БЛОГ ВІКТОРА ФЕДОРОВСЬКОГО. Как добывают алюминий
Как производят алюминий | ФОТО НОВОСТИ
Алюминий присутствует в нашей жизни всего лишь около полутора веков, но и за этот короткий срок успел пройти путь от декоративного металла, любимца ювелиров, до материала, позволяющего нам передвигаться быстрее, жить в тепле и уюте, пользоваться всеми благам современности и познавать миры вокруг.
Алюминий — самый распространенный металл на Земле, его доля в земной коре составляет до 8,8%. Однако алюминиевых рудников в природе не существует. Благодаря своей химической активности алюминий практически не встречается в свободном виде — для промышленного производства подходят лишь немногие из содержащих его минералов и горных пород.
Сегодня мы увидим, как производят алюминий на одном из крупнейших алюминиевых заводов мира.
24 фото
Фотографии Вадима Махорова
История
Существует легенда, что однажды к римскому императору Тиберию (42 год до н. э. — 37 год н. э.) пришел ювелир с металлической, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной якобы из глинозема (Al2O3). Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опасаясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал на всякий случай отрубить ювелиру голову.
Лишь почти через 2 000 лет после Тиберия, в 1825 году, датский физик Ганс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Велер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой.
Дальше Анри Сент-Клер Девиль, исследования которого финансировал Наполеон III, придумал первый способ промышленного получения алюминия и получил первый слиток массой около 7 кг. Девиль начал производство алюминия на заводе братьев Тиссье в Руане. За сутки завод производил два килограмма алюминия. В 1857 году килограмм этого металла стоил 300 франков. В те годы комнату на месяц в Париже можно было снять за 20 франков.
Начало современному способу производства алюминия положил метод, изобретенный почти одновременно в 1886 году Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции. С тех пор, в связи с улучшением электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские учёные К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.
Электролизеры, работающие по технологии экологического Содерберга:
Датой рождения алюминиевой промышленности России считается 14 мая 1932 года, когда на Волховском заводе в Ленинградской области была получена первая партия металла. Через год первую продукцию выпустил Днепровский алюминиевый завод на Украине.
С помощью вакуумного ковша забирают алюминий из электролизера:
На данный момент лидером мировой алюминиевой отрасли является РУСАЛ (Объединенная компания «Российский алюминий»). Продукция экспортируется клиентам в 70 странах мира. На долю компании приходится около 12.5% мирового рынка алюминия 3.9 млн. тонн алюминия в год. Объединенная компания присутствует в 17 странах мира на 5 континентах, в ней работают 100 000 человек.
Красноярский алюминиевый завод как раз и принадлежит РУСАЛу. КрАЗ — второй крупнейший производитель алюминия в мире. Производственная мощность КрАЗа — 1 млн. тонн алюминия в год (около 24% российского и 2.4% мирового производства алюминия).
Производство алюминия является исключительно энергоемким. Поэтому алюминиевые заводы преимущественно строят в регионах, где есть свободный доступ к мощным источникам электроэнергии. В нашем случае этим источником является Красноярская ГЭС, установленная мощность которой 6 000 МВт. Сегодня это самая мощная ГЭС в России (до тех пор, пока Саяно-Шушенская ГЭС находится на реконструкции). И Красноярский алюминиевый завод потребляет около 70% от общего объема производимой ГЭС электроэнергии.
Электролизная ванна, где производится алюминий:
Алюминий производят из глинозема, который в свою очередь извлекается преимущественно из бокситов (иногда из нефелиновых руд), запасы которых на Земле практически безграничны. На КрАЗе мы можем видеть только заключительный этап производства. Температура процесса достигает 955 градусов Цельсия, что значительно выше температуры плавления самого металла — 660 С.
Вакуумные ковши могут забрать за один раз от 3 до 5 тонн горячего металла:
Суточная производительность завода — 2 725 тонн.
На КрАЗе введен в работу единственный в России корпус для производства алюминия высокой чистоты:
Чистота сверхчистого металла — 99.996%. Он используется в производстве компьютерных жестких дисков, мобильных телефонов и другой электронной техники, а также в аэрокосмической и оборонной промышленностях. Основные поставки этого алюминия с КрАЗа идут в Азию, Японию, США.
Напряжение, подаваемое на электролизер (аппарат для электролиза) всего лишь 4.5 вольт, но сила тока огромная — 174 300 ампер:
Если в корпусах Содерберга получение алюминия происходит из глинозема, то в корпусе для производства алюминия высокой чистоты (АВЧ) исходным сырьем является более грязный алюминий. Проще говоря, технический алюминий проходит вторичную очистку, что делает его сверхчистым. Производительность одного электролизера АВЧ — 600 кг\сутки.
КрАЗ является единственным в мире заводом, где используется сразу три технологии производства алюминия — электролизеры Содерберга, АВЧ для производства алюминия высокой чистоты и электролизеры с обожженными анодами.
У каждого корпуса завода есть газоочистное оборудование, установленное в рамках первого этапа экологической модернизации:
Заявленная эффективность улавливания вредных веществ — 99.9%.
В производственный комплекс КрАЗа входит 3 литейных отделения. Ниже фотографии с литейного отделения №3, в котором помимо всего делают самые длинные алюминиевые слитки в мире:
Миксер на 100 тонн металла, в котором идет приготовление сплавов. Миксер по сути — это большая кастрюля, в которую помимо первичного металла добавляются необходимые ингредиенты — легирующие материалы. В результате получается высококачественный алюминиевый сплав:
Температура металла в миксере более 800 градусов:
Заливка металла в миксер:
Завод КрАЗ заточен на выпуск высокотехнологичной продукции. К примеру, завод сейчас развивает производство так называемых плоских слитков. Они широко востребованы рынком упаковочных материалов, нужны для производства кузовных панелей легковых автомобилей.
В литейном отделении предприятия работает уникальный литейный агрегат, который стал выпускать слитки двойной длины — до 11.5 метров. Изготовленные на нем сплавы теперь используются в производстве фольги. Причем, это слитки-рекордсмены. Такие длинные алюминиевые слитки не выпускал еще ни один завод мира:
В 2012 году завод предложил новую продукцию лидерам мирового автопрома. К примеру, японские концерны Тойота и Мицубиси заказали сплавы, чтобы повысить эксплуатационные свойства своих легковых автомобилей. Был предложен металл, обеспечивающий элементам двигателя и колесным дискам и прочность, и пластичность.
Так производят алюминий.
loveopium.ru
Как добыть алюминий в домашних условиях
Алюминий - легко плавящийся металл. Без него довольно сложно представить современную жизнь. Из алюминия делают провода, покрывают корпус самолетов, он хорошо проводит ток. Добыть металл можно не только на производстве, но и в домашних условиях. Вам понадобится Глина, порошок графита, сварочный аппарат, железная бочка,любое нежилое помещение. Инструкция 1.Найдите нежилое помещение, гараж или сарай. В нем обязательно должен находиться источник тока для дальнейшей работы. 2.Алюминий добывают из бокситов. Накопайте в лесу, поле или на любом карьере глины. В 100 кг глины находится от 30 до 70 кг алюминия. Высушите ее на солнце или с помощью любого сушильного аппарата. Это требуется для последующих действий. 3Глину нужно измельчить. Для этого ее закладывают в бетономешалку. Можно разложить глину на какой-либо поверхности и измельчить любым тяжелым предметом. Если ее немного, используйте обычную бытовую терку. Важно, чтобы глина была полностью сухая. Измельчайте до тех пор, пока не получится порошок. Из него гораздо легче и быстрее получится добыть металл. 4.Смешайте порошок глины с порошком графита. Его можно приобрести в любом строительном магазине или на рынке. Графит требуется для улучшения структуры алюминия. Он сам по себе очень хорошо проводит ток. Количество порошка графита зависит от того, насколько проводимым вы хотите сделать алюминий. Если этот металл нужен вам для каких либо работ с энергией, добавьте графит в расчете 20 кг на 100 кг глины. Если же для чего-то другого, берите 10 кг. 5.Засыпьте получившуюся смесь порошка в большую железную бочку. Залейте водой. Влажности должно быть не меньше 75%. Вода - хороший проводник тока, и поэтому процесс изготовления пойдет быстрее. С помощью сварочного аппарата или любого другого мощного прибора подайте напряжение к бочке. Будьте крайне осторожны. Не трогайте бочку, тем более влажными руками. Благодаря мощному току и порошку графита через 5-8 секунд произойдет отщепление кислорода от глины и образуется сплав алюминия. Источник подачи электричества нужно отключить. 6.Оставьте бочку на несколько часов, чтобы она остыла. Вытащите комочки, получившиеся в процессе. Это и есть сплав. Его можно очистить или оставить в данном виде. Подробнее: http://www.kakprosto.ru Добыча и производство алюминия в России
В современной промышленности наибольшую популярность завоевала алюминиевая руда. Алюминий представляет собой самый распространенный метал из всех, существующих на сегодняшний день, металлов на земле. Кроме того, ему принадлежит третье место в рейтинге по численности залежей в недрах Земли. Также, алюминий является и самым легким металлом. Алюминиевой рудой называется горная порода, служащая материалом, из которого и происходит получение металла. Алюминий обладает определенными химическими и физическими свойствами, которые позволяют адаптировать его применение к совершенно различным областям человеческой деятельности. Таким образом, алюминий нашел свое широкое применение в таких отраслях, как машиностроение, автомобилестроение, строительство, при производстве различной тары и упаковки, электротехники, иных потребительских товаров. Практически каждый бытовой прибор, ежедневно используемый человеком, в том или ином количестве содержит в себе алюминий.
Добыча алюминия
Минералов, в составе которых было в свое время обнаружено наличие данного металла, существует огромное количество. Ученые пришли к выводу, что данный металл можно добывать из более, чем 250 минералов. Однако, абсолютно из всех руд добывать металл не выгодно, поэтому среди всего существующего разнообразия есть наиболее ценные алюминиевые руды, из которых и осуществляется получение металла. Таковыми являются: бокситы, нефелины, а также алуниты. Из всех алюминиевых руд максимальное содержание алюминия отмечено в бокситах. Именно в них находится порядка 50% оксидов алюминия. Как правило, залежи бокситов располагаются непосредственно на земной поверхности в достаточных количествах.
Бокситы представляют собой непрозрачную горную породу, имеющую красный или серый цвет. Самые прочные бокситные образцы по минералогической шкале оцениваются в 6 баллов. Они бывают разной плотности от 2900 до 3500 кг/м3, которая напрямую зависит от химического состава.
Бокситные руды отличаются своим сложным химическим составом, в который входят гидроксиды алюминия, оксиды железа и кремния, а также от 40% до 60% глинозема, являющегося главным сырьем для получения алюминия. Стоит сказать, что экваториальный и тропический земные пояса являются основной местностью, которая славится залежами бокситной руды.
Для зарождения бокситов необходимо участие нескольких компонентов, среди которых одноводный гидрат глинозема, бемит, диаспор, а также различные минералов гидроокиси железа наряду с оксидом железа. Выветривание кислых, щелочных, а в некоторых случаях и основных пород, а также медленное оседание глинозема на дне водоемов и приводит к формированию бокситной руды.
Из двух тонн глинозема алюминия получается вдвое меньше – 1 тонна. А для двух тонн глинозема необходимо добыть порядка 4,5 тонн боксита. Алюминий допустимо получать и из нефелинов и алунитов.
Первые, в зависимости от своего сорта, могут содержать в своем составе от 22% до 25% глинозема. В то время, как алуниты, немногим уступают бокситам, и на 40% состоят из оксида алюминия.
Алюминиевые руды России
Российская Федерация расположилась на 7-ой строке рейтинга среди всех стран мира по количеству добываемых алюминиевых руд. Стоит отметить, что данное сырье на территории российского государства добывается в колоссальном количестве. Однако, страна испытывает существенный дефицит этого металла, и не в состоянии предоставить его в объеме, необходимом для абсолютного обеспечения промышленности. В этом кроется приоритетная причина, из-за которой России приходится приобретать алюминиевые руды у других государств, а также осваивать месторождения с низким качеством минеральных руд.
В государстве существует порядка 50 месторождений, наибольшее число которых располагается в европейской части государства. Однако, Радынкское – наиболее старое месторождение алюминиевых руд в России. Местом его расположения является Ленинградская область. Оно состоит из бокситов, являющиеся с далеких времен главным и незаменимым материалом из которого и производят в последствии алюминий.
| AL2O3 | SiO2 | |||
| "Красная шапочка" г. Североуральск | 53.7 | 3.7 | 3.1 | В разработке |
| Кальинское г. Североуральск | 56.0 | 2.6 | 3.6 | В разработке |
| Черемузовское, Свердлоская обл | 54.2 | 4.0 | 11.0 | В разработке |
| Ново - Кальинское, г. Североуральск | 55.0 | 3.1 | 7.0 | В разработке |
| Иксинское, ст. Наволок | 53.5 | 17.4 | 11.4 | В разработке |
| Вежаю-Ворыквинское,. Республика Коми | 49.2 | 0.1 | 11.3 | В стадии подготовки |
| Висловское г. Белгород | 49.1 | 7.9 | 12.1 | В резерве |
Производство алюминия в России
В начале ХХ столетия в России произошло зарождение алюминиевой промышленности. Именно в 1932 году в Волхове появилось первый производственный комбинат по выпуску алюминия. И уже 14 мая того же года на предприятии удалось впервые получить партию металла. Ежегодно на территории государства осваивались все новые месторождения алюминиевых руд и запускались в работу новые мощности, которые существенно были расширены в период Второй мировой войны. Послевоенное время для страны было отмечено открытием новых предприятий, основной деятельностью которых было производство фабрикатов, основным материалом для чего служили алюминиевые сплавы. Тогда же был произведен запуск в работу Пикалевского глиноземного предприятия.
Россия славится своим разнообразием заводов, благодаря работе которых страна производит алюминий. Из них наиболее масштабным не только в рамках российского государства, но и во всем мире, считается ОК «Русал». Ему удалось произвести в 2015 году порядка 3,603 млн тонн алюминия, а в 2012 году предприятие достигло показателя в 4,173 млн тонн металла.
mining-prom.ru
КАК ПРОИЗВОДИТСЯ АЛЮМИНИЙ
08 февр. 2016 г.
КАК ПРОИЗВОДИТСЯ АЛЮМИНИЙ
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.
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.
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.
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.
Крупные частицы гидроксида алюминия легко отделяются от раствора фильтрованием, их промывают водой, высушивают и кальцинируют – то есть нагревают для удаления воды. Так получают глинозем.
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
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.
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.
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.
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.
metallexpert.net
Как из оксида алюминия получить алюминий? Химические формулы
Алюминий обладает свойствами, которые применимы во многих промышленностях: военном деле, строительстве, питании, транспорте и др. Он пластичный, легкий и широко распространен в природе. Многие люди даже не подозревают того, как широко можно использовать алюминий.
Многие сайты и книги описывают этот чудесный металл и его свойства. Информация находится в свободном доступе.
В лаборатории можно производить любые соединения алюминия, но в малых количествах и по высоким ценам.
История добычи элемента
Вплоть до середины девятнадцатого века ни об алюминии, ни о восстановлении его оксида речи не шло. Первая попытка получения алюминия была предпринята химиком Х. К. Эрстедом и закончилась успешно. Чтобы восстановить металл из его оксида, он использовал амальгамированный калий. Но никто не понял, что получилось в итоге.
Прошло несколько лет, и алюминий снова был получен химиком Велером, который нагрел безводный хлорид алюминия с калием. Ученый упорно трудился 20 лет и, наконец, сумел создать гранулированный металл. По цвету он напоминал серебро, но был легче него в несколько раз. Длительное время до начала двадцатого века алюминий ценился больше золота и выставлялся в музеях как экспонат.
Где-то в начале XIX века английский химик Дэви провел электролиз оксида алюминия и получил металл, названный "алюмиум" или "алюминум", что можно переводить как "квасцы".
Алюминий очень трудно отделить от других веществ - это одна из причин его дороговизны в то время. Ученое собрание и промышленники быстро узнали о потрясающих свойствах нового металла и продолжили попытки его добычи.
В больших количествах алюминий стали получать уже в конце того же девятнадцатого века. Ученый Ч. М. Холлом предложил растворять оксид алюминия в расплаве криолита и пропускать эту смесь через электрический ток. Через какое-то время в сосуде появлялся чистый алюминий. В промышленности и сейчас производят металл этим методом, но об этом позже
Для производств нужна прочность, которой, как выяснилось чуть позднее, у алюминия не было. Тогда металл стали сплавлять с иными элементами: магнием, кремнием и т. д. Сплавы были намного прочнее обычного алюминия - именно из них стали выплавлять самолеты и военную технику. А придумали слить алюминий и другие металлы в единое целое в Германии. Там же, в Дюрене, сплав, названный дюралюминием, поставили на производство.
Как из оксида алюминия получить алюминий
В рамках школьной программы по химии проходят тему "Как из оксида металла получить чистый металл".
К этому методу мы можем отнести и наш вопрос, как из оксида алюминия получить алюминий.
Чтобы образовать металл из его оксида, нужно добавить восстановитель - водород. Пойдет реакция замещения с образованием воды и металла: МеО + Н2 = Ме + Н2О (где Ме - металл, а Н2 - водород).
Пример с алюминием: Al2О3 + 3Н2 = 2Al + 3Н2О
На практике такой прием позволяет получать чистые активные металлы, которые не восстанавливаются оксидом углерода. Метод подходит для очистки небольшого количества алюминия и довольно-таки дорого стоит.
Как получить алюминий из оксида алюминия через добавление более электроотрицательного металла
Чтобы получить алюминий этим способом, нужно подобрать более электроотрицательный металл и добавить его к оксиду - он вытеснит наш элемент из кислородного соединения. Более электроотрицательный металл - это тот, что стоит левее в электрохимическом ряду (на фото к подзаголовку - выше).
Примеры: 3Mg + Al2О3 = 2Al + 3MgO
6К + Al2О3 = 2Al + 3К2О
6Li + Al2О3 = 2Al + 3Li2О
Но как получить алюминий из оксида алюминия в условиях широкой промышленности?
Промышленный способ
Большинство производств для добычи элемента используют руды, которые называют бокситами. Сначала из них выделяют оксид, потом растворяют его в расплаве криолита, а затем получают чистый алюминий путем электрохимической реакции.
Это обходится дешевле всего и не требует дополнительных операций.
Кроме того, можно получить хлорид алюминия из оксида алюминия. Как это сделать?
Получение хлорида алюминия
Хлоридом алюминия называют среднюю (нормальную) соль из соляной кислоты и алюминия. Формула: AlCl3.
Для получения нужно добавить кислоту.
Уравнение реакции выглядит следующим образом - Al2О3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3Н2О.
Как получить хлорид алюминия из оксида алюминия, не добавляя кислот?
Для этого надо прокалить спрессованную смесь оксида алюминия и углерода (сажа) в токе хлора при 600-800 гр. Хлорид должен отогнаться.
Эту соль применяют в качестве катализатора многих реакций. Ее главная роль - образование продуктов присоединения с разными веществами. Хлоридом алюминия протравливают шерсть, и его добавляют в антиперспиранты. Также соединение играет не последнюю роль в переработке нефти.
Получение гидроксоалюмината натрия
Как из оксида алюминия получить гидроксоалюминат натрия?
Чтобы получить это сложное вещество, можно продолжить цепочку превращений и сначала получить из оксида хлорид, а потом добавить гидроксид натрия.
Хлорид алюминия - AlCl3, гидроксид натрия - NaOH.
Al2O3 → AlCl3 → Na[Al(OH)4]
Al2О3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3Н2О
AlCl3 + 4NaOH (концентрированный) = Na[Al(OH)4] + 3NaCl5
Но как из оксида алюминия получить тетрагидроксоалюминат натрия, избегая превращения в хлорид?
Чтобы из оксида алюминия получить алюминат натрия, нужно создать гидроксид алюминия и добавить к нему щелочь.
Следует напомнить, что щелочь - это основание, растворимое в воде. Сюда относят гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (I и II группа таблицы Менделеева).
Al→ Al(ОН)3 → Na[Al(OH)4]
Из оксидов металлов средней активности, к которым относится алюминий, нельзя получать гидроксиды. Поэтому сначала мы восстановим чистый металл, например, через водород:
Al2О3 + 3Н2 = 2Al + 3Н2О.
А потом получим гидроксид.
Чтобы получить гидроксид, надо растворить алюминий в кислоте (для примера, во фтороводородной): 2Al + 6HF = 2AlF3 + 3Н2. А затем прогидролизовать полученную соль с добавлением равного количества щелочи в разбавленном растворе: AlF3 +3NaOH = Al(ОН)3 + 3NaF.
И дальше: Al(ОН)3 + NaOH = Na[Al(ОН)4]
(Al(ОН)3 - амфотерное соединение, которое может взаимодействовать и с кислотами, и с щелочами).
Тетрагидроксоалюминат натрия отлично растворяется в воде, а еще это вещество широко применяют в оформлении и добавляют в бетон, чтобы ускорить отвердевание.
Про метаалюминаты
Начинающие производители глинозема, наверное, задавались вопросом: "Как из оксида алюминия получить метаалюминат натрия?"
Алюминаты используются в широком производстве для ускорения некоторых реакций, окрашивания тканей и получения глинозема.
Лирическое отступление: глинозем - это, по сути, и есть оксид алюминия Al2О3.
Обычно оксид добывают из метаалюминатов, но здесь будет рассмотрен "обратный" способ.
Итак, чтобы получить наш алюминат, нужно просто смешать оксид натрия с оксидом алюминия при очень высокой температуре.
Случится реакция соединения - Al2О3 + Na2О = 2NaAlO2
Для нормального протекания требуется температура в 1200°C.
Можно проследить за изменением энергии Гиббса в реакции:
Na2O(к.)+ Al2O3(к.)= 2NaAlO2(к.), ΔG0298= -175 кДж.
Еще одно лирическое отступление:
Энергия Гиббса (или "свободная энергия Гиббса") - это зависимость, которая существует между энтальпией (энергией, доступной для преобразований) и энтропией (мерой "хаоса", беспорядка в системе). Абсолютное значение измерить невозможно, поэтому измеряются изменения во время протекания процесса. Формула: G (энергия Гиббса) = Н (изменение энтальпии между продуктами и исходными веществами реакции) - Т (температура) * S (изменение энтропии между продуктами и исходниками). Измеряется в Джоулях.
Как из оксида алюминия получить алюминат?
Для этого подойдет и тот способ, который был рассмотрен выше - с глиноземом и натрием.
Оксид алюминия, смешанный с оксидом другого металла при высоких температурах, и дает метаалюминат.
Но еще можно сплавить гидроксид алюминия со щелочью в присутствии оксида углерода СО:
Al(ОН)3 + NaOH = NaAlO2 + 2Н2О.
Примеры:
- Al2О3 + 2КОН = 2KAlO2 + Н2О (здесь глинозем растворяется в едкой щелочи калия) - алюминат калия;
- Al2О3 + Li2О = 2LiAlO2 - алюминат лития;
- Al2О3 + СаО = СаО × Al2О3 - сплавление оксида кальция с окисью алюминия.
Получение сульфата алюминия
Как получить сульфат алюминия из оксида алюминия?
Способ включен в школьную программу восьмых и девятых классов.
Сульфат алюминия - это соль вида Al2(SO4)3. Представлена может быть в виде пластинок или порошка.
Это вещество может разлагаться на оксиды алюминия и серы при температуре от 580 градусов. Сульфат используется для очистки воды от мельчайших частиц, очень полезен в пищевой, бумажной, тканевой и других отраслях производства. Он широко доступен благодаря своей низкой цене. Очистка воды происходит из-за некоторых особенностей сульфата.
Дело в том, что загрязняющие частицы имеют вокруг себя двойной электрический слой, а рассматриваемый реагент является коагулянтом, который, при проникновении в электрическое поле частиц, вызывает сжатие слоев и нейтрализует заряд частиц.
Теперь о самом методе. Чтобы получить сульфат, нужно смешать оксид и серную (не сернистую) кислоту.
Выходит реакция взаимодействия глинозема с кислотой:
Al2O3+3h3SO4=Al2(SO4)3+h3O
Вместо оксида можно добавить сам алюминий или его гидроксид.
В промышленности для получения сульфата используют уже известную из третьей части этой статьи руду - боксит. Ее обрабатывают серной кислотой и получают "загрязненный" сульфат алюминия. В боксите содержится гидроксид, а реакция в упрощенном виде выглядит так:
3h3SO4 + 2Al(OH)3 = Al2(SO4)3 + 6h3O
Бокситы
Боксит - это руда, состоящая сразу из нескольких минералов: железа, бемита, гиббсита и диаспора. Является главным источником добычи алюминия, образуется путем выветривания. Крупнейшие месторождения бокситов находятся в России (на Урале), США, Венесуэле (река Ориноко, штат Боливар), Австралии, Гвинее и Казахстане. Эти руды бывают моногидратными, тригидратными и смешанными.
Получение оксида алюминия
Про глинозем выше сказано много, но до сих пор не описано, как получить оксид алюминия. Формула - Al2О3.
А нужно всего-навсего сжечь алюминий в кислороде. Горение - процесс взаимодействия О2 и другого вещества.
Простейшее уравнение реакции выглядит следующим образом:
4Al + 3О2 = 2Al2О3
Оксид не растворяется в воде, но он хорошо растворим в криолите при высокой температуре.
Свои химические свойства оксид проявляет при температуре от 1000°С. Именно тогда он начинает взаимодействовать с кислотами и щелочами.
В естественных условиях корунд является единственный устойчивой вариацией вещества. Корунд очень твердый, с плотностью примерно 4000 г/м3. Твердость этого минерала по шкале Мооса - 9.
Оксид алюминия - амфотерный оксид. Легко преобразовывается в гидроксид (см. выше), а превратившись, сохраняет все свойства своей группы с преобладанием основных.
Амфотерные оксиды - это оксиды, которые могут проявлять как основные (свойства оксидов металлов), так и кислотные (оксидов неметаллов) свойства в зависимости от условий.
К амфотерным оксидам, исключая оксид алюминия, относятся: оксид цинка (ZnO), оксид бериллия (ВеО), оксид свинца (PbO), оксид олова (SnO), оксид хрома (Cr2О3), оксид железа (Fe2О3) и оксид ванадия (V2О5).
Соли: комплексные и не очень
Бывают средние (нормальные), кислые, основные и комплексные.
Средние соли состоят из самого металла и кислотного остатка и имеют вид AlCl3 (хлорид алюминия), Na2SO4 (сульфат натрия), Al(NO3)3 (нитрат алюминия) или MgPO4.
Кислые соли - это соли из металла, водорода и кислотного остатка. Их примеры: NaHSO4, CaHPO4.
Основные соли так же, как и кислые, состоят из кислотного остатка и металла, но вместо Н там ОН. Примеры: (FeOH)2SO4, Ca(OH)Cl.
И, наконец, комплексные соли - это вещества из ионов разных металлов и кислотного остатка многоосновной кислоты (соли, содержащие сложный ион): Na3[Co(NO2)6], Zn[(UO2)3(Ch4COO)8].
Речь пойдет о том, как из оксида алюминия получить комплексную соль.
Условием превращения оксида в это вещество является его амфотерность. Глинозем отлично подходит для метода. Чтобы получить комплексную соль из оксида алюминия, нужно смешать этот оксид с раствором щелочи:
2NaOH + Al2O3 + h3O → Na2[Al(ОН)4]
Этот род веществ также образуется при воздействии растворов щелочей на амфотерные гидроксиды.
Раствор гидроксида калия взаимодействует с основанием цинка с получением тетрагидроксоцинката калия:
2KOH + Zn(OH)2 → K2[Zn(OH)4]
Раствор щелочи натрия реагирует, например, с гидроксидом берилия с образованием тетрагидроксобериллата натрия:
NaOH + Be(OH)2 → Na2[Be(OH)4]
Использование солей
Комплексные соли алюминия часто используют в фармацевтике, производстве витаминов и биологически активных веществ. Препараты, созданные на основе этих веществ, помогают в борьбе с похмельем, улучшают состояние желудка и общее самочувствие организма человека. Очень полезные соединения, как можно заметить.
Реактивы дешевле покупать в интернет-магазинах. Там большой выбор веществ, но сайты лучше выбирать надежные и проверенные временем. Если покупать что-то на «однодневках», то риск потерять деньги увеличивается.
При работе с химическими элементами нужно соблюдать правила безопасности: обязательно наличие перчаток, защитного стекла, специализированной посуды и приборов.
Эпилог
Химия – несомненно, сложная для понимания наука, но иногда полезно в ней разобраться. Проще всего это сделать через интересные статьи, простой слог и понятные примеры. Не лишним будет прочитать пару книг по теме и освежить в памяти курс школьной программы по химии.
Здесь было разобрано большинство тем химии, связанных с преобразованиями алюминия и его оксидов, в том числе, как из оксида алюминия получить тетрагидроксоалюминат, и еще множество интересных фактов. Оказалось, что у алюминия есть много самых необычных сфер применения в производстве и в быту, да и история получения металла весьма незаурядна. Химические формулы соединений алюминия тоже заслуживают внимания и подробного разбора, что и было освящено в этой статье.
fb.ru
Как добывают алюминий в домашних условиях?
Алюминий обладает уникальными свойствами, такими как низкая температура плавления и высокие показатели электропроводимости, что позволяет использовать его в различных сферах деятельности.
Он широко применяется для производства электрических проводов и в качестве защитного покрытия корпусов самолетов. Из него даже изготавливаются металлоконструкции различного назначения, но для этих целей необходимо будет купить листовой алюминий.
Подготовка к работе
Немногие знают, что алюминий можно добывать в домашних условиях. Для этого потребуются такие материалы и инструменты:
- аппарат для электродуговой сварки;
- металлическая бочка;
- порошкообразный графит;
- глина.
Работу можно проводить в любом нежилом помещении, где устанавливается сварочный аппарат либо другой мощный источник электропитания.
На следующем этапе нужно подготовить чистую глину, в 10 кг которой может находиться в пределах 3-7 кг алюминия. Для дальнейшей работы ее необходимо хорошо просушить, что можно сделать при помощи различного сушильного оборудования или просто выложить на солнце и оставить на некоторое время.
Далее сухую глину нужно измельчить до однородного порошкообразного состояния. Только в этом случае из нее получится добыть весь содержащийся алюминий, а также это существенно ускоряет процесс добычи.
Извлечение алюминия из глины
Полученный порошок глины необходимо тщательно смешать с графитом, который способствует получению более качественной структуры алюминия благодаря высоким показателям электропроводности. Его количество определяется в зависимости от того, для каких целей будет использоваться добытый металл:
- для работы с электроэнергией будет достаточно 2 кг графита на 10 кг глиняного состава;
- любое другое назначение предполагает добавление 1 кг графитового порошка на 10 кг глины.
В заранее подготовленную бочку засыпается уже смешанный состав и заливается водой, которая также является отличным проводником тока. После этого к ней необходимо подвести напряжение, для чего и нужен сварочный аппарат или другой источник питания. В процессе подключение следует соблюдать правила безопасности, чтобы обезопасить себя от поражения электричеством – ни в коем случае нельзя трогать бочку.
Под воздействием тока произойдет реакция, в ходе которой кислород отщепляется от глины и образовывается алюминиевый сплав. После остывания емкости из нее можно вытаскивать небольшие комки добытого металла.
coroma.ru
Как добывают алюминий? - 4u PRO
Каким образом производят алюминий?Алюминий в чистом виде в природе не существует. Земная кора содержит 8,5% соединений алюминия с другими элементами. Самая высокая концентрация алюминия имеется в бокситной руде, которую добывают, в частности, в Австралии, Латинской Америке и Африке.
Как получают алюминий?
Для того, чтобы произвести 1 кг чистого алюминия, нужно приблизительно 4,6 кг боксита. Из бокситной руды получают окись алюминия (1,9 кг) . Остаток (2,7 кг) , который обычно называют красным шламом, можно использовать в качестве искусственного удобрения, наполнителя при асфальтировании дорог, для окраски кровельной черепицы, очистки воды и т. д. Массу окиси алюминия уменьшают в электролизной ванне, где получают жидкий алюминий, который затем отливают в различные формы (слитки, Т-слитки, прямоугольные пластины или штампованные заготовки) . Производственный процесс требует высоких затрат энергии, 65% которой производится на гидроэлектростанциях.
От сляба до профиля
Такие отливки, как ручки или напольные решетки выполняются из слитков . Т-образные слитки, в частности, тонко сворачиваются в фасадные плиты. Профили штампуются из слябов (плоских заготовок) .
Неограниченные возможности повторного использования
Одним из основных преимуществ алюминия является возможность вторичной переработки много раз без потери качества. В процессе восстановления требуется только от 5 до 10 % от энергии, необходимой для производства алюминия из сырья. Почти две трети используемого сегодня алюминия являются результатом его вторичной переработки.
Алюминий #61485; материал, который можно восстановить на 100%
Алюминий можно восстановить на 100% без потери качества материала. В процессе восстановления требуется лишь от 5 до 10% от энергии, необходимой для производства нового алюминия.
Вот почему фирма Reynaers Aluminium с таким энтузиазмом поддерживает вторичную переработку алюминия. В настоящее время 60% всего используемого в мире алюминия - это повторно переработанный алюминий.
65% электроэнергии, необходимой для производства алюминия - это энергия, производимая на гидроэлектростанциях.
Источник: Процесс производства алюминия EAA
4u-pro.ru
