны или на ленточные конвейеры и транспортируется на корабли или на нефтеперерабатывающие заводы.

Ряд факторов в цикле производства алюминия связан с окружающей средой, и значительные ресурсы направляются на минимизацию воздействия добычи, переработки и плавки на окружающую среду. Реабилитацию рудника проводят, прилагая все усилия, чтобы вернуть район хотя бы в исходное состояние. С осторожностью обращаются с красным шламом с нефтеперерабатывающих заводов и утилизируют его. Эта грязь обычно закачивается в дамбы, которые запечатаны непроницаемым материалом, чтобы предотвратить загрязнение окружающей местности.

Переработка

Почти во всех коммерческих операциях глинозем извлекается из бокситов с помощью процесса очистки Байера. Процесс, открытый Карлом Йозефом Байером в 1888 году, состоит из четырех стадий.

Сбраживание : тонкоизмельченный боксит подается в установку с паровым обогревом, называемую варочным котлом. Здесь он под давлением смешивается с горячим раствором едкого натра. Оксид алюминия боксита (и реакционноспособный кремнезем) реагирует с каустической содой, образуя раствор алюмината натрия или зеленый щелок и осадок алюмосиликата натрия.

Осветление : зеленый щелок или глиноземсодержащий раствор отделяют от отходов – нерастворенных оксидов железа и кремнезема, которые были частью первоначального боксита и теперь составляют песок и отходы красного шлама. Этот этап включает три этапа: во-первых, крупные отходы размером с песок удаляются и промываются для извлечения каустической соды; во-вторых, отделяется красный шлам; и, наконец, оставшийся зеленый щелок прокачивают через фильтры для удаления любых остаточных примесей. Песок и ил перекачиваются вместе в озера остатков, а зеленый щелок перекачивается в теплообменники, где он охлаждается с 1000°C до примерно 650-79°С.0°С.

Осаждение: оксид алюминия осаждается из раствора в виде кристаллов гидрата оксида алюминия. Для этого раствор зеленого щелока смешивают в высоких сосудах-осадителях с небольшими количествами мелкокристаллического глинозема, который стимулирует осаждение твердого гидрата глинозема по мере охлаждения раствора. По завершении твердый гидрат глинозема передается на следующую стадию, а оставшийся раствор, содержащий едкий натр и некоторое количество глинозема, возвращается в автоклавы.

Прокаливание : гидрат оксида алюминия промывают для удаления любого оставшегося раствора и затем сушат. Наконец, его нагревают примерно до 1000°С, чтобы удалить кристаллизационную воду, оставив глинозем — сухой чисто белый песчанистый материал. Часть оксида алюминия может быть оставлена ​​в виде гидрата или подвергнута дальнейшей переработке для химической промышленности.

Глинозем превращается в алюминий в процессе плавки. Все коммерческое производство алюминия основано на процессе плавки Холла-Эру, в котором алюминий и кислород в глиноземе разделяются электролизом. Электролиз включает пропускание электрического тока через расплавленный раствор оксида алюминия и природного или синтетического криолита (фторида натрия и алюминия). Расплавленный раствор содержится в восстановительных ячейках или емкостях, дно которых облицовано углеродом (катодом) и которые соединены в электрическую цепь, называемую линией электролизера. В верхнюю часть каждого котла вставлены угольные аноды, днища которых погружены в расплавленный раствор.

Прохождение электрического тока вызывает соединение кислорода из оксида алюминия с углеродом анода с образованием углекислого газа. Оставшийся расплавленный металлический алюминий собирается у катода на дне электролизера. Периодически его сливают и переносят в большие раздаточные печи. Примеси удаляются, добавляются легирующие элементы, и расплавленный алюминий отливается в слитки.

Процесс плавки непрерывный. По мере того, как содержание глинозема в криолитовой ванне снижается, его добавляют больше. Тепло, выделяемое при прохождении электрического тока, поддерживает криолитовую ванну в расплавленном состоянии, так что она растворяет глинозем. В процессе плавки расходуется большое количество энергии; Для производства одной тонны алюминия из примерно двух тонн глинозема требуется от 14 000 до 16 000 киловатт-часов электроэнергии. Алюминий иногда называют «твердым электричеством» из-за большого количества энергии, используемой для его производства. Таким образом, доступность дешевой электроэнергии необходима для экономичного производства.

Алюминиевые слитки производятся различных форм и размеров в зависимости от их конечного использования. Они могут быть свернуты в пластины, листы, фольгу, бруски или стержни. Они могут быть втянуты в проволоку, которая скручена в кабель для линий электропередач. Прессы выдавливают слитки в сотни различных полезных и декоративных форм, а производственные предприятия могут превращать их в большие структурные формы.

Дополнительная информация

• Дополнительная информация о ресурсах и производстве

Все, что вам нужно знать

GK Home > GK Blog > Добыча и переработка алюминия: все, что вам нужно знать

Благодаря достижениям в горнодобывающей технологии добыча алюминия перешла от примитивных методов к использованию технологически совершенного оборудования и процессов, которые способствуют значительному увеличению производства алюминия. Среди многих преимуществ — возможность сократить количество отходов и химическое воздействие, что делает сегодняшний процесс добычи алюминия намного более экологически безопасным.

После кислорода и кремния алюминий является самым распространенным металлическим элементом в земной коре. Алюминий используется во многих сферах нашей жизни, от работы до дома и отдыха.

Основы добычи и переработки алюминия

Бокситовая руда, обнаруженная в плоских слоистых отложениях под поверхностью земли, разрыхляется с помощью взрывчатых веществ после того, как бульдозеры очищают поверхность выше. С помощью процесса Байера, который включает использование тепла, давления и гидроксида натрия, оксид алюминия отделяется от примесей, а также от железной руды. Белые кристаллы оксида алюминия промывают и нагревают для извлечения воды, в результате чего получается белый порошкообразный оксид алюминия, который используется во время плавки для производства алюминия.

Для чего используется алюминий?

• Кухонная утварь
• Банки и фольга
• Ракеты и самолеты
• Для изготовления зеркал
• Синтетические сапфиры для лазеров
• Линии электропередач
• Фасад дома
• Мебель
• Клюшки для гольфа
• Строительные инструменты

Где встречается алюминий?

Китай и Австралия являются ведущими производителями в добыче алюминия, но добыча алюминия ведется на всех континентах. Ma’aden, горнодобывающая компания Саудовской Аравии, ежегодно производит 4 миллиона метрических тонн бокситов.

Процесс добычи алюминия

После того, как был разработан процесс Байера, процесс добычи алюминия стал более быстрым. Но достижения в горнодобывающем оборудовании за последние несколько лет сделали работу по добыче бокситов еще более эффективной для горнодобывающих компаний по всему миру. По данным Геологической службы США, мировое производство бокситов в 2007 году составило 182,7 метрических тонны. Это более чем в два раза превышает объем производства алюминия в 2006 г., и ожидается, что технологически продвинутое оборудование поможет неуклонно увеличивать производство алюминия в период с 2011 по 2015 г.

[фото через]

[фото 2 через]

Корпорация General Kinematics, зарегистрированная в 1960 году, была создана для продажи, проектирования и изготовления на заказ инновационного вибрационного оборудования для обработки и обработки материалов. Сегодня компания является одним из крупнейших в мире поставщиков вибрационного технологического оборудования, имея более 200 мировых патентов, и вносит значительный вклад в разработку вибрационного оборудования и технические усовершенствования в области его применения.