Способ получения алюминия. Получение алюминия

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2529264

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению алюминия из металлургического глинозема.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известен промышленный способ Эру-Холла - электролиз криолит-глиноземных расплавов, по которому выпускается весь первичный алюминий [Минцис М.Я. Электрометаллургия алюминия / М.Я. Минцис, П.В. Поляков, Г.А. Сиразутдинов. Новосибирск: Наука. 2001. 368 с.]. Несмотря на долгий срок применения данной технологии, она имеет ряд недостатков: низкий энергетический КПД 40-50%; высокий расход электроэнергии (13-17 кВт·ч/кг Al); загрязнение окружающей среды; высокие материальные и трудозатраты.

Известен усовершенствованный способ получения алюминия по технологии Эру-Холла (патент US 6126799, опубл. 10.03.2000), в котором используют с металлическим электродами, покрытыми керамическим оксидом, обладающим проводимостью по иону кислорода. При электролизе с таким анодом ионы кислорода проходят через оксидный слой и разряжаются на металлической основе. За исключением благородных металлов не было найдено ни одного индивидуального металла, пригодного для использования в качестве инертного анода, а основами для создания материала металлического инертного анода выбирались железоникелевый сплав (Fe-Ni) по патенту US 5006209 и алюминиевая бронза.

Основным недостатком металлических анодов является их быстрая растворимость в криолит-глиноземном расплаве и загрязнение первичного алюминия. Образующиеся на поверхности металлического электрода оксидные пленки, образующиеся в результате коррозии, повышают электрическое сопротивление на поверхности электрода. Сохранность слоя может быть обеспечена только при высокой активности ионов кислорода (O 2-) в прианодном слое электролита, что особенно сложно осуществить при низких (700-900°C) температурах, когда растворимость глинозема низка и активность ионов кислорода резко изменяется. Снижение температуры электролита за счет дорогостоящих модифицирующих добавок, в свою очередь, необходимо для снижения растворимости оксидного слоя анода.

Известен усовершенствованный способ получения алюминия (патент US 3960678, опубл. 01.08.1976) с анодами с полупроводниковыми оксидами с электронной проводимостью и кислородом, выделяющимся прямо на поверхности оксида. Наибольшее распространение в этой группе получили аноды на основе ферритов никеля (NiFe 2 O 4), разработанные компанией Alcoa, и оксида олова (SnO 2), предложенные к испытаниям. Основным достоинством керамики является ее низкая растворимость в криолит-глиноземном расплаве.

Основным недостатком является низкий срок службы анодов, а промышленному внедрению керамики мешают низкая механическая прочность массивных образцов, особенно при высоких температурах, и сложность изготовления надежных токоподводящих контактов. Представляет большую опасность и возможность восстановления оксидов до металла растворенным алюминием в случае остановки.

Из альтернативных способов известны способы карботермического восстановления алюминия из его оксида, исследования, проведенные компаниями Alcan, Pechiney, Hydroaluminum. Наибольший прогресс в разработке карботермического способа (патент RU 2301842 C2, опубл. 27.06.2007) достигнут в результате совместных работ компаний Alcoa и Elcem. В печи карботермического восстановления, применяемой для получения алюминия, используют полую разделительную перегородку для подачи углеродного материала в протекающий под ней поток. Эта перегородка разделяет низкотемпературную реакционную зону, где проводят реагирование оксида алюминия с углеродом с образованием карбида алюминия, и высокотемпературную реакционную зону, где проводят реагирование карбида алюминия и оставшегося оксида алюминия с образованием алюминия и оксида углерода. Изобретение обеспечивает возможность подачи дополнительного углеродсодержащего материала в реактор и его равномерного распределения, возможность исключения локализованного перегрева ванны шлака и снижение уноса алюминия.

Основными недостатками, связанными с процессом карботермического способа, являются незначительный выбор материалов, стойких к воздействию жидкого оксикарбидного расплава и газов при температуре до 2100°C, трудности эффективного регулирования и поддержания высокой рабочей температуры, невозможность обеспечения чистоты металла из-за примесей в нефтяном коксе и неполная декарбонизация полученного алюминия.

Известен хлоридный способ производства алюминия (патент US 3893899, опубл. 07.08.1975). В нем в качестве сырья используется AlCl 3 , растворенный в расплавленных хлоридах щелочных металлов. Проведение процесса возможно при низких температурах электролиза (~700°C). Преимуществами такого способа являются высокие плотности тока, т.к. в расплаве присутствует только один вид анионов, способных окисляться на аноде, отсутствие окисления хлором угольных анодов, что делает их нерасходуемыми.

К недостаткам способа относят необходимость в производстве и транспортировке чистого обезвоженного AlCl 3 . Содержание оксидов и гидроксидов должно быть низким, чтобы избежать окисления графитовых электродов и накопления шлама оксихлоридов, которые малорастворимы в хлоридном электролите. Высокие парциальные давления паров различных компонентов электролита, поэтому требуется очистка хлора, выделяемого при электролизе, от паров электролита и возврат уловленных хлоридов в электролизер. Наиболее эффективная попытка внедрения процесса была сделана компанией Alcoa. Несмотря на высокую производительность (около 13 т Al/сут) для одного электролизера и низкий удельный расход электроэнергии (около 9 кВт·ч/кг Al, без учета расхода энергии на процесс хлорирования), метод имеет несколько сложных технических проблем, которые до сих пор исключают его коммерческое применение.

Известно альтернативное получение алюминия из его сульфида (патент NL 20080202939, опубл. 28.08.2008). Безводный высокочистый сульфид алюминия получают из глинозема, далее электролитическим способом разлагают на алюминий и серу в многополярной ванне. При выходе по току в 90% удельный расход электроэнергии составит всего 5,24 кВт·ч/кг Al.

Главным недостатком является необходимость в производстве и создании отдельно технологического передела для получения очень чистого Al 2 S 3, это делает технологию промышленно нереализуемой, также существует сложность самого агрегата.

Известен способ получения алюминия электролизом расплава (патент RU 2415973 C2, опубл. 10.04.2011). Способ включает электролиз расплава KF-NaF-AlF 3 с добавками Al 2 O 3 при температуре электролита 700-900°C и поддержание криолитового отношения (KF+NaF)/AlF 3 от 1,1 до 1,9. Электролиз ведут при анодной плотности тока не более 1,0 А/см 2 и катодной плотности тока не более 0,9 А/см 2 . Обеспечивается увеличение производительности с одновременным снижением удельного расхода электроэнергии и удешевлением известного способа электролитического получения алюминия и низкая скорость коррозии электродных материалов, в частности инертных анодов. Температура электролиза при их использовании не превышает 150°C, что снижает требования к материалам электролизера, корректировке состава электролита, уменьшает экологическую нагрузку на окружающую среду.

Недостатком способа является высокая стоимость электролита, невозможность прямого использования в качестве сырья глинозема, низкие плотности тока снижают экономическую конкурентоспособность процесса. Участвующие в процессе электролиза ионы калия существенно снижают значение выхода по току.

Известен принятый в качестве прототипа способ извлечения металлов из металлосодержащих катализаторов на основе оксидов алюминия или кремния в плазменных печах (патент RU 2075526, опубл. 20.03.1997), включающий переработку путем плавления катализаторов в смеси с известковыми флюсами и(или) глиноземом с использованием плазменно-дугового нагрева при температуре 1600-1650°C подачей углеродсодержащего восстановителя и железа с последующей продувкой полученного расплава нейтральным газом.

Недостатком способа извлечения является разрушение электродов при высоких температурах электродуговой плавки. Взаимодействие угольной пыли и осколков с жидким металлом ведет к возникновению обратных термических реакций с образованием карбидов. Процесс энергоемкий и экономически невыгодный, требует применения дорогостоящих огнеупорных материалов для футеровки. Для извлечения металла требуется полный слив печи и временная остановка процесса.

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение существующего способа получения алюминия и снижение материальных и энергетических затрат на его производство при высоких технико-экономических показателях процесса и экологичности процесса.

Технический результат достигается тем, что алюминий получают путем плавления непрерывно поступающего глинозема в расплаве жидкого электрокорунда при плазменно-дуговом нагреве в реакторе в интервале температур 1300-1500°C со степенью вакуумирования 1,1-1,3·10 -4 Па, с последующим осаждением первичного алюминия на поверхности электрокорунда в электроосадительной камере путем пропускания через расплав постоянного тока 150-200 А и его рафинированием. При этом жидкий алюминий осаждают и собирают на поверхности электрокорунда при температуре 850-900°C.

Сущность заявляемого способа пояснена на фиг.1.

В реакционном пространстве высокотемпературной печи с углеродной системой нагрева и теплоизоляции, которая имеет двойной водоохлаждаемый корпус 1, создается вакуум до давления остаточных защитных газов 100-150 Па с помощью одновременной работы диффузионного вакуумного насоса 3 и форвакуумного насоса 4. Глинозем загружается на поверхность расплава при помощи дозатора 2. Затем проводится равномерный нагрев глинозема до получения расплава белого электрокорунда. Для нагрева и плавления порций глинозема используется плазменная дуга плазмотрона 5 на постоянном токе «прямой полярности». Необходимым условием стабильности электрической дуги является наличие источника питания, обладающего специальными характеристиками. Образовавшийся расплав заполняет электроосадительную камеру 6, перетекая за диафрагму-перегородку 7. Первичный алюминий осаждают на поверхности электрокорунда путем пропускания через расплав постоянного тока 150-200 А посредством углеграфитовых анода 8 и катода 9. Жидкий алюминий 10 находится на поверхности расплава, выполняя функцию катода, при достижении расчетного уровня через литниковую систему посредством верхнего слива 11 направляется в рафинировочную камеру 12 на очистку.

Наиболее рациональным с точки зрения перерабатываемого объекта методом извлечения металлического алюминия из оксида алюминия является плазменно-дуговой нагрев. При этом в заявляемых условиях глинозем представляет собой расплав белого электрокорунда. Температура плавления глинозема при степени вакуумирования - 1,1-1,3·10 -4 Па снижается до 1300-1500°C. Полученный расплав электрокорунда перетекает по принципу сообщающегося сосуда в электроосадительную камеру через разделительную диафрагму-перегородку. При прохождении электрического тока через расплав на поверхности раздела в камере происходит электрохимическое восстановление ионов с образованием алюминия.

В межэлектродном зазоре глинозем представляет собой расплав, состоящий из оксида алюминия в аморфном состоянии, с развитой внутренней поверхности которого адсорбируются анионы O 2- и катионы Al 3+ на электродах. Сверху на поверхности катода идет реакция восстановления алюминия Al 3+ -3e=Al, а на аноде образуется молекулярный кислород O 2- -2e=O 2 , который транспортируется вверх по поверхности катода.

Жидкий металл находится на поверхности расплава с температурой 850-900°C, поскольку имеет плотность 2,30-2,35 г/см 3 , а плотность расплава белого электрокорунда составляет 3,70-3,95 г/см 3 . Алюминий перетекает через сливное отверстие в рафинировочную камеру по мере увеличения уровня.

Пример реализации технического решения

В реакционное пространство вакуумной электропечи загрузили 100 кг глинозема марки Г00. В результате переработки получено 52,7 кг жидкого алюминия марки А5, что соответствует удельному расходному коэффициенту глинозема 1895 кг/т Al по реакции разложения. Как следует из анализа полученных результатов, наилучшие показатели достигаются при поддержании температуры расплава на уровне 1430-1450°C, со скоростью подачи глинозема на поверхность расплава в зоне плавления 5 кг/сек.

Заявляемый способ успешно позволяет решить проблему комплексной экономичной переработки металлургического глинозема с целью извлечения алюминия, снизить расход материалов и электроэнергии, обеспечить экологические требования, предъявляемые процессу.

Формула изобретения

1. Способ получения алюминия, включающий переработку оксида алюминия путем плавления с использованием плазменно-дугового нагрева, отличающийся тем, что непрерывно поступающий глинозем плавят в расплаве жидкого электрокорунда при плазменно-дуговом нагреве в реакторе в интервале температур 1300-1500°C со степенью вакуумирования 1,1-1,3·10 -4 Па, а затем осаждают первичный алюминий на поверхности электрокорунда в электроосадительной камере путем пропускания через расплав постоянного тока 150-200 А и рафинируют в рафинировочной камере.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкий алюминий осаждают и собирают на поверхности электрокорунда при температуре 850-900°C.

Имя изобретателя: Бажин Владимир Юрьевич (RU), Фещенко Роман Юрьевич (RU), Патрин Роман Константинович (RU), Власов Александр Анатольевич (RU)
Имя патентообладателя: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный" (RU)

Алюминиевая промышленность - отрасль цветной металлургии, объединяющая предприятия по выработке металлического алюминия.

В настоящее время алюминиевая промышленность оказывает все большее влияние на жизнь человека. Алюминий используется для создания самолетов и других видов транспорта, применяется при строительстве, а также находит все большее применение в потребительских запросах человечества при производстве упаковок для различных табачных изделий, косметической и пищевой продукции.

Определение географии распространения мировой алюминиевой промышленности в настоящее время имеет огромное значение, ведь доля использования алюминия в современном мире растет с каждым годом.

В первую очередь необходимо определить место, которое алюминиевая промышленность занимает в мире. Какие сферы производства она охватывает. Для более точного представления о географии алюминиевой промышленности необходимо выделить страны, которые развивают различные ее направления на мировом рынке, а также какое место занимает здесь Россия. Для этого необходимо рассмотреть страны-лидеры в производстве и добыче сырья для выплавки алюминия на экспорт и импорт. Определить наиболее значимые месторождения.

По результатам данных исследований будет составлена карта, которая поможет более точно составить представление о широте географии алюминиевой промышленности и ее значимости на мировом рынке.

Алюминий и его роль в промышленности

Алюминий это один из элементов в таблице Менделеева, он относится к легким металлам. Является наиболее распространенным металлом, а как химический элемент по содержанию в земной коре занимает третье место.

Получить алюминий можно из алюминиевых руд, в первую очередь из бокситов, содержащих от 28 до 80% оксидов алюминия. Нефелиновые сиениты, алунитовые, нефелин-апатитовые породы, также являются сырьем для получения алюминия, но они имеют меньшее процентное содержание оксидов алюминия, чем бокситы, и являются сырьем худшего качества.

Если рассматривать объемы производства цветных металлов в современной экономике, то алюминий занимает первое место. Это связано в первую очередь с тем, что он находит широкое применение в жизни людей, затрагивая достаточно широкий спектр отраслей, таких как транспортное машиностроение, строительство, упаковочное производство, производство потребительских товаров. Алюминий также используют для изготовления кабелей или других изделий, которые используются в электротехнике.

Физико-химические свойства алюминия, позволяют его использовать для изготовления специальных резервуаров, в которых можно хранить и транспортировать жидкие газы, такие как метан, кислород, водород, а так же азотную кислоту, чистую воду. Алюминий широко используется как конструкционный материал ядерных реакторов. При производстве стали алюминий также имеет большое значение, выступая в роли раскислителя.

В нашей повседневной жизни мы достаточно часто сталкиваемся с предметами, для изготовления которых использовался алюминий, например из него изготавливают детали электроприборов для холодильников, стиральных машин. Достаточно часто в быту можно встретить посуду из алюминия, мебель, различный спортивный инвентарь. Алюминий используется также для производства различных видов упаковок, банок для консервов или же одноразовых емкостей, изготовленных из фольги.

На такое широкое применение алюминия в жизни влияют его преимущества в свойствах перед другими конструкционными металлами:

В первую очередь можно выделить то, что алюминий имеет достаточно небольшой удельный вес;

Во вторых, к его преимуществам перед другими металлами можно отнести высокую коррозионную стойкость;

Алюминий легко поддается обработке, обладает способностью к стопроцентной вторичной переработке, а экономия энергии при этом составляет 95%;

Кроме этого металл обладает высокой электропроводностью и огнестойкостью;

Алюминий устойчив к низким температурам, при которых его прочность, пластичность и вязкость значительно выше.

Мировые лидеры по добыче сырья для алюминия и его переработке

Как уже было сказано выше, основным сырьем для получения алюминия являются алюминиевые руды, в первую очередь бокситы. Бокситы имеют экзогенное происхождение и в основном, образуются в корах выветривания, в условиях тропического климата.

Среди мировых стран, обладающих одними из больших запасов бокситов, можно выделить Гвинею, Австралию, Ямайку и Бразилию.

Мировое первенство по добычи бокситов принадлежит Австралии. Австралия сырье для производства алюминия добывает как для собственных нужд, так и поставляет его в другие страны мира. Так по экспорту бокситовых руд Австралия вышла на первое место в мире. Основными факторами, определяющими, ее лидерство являются:

Наличие на территории страны крупных месторождений бокситов, высокого качества;

Местоположение месторождений (находятся в непосредственной близости от морского побережья).

Не смотря на то, что запасов бокситов на территории Австралии значительно меньше, чем в Гвинее, именно эта страна занимает лидерство по их добыче и обеспечивает мировую алюминиевую промышленность.

За последнее время доля добычи бокситов в различных странах претерпевала изменения, но они не значительны. В первую очередь, они заключаются объемах добычи, а вот позиции, занимаемые ими в мировой добыче бокситов особых изменений не имели. Это связано с тем, что на территории стран-лидеров по добыче алюминиевого сырья находятся достаточно крупные месторождения бокситов, запасы которых по-прежнему, остаются значительными.

Ниже будут рассмотрены наиболее крупные месторождения бокситов, расположенные в различных странах. В первую очередь рассмотрим месторождения Австралии, так как именно эта страна занимает лидирующие позиции по добыче бокситов в мире.

Большая часть запасов бокситов, залегающих на территории Австралии, сосредоточена в четырех месторождениях: Уэйл (расположен на полуострове Кейл-Йорк); Гов (расположенном на полуострове Арнемленд); Бугенвиль и Митчелл. На крайней юго-западной части материка в 64 км от г. Перт расположен бокситовый район Дарлинг.

Рассматривая бокситовые месторождения Австралии, можно выделить два наиболее крупных.

Первым считается рудник Хантли, расположенный на юго-западе материка, в районе города Петр. В год там добывается в среднем до 19 миллионов тонн бокситов.

Вторым крупным месторождением бокситов по мощности, считается рудник Уэйпа. Этот рудник расположен на северо-востоке Австралии, на полуострове Кейл-Йорк, в Квинсленде. В год его мощность по добыче составляет в среднем 12 миллионов тонн бокситов.

Если рассматривать другие крупные месторождения бокситов, расположенные в других странах, то в первую очередь можно выделить бразильский рудник Тромбетас. Он находится в Амазонии, штат Пара. Его производительность составляет 17 миллионов тонн в год, что составляет 90% добычи бокситов в стране.

Рудник Камсар-Сангареди, расположенный в Гвинее, в Боке, поставляет до 14 миллионов тонн бокситов в год на внутренний и мировой рынки.

Также одним из значимых месторождений в Гвинее является Кимбо, расположенное в районе Фриа-Содиоре. Производственная мощность карьера составляет свыше двух миллионов в год.

Ряд крупных месторождений расположен в Индии:

Штат Бихар, Ранче месторождения Бахра-Пай, Кхамар-Пат, Похра-Пат.

Штат Гуджарат, Джалинагар месторождение Ран-Випур.

Штат Мадхья-Прадем, Бласпур месторождения Пхутка-Пахар, Паунахра местороджение Сатпатрик-хор-Пахар.

Также существуют достаточно крупные месторождения бокситов и в России, но они будут рассмотрены в другой главе.

Среди стран мира, производящих алюминий, лидирующие позиции принадлежат Китаю, России, Канаде, Австралии и Норвегии. Если сравнить список стран добывающих сырье для производства алюминия и стран, производящих его, то наблюдается отрыв районов добычи бокситов от основных центров его производства.

В первую очередь это связано с тем, что многие страны, являющиеся лидерами по производству алюминия, считают экономически более выгодным импортировать сырье, чем добывать его на своей территории. В то же время, ряд стран, занимающих первое место по добычи сырья для производства алюминия, имеют слабую экономику.

Выплавлять алюминий напрямую из бокситовых руд нельзя. Сначала происходит переработка бокситов в глинозем, а уже за тем получают алюминий.

Первое место по производству глинозема снова принадлежит Австралии. Так она выпускает до 18,4% от мирового производства глинозема. Второе место занимает Китай, выпуская 13,4% от мирового производства. Россия по производству глинозема занимает только шестое место, выпуская 3,3% от мирового производства этого сырья.

Страны мира, развивающие алюминиевую промышленность

Алюминиевая промышленность имеет достаточно широкую географию. Как уже было сказано выше, это связано с тем, что рудники по добыче алюминиевых руд и предприятия по выработке металлического алюминия достаточно часто расположены в разных странах.

Кроме стран, занимающих лидирующие позиции по добыче бокситов, таких как Австралия, Гвинея, Бразилия, переработкой глиноземов занимаются также США, Россия, Канада и Китай.

США и Россия обладают недостаточной сырьевой базой для производства глиноземов, а в Канаде ее нет совсем, поэтому они вынуждены импортировать достаточно большое количество глиноземов из других стран.

Со временем территориальная структура алюминиевой отрасли подверглась значительным изменениям. Так еще в начале восьмидесятых годов ряд Европейских стран, например таких, как Франция, добывали бокситы на своей территории. Но к началу двадцать первого века они прекращали или сокращали горнодобывающие работы, так как небольшие запасы, расположенные на их территориях, постепенно истощались.

Изменилась и география стран, занимающихся выплавкой алюминия. Так к началу века среди мировых лидеров по получению алюминия остались США, Россия, ставшая основной преемницей СССР, и Канада. Но с мировой арены лидеров исчезла Япония, в которой выплавка алюминия сократилась больше чем в 20 раз.

Так же среди стран, потерявших свои позиции в мировой алюминиевой промышленности по выплавке алюминия, можно назвать Германию и Норвегию. А вот некоторые страны постепенно укреплял свои лидирующие позиции, например Китай, который к 2000 году занимал третье место, а к 2002 вышел на первое место, увеличив выплавку алюминия до 4,1 миллионов тон в год.

В число мировых лидеров по производству алюминия вошли такие страны, как Бахрейн и ОАЭ. На это повлияло то, что на территории этих стран находится большое количество нефти, которую используют для производства электроэнергии.

Дешевая электроэнергия это один из важных факторов, который влияет на производительность стран по выплавке алюминия, ведь это очень электроемкий процесс. Так многие страны, для сокращения затрат, строят алюминиевые заводы в непосредственной близости от электростанций, которые способны давать дешевую электроэнергию.

Алюминиевая промышленность оказывает большое влияние в различных сферах. Так алюминий широко используется в авиастроение, ракетостроении, пищевой промышленности и электроэнергетики.

Поэтому многие страны, занимающие лидирующие позиции перечисленных выше отраслях, несмотря на то, что они занимают лидирующие места по производству алюминия, вынуждены дополнительно закупать сырье. Например, США потребляет в два раза больше алюминия, чем может позволить себе производить.

Если рассматривать динамику роста мирового производства алюминия, то наблюдается ее годовая положительная динамика. Так всего лишь за семь месяцев в 2006 году выплавка алюминия, по сравнению с аналогичным периодом прошлого года, выросла на 2,6 %, а к 2010 году добыча бокситов в мире выросла на 6,1%.

Алюминиевая промышленность России

Россия занимает лидирующие позиции, как по добыче алюминиевых руд, так и получения из них кремнезема, а затем и алюминия. Поэтому в данном пункте будет отдельно рассмотрена алюминиевая промышленность России.

Всего на территории России имеется 50 месторождений бокситов. Это месторождения, где уже ведутся работы по добыче бокситов, а также еще не разработанные. Большая часть балансовых запасов расположена в европейской части России. Здесь запасы сосредоточены в семи месторождениях, пять из которых сосредоточены в Северо-Уральском бокситоносном районе в Свердловской области (Кальинское, Новокальинское, Черемуховское, Красная Шапочка); Иксинское месторождение в Архангельской области, Вежаю-Ворыквинское месторождение в республике Коми и Висловское месторождение в Белгородской области. На Висловском месторождение работ по добыче бокситов, пока не ведется. Все эти месторождения содержат 70% всех разведанных запасов бокситов России.

На территории России есть и старые бокситовые районы, где до сих пор ведутся работы по добыче сырья для получения алюминия. К таким месторождениям можно отнести Тихвинские рудники, расположенные в Ленинградской области (Радынское месторождение).

Также на территории России можно выделить Северо-Уральский бокситоносный район. Алюминиевые руды этого района обладают наилучшим качеством, среди бокситов, которые добываются по всей территории России.

Но объем бокситов, добывающихся на месторождениях, расположенных на территории России, в полной мере не может обеспечить необходимым количеством сырья российскую алюминиевую промышленность. Поэтому на территории нашей страны также разрабатываются месторождения других алюминиевых руд, значительно худших по качеству, но все же пригодных для его дальнейшего использования в промышленности.

Так в России разрабатываются месторождения с нефилиновыми рудами, которые так же можно использовать в качестве сырья для получения алюминия.

Такой же практикой, по замене сырья для выплавки алюминия, вследствие недостаточного количества бокситов на территории страны, или же не имении их совсем, пользуются и другие страны мира. Так, например, в Азейбарджане для выплавки алюминия используют алуниты.

Балансовые запасы нефилиновых руд огромны и в значительной мере превышают запасы бокситов, находящихся на территории России, приблизительно в четыре раза.

На территории России находится восемь апатит-нефилиновых месторождений. В первую очередь можно выделить Хибинскую группу месторождений, расположенную в Мурманской области, а также Кия-Шалтырское месторождение в Кемеровской области. Нефилиновые руды Кия-Шалтырского рудника достаточно богатые и поэтому не требуют обогащения.

В России развиты все отрасли алюминиевой промышленности, так как на ее территории происходит не только добыча алюминиевых руд, но и работают предприятия по ее переработке для получения алюминия и применения его в различных сферах жизни человека.

Как уже было сказано выше, алюминий не получают напрямую из бокситов или нефелиновых руд. Существует промежуточная стадия - получение глинозема.

Так на территории нашей страны крупнейшие глиноземные производства сосредоточены в Свердловской области и Красноярском крае.

Несмотря на то, что на территории России расположено значительное количество как бокситовых, так и нефилиновых месторождений, практически все из них выработаны и добываемого сырья не хватает. Получаемые объемы способны обеспечит не более 40% потребностей российских алюминиевых заводов. Поэтому Россия вынуждена закупать сырье у других стран. Основными импортерами глинозема являются Казахстан, Украина и Австралия.

На территории России можно встретить достаточно широкий спектр предприятий алюминиевой промышленности. Это и рудники по добыче сырья для производства алюминия, и заводы по получению глинозема, и алюминиевые заводы. Алюминиевые заводы расположены почти по всей территории России.

География алюминиевой промышленности мира

Данный пункт дает сравнительную характеристику основных стран-лидеров по добыче бокситов и выплавке алюминия. Наиболее точные сведения о географии мировой алюминиевой промышленности дает составленная карта, на которой нанесены страны, на территории которых происходит добыча бокситов, а также страны, которые производят выплавку алюминия на своей территории.

Из рисунка видно, что большая часть стран специализируется в какой-то одной из отраслей алюминиевой промышленности, которая является наиболее экономически выгодной в конкретном регионе. И лишь несколько стран развивают два направления алюминиевой промышленности.

Этими странами являются Австралия, Россия, Китай, Индия, Бразилия, Венесуэла. В первую очередь это обусловлено тем, что на территории вышеперечисленных стран есть значительные запасы бокситовых месторождений, а также все условия для работы алюминиевых и глиноземных заводов.

Заключение

В настоящее время темпы развития алюминиевой промышленности набирают все большие обороты. География стран, вовлеченных в нее достаточно широка, это видно по рисунку 3, где на карте обозначены все страны, которые имеют долю в алюминиевой промышленности.

Внимательно изучив данный вопрос, можно сделать несколько выводов.

Алюминий является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре.

Свойства алюминия дают ему преимущество перед другими металлами, а также определяют спектр использования в жизни человека.

Основными производствами, использующими для своих нужд алюминий являются: электротехника, электроника, производство стали, упаковочная продукция, дубление кож.

Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы.

Основными странами-лидерами по добыче бокситов являются Австралия, Гвинея, Бразилия.

Лидерами по производству алюминия считаются Китай, Россия, США.

Основные производства алюминиевой промышленности: добыча алюминиевых руд, производство глинозема из руд или концентратов, производство электродов и анодной массы, производство фтористых солей, выплавка металлического алюминия, получение полуфабрикатов из алюминия.

Алюминиевая промышленность является важнейшей отраслью цветной металлургии.

Легче перечислить те области нашей жизни, где алюминий не используется, чем те, где он практически незаменим.
Называя вещи своими именами, время, в котором мы сейчас живем, следовало бы назвать не железным веком, а алюминиево-пластмассовым…

Алюминий для пападанца это такой рог изобилия, ништяков и эксклюзива, что»алюминий» и «золото» для него практически синонимы.
Алюминий, например, это удивительная для аборигенов фурнитура и бижутерия, напоминающая серебряную, сверхлегкий доспех из алюминиевых сплавов(даже легче кожаного, но по защитным качествам приближающийся к стальному — недаром сейчас из сплавов системы AlZn делают противопульную броню), котлы, сковороды и другая походная посуда (по теплопроводности и прочности почти как медная, но меньше прогорает и легче раза этак в три) — у вояк и кочевников такие котлы и доспехи улетят как горячие пирожки, даже если брать по три веса золотом. Кроме того, алюминий это отличные провода (гораздо более доступные, чем медные, ведь медь и во времена попадания страшно дорога и не везде продается), разнообразные радиаторы, компонент ВВ, наполнитель для специальных красок и пластмасс, восстановитель для добычи всяких разных хитрых и редких металлов… Список можно без труда продолжать.
Так что если наш попаданец овладел электричеством, то ему самое время заняться добычей этого важнейшего металла.

С самого открытия металла и по наше время для его добычи использовались отнюдь не кустарные, а очень сложные технологии, высокие давления и температуры, дефицитные материалы и большие заводы. Но самое удивительное, что нет никаких принципиальных препятствий для его производства нашим попаданцем буквально на коленке, естественно, при условии что у него руки растут откуда надо, а на уроках химии он не спал и не пинал балду… Все упирается лишь в наличие электрогенератора постоянного тока. Остальные принадлежности попаданцу вполне доступны.

Но путь все же тернист, и на нем ожидают многочисленные засады 🙂

Металлургия алюминия неизбежно включает в себя две фазы.

Первая фаза — добыча и обогащение первичного сырья, то бишь отделение соединений алюминия от примесей. Хотя алюминий в природе находится в виде сложных соединений типа силикато-алюминатов, сульфатов и их гидратных комплексов(то бишь, содержащих химически свзяанную воду), ценность сырья всегда условно приято выражать в процентах содержания гидроокиси алюминия, или глинозема — Al(OH) 3 .

Хотя мы все проходили в школе, что алюминий — «серебро из глины», в реальности добывать его из глины мало кому вообще приходит в голову. Сейчас мировая алюминиевая промышленность в качестве сырья предпочитает боксит — чрезвычайно богатый алюминием минерал, но, к сожалению, не везде встречающийся в нужном количестве. Единственное исключение — Россия, где РусАл господина Дерипаски, работая по уникальным советским технологиям и пользуясь халявным электричеством с сибирских ГЭС, до сих пор эксплуатирует богатейшие месторождения алунитов, апатитов и других бросовых пород, на которые во всем остальном мире из-за наличия богатых бокситовых залежей в странах третьего мира никто просто не обращает внимания.

Но попаданцу все-таки придется иметь дело с разнообразными сортами глины. Она обычно не так богата алюминием, как боксит(нужного глинозема, там обычно всего где-то 15-20%, хотя как повезет — в отдельных породах и до 80% может доходить), но зато есть абсолютно везде. Подходит практически любая, имеющая относительно стабильный состав.
Главные примеси — кремнезем(большинство), оксид титана, оксиды железа(не больно много, но мешаются невероятно на последующих стадиях производства, вызывая ненужную трату реактивов и мощности), щелочных и щелочноземельных металлов. А в примесных количествах там чего только нет — от органики до тяжелых металлов, и в принципе, после разделения всему этому попаданец может легко найти применение.
Способов отделения глинозема попаданцу доступно только два — кислотный и щелочной(соляная кислота с едким натром для него перестают быть проблемой, как только появился доступ к соли, и, опять же, к электричеству).

Первый способ — хорошенько прокипятить глину со щелочью в плотно закрытом а-ля автоклав железном котле. Плюсы — процесс идет довольно быстро и для него не нужны какие-то очень уж специфические условия. Глинозем растворится весь, а все железо останется в осадке. Минусы — нужна обязательно железная ёмкость(любую другую из доступных просто разъест), в раствор вместе с глиноземом попадет весь ненужный кремнезем, которого там ну очень много. Так что для его удаления придется титровать кислотой, получив, правда, замечательный побочный продукт под названием силикагель.

(Подробнее можно погуглить на тему «процесс Байера». Я рекомендую книгу «Металлургия алюминия», И.А. Троицкий, В.А. Железнов )

Второй способ — растворить в кислоте предварительно осторожно прокаленную для удаления связанной воды, увеличения поверхности и химической активности(т.н. «вскрытую») глину.
Плюсы — можно растворять в глиняной или стеклянной емкости, а весь кремнезем, которого в глине львиная доля, останется в осадке.
Минусы — просто так глину растворить не получится. Реакция пойдет невыносимо медленно. Кроме того, есть одна тонкость — диапазон температур для правильного прокаливания довольно узок (коридор градусов 200 начиная где-то с 300°С) и попаданцу придется определять его методом тыка. Глинозем же все равно растворится не весь, а всего где-то треть из того, что есть в глине, но зато растворится все железо и остальные сходно ведущие себя слабоосновные примеси. В итоге, как и в первом способе, скорее всего придется аккуратно осаждать всю эту прелесть небольшим количеством крепкой щелочи. Главное тут не пропустить момент начала выпадения осадка глиноземного геля. Тут ценным побочным продуктом будет осадок довольно чистой ржавчины — гидроксида железа, который после накопления, в конце концов, можно использовать, например, в качестве высокочистой железной руды.
(подробнее о кислотном способе можно почитать, например, вот в этих статьях:
Extraction of Alumina from Local Clays by Hydrochloric Acid Process, A.A. Al-Zahrani and M.H. Abdul-Majid,
Extraction of Alumina from Clays by the Lime-sinter Modification of the Pedersen Process. BY RAYMONLD. COPSON,JOHN H. WALTHALLA, TRAVIS P. HIGNETT, New York Meeting. February 1944 )
Короче говоря, после первой фазы тем или иным способом попаданец получит не сильно большое (принимая во внимание количество переработанной глины), но все же приличное количество насыщенного раствора солей алюминия. Скорее всего, это будет хлорид AlCl 3 .

Теперь начинается вторая фаза металлургии алюминия и наступает еще большее веселье — нужно как-то добыть сам металл!

Казалось бы, все просто — пускаем ток, и дело в шляпе.
Но тут ожидает самое главное разочарование — электролизом водного раствора при обыкновенных, доступных для попаданца источниках тока и оборудовании алюминий не получить. Слишком уж он активен, так что на электролиз попаданцу годится только расплав.
В наше время идут по самому рентабельному пути — перерабатывают руду по первому способу, доводя затем раствор до перенасыщения и добавляя затравку глиноземного геля. В результате весь чистый глинозем выпадает в осадок, его прокаливают и получают чистый оксид алюминия Al 2 O 3 , который и идет дальше на электролиз.
Окись алюминия — тугоплавкий огнеупор, и просто так за здорово живешь не расплавится. Тут нужно больше 2000°С. Поэтому независимо друг от друга сразу два инженера начала 20 века Холл и Эру придумали растворять его в расплаве криолита(это смешанный фторид алюминия-натрия состава Na 3 AlF 6 , из-за редкости приготовляемый искусственно), но все равно вести электролиз при ~900°С в графитовой ванне графитовыми же электродами.
Попаданцу, понятное дело, подобное не покатит. Работы со фтором ему не потянуть, фторидов взять негде, с постоянно горящим графитом напряги, да и 900 градусов в ванне как-то многовато. Ему бы что-нить поближе и подешевле, чтоб на дому.
Вот, например, хлорид уже есть — пускай он и будет, к тому же электролиз хлорида на треть более энергоэффективен.

Отлично, только тут ждет еще одна засада — хлорид алюминия, так же, как и хлориды магния и кальция, ужасно гигроскопичен, так что на воздухе сосет из него воду и просто расплывается в кашу, а при попытке прокалить разлагается, гад, на оксид и хлороводород. В общем, нужна безводная соль. Как же её получить? Из водного раствора — никак.
В нашей реальности корпорация Alcoa провела разработки на эту тему и самое простое, что они придумали, это обрабатывать глинозем смесью хлора с хлороводородом в кварцевой печке при температуре выше 1000°С. Безводный хлорид потом конденсируется в герметичном холодильнике.
Такое попаданцу тоже уж точно не подойдет — кварцевая печка на ближайшем базаре не продается, а чтобы самому её сделать, надо сначала пуд соли съесть. Да и герметичность надо как-то обеспечивать…
Кажется тупик. Не видать бедолаге алюминия, как своих ушей, а он уже и губы раскатал…

Попаданец с горя напивается, и, мучимый похмельем, решает на следующий день отмокнуть в лохани. Заодно и помыться можно. Он берет кусок собственноручно сваренного мыла, до скрипа надраивается мочалкой, и матеря про себя местную жесткую воду, тянется за следующим куском, попутно разгоняя к краям лохани все, что осталось от его произведения — покрывающие всю поверхность воды, абсолютно не желающие ни мылиться, ни растворяться, ни даже просто смачиваться водой легкие белые катышки.

И тут вдруг он, подобно Архимеду, выскакивает голый из лохани с криком «Эврика!», ведь решение головоломки с алюминием как раз в этих катышках и заключается.
Знакомьтесь: алюминиевое мыло, старший кузен тех самых белых катышков, то бишь «мыл» магния и кальция!

Фишка в том, что большинство высокомолекулярных органических кислот (в просторечии именуемых «жирными» по своему производному — жирам) дают со всеми металлами, кроме щелочных, абсолютно нерастворимые в воде соли. Больше того — эти «мыла» с водой даже не смешиваются, и в своем составе химически связанной воды абсолютно не содержат. Это свойство, повсеместно используемое химиками, делает жирные кислоты идеальным экстрагентом для смешанных водных растворов металлических солей. Кроме всего прочего, эти «мыла» всплывают еще и в очередности, строго соответствующей ряду напряжений металлов. То бишь, пока не выйдет весь алюминий, кальций и магний так и останутся плавать. И это тоже еще не все! Ионы щелочных металлов здорово подвижны. Поэтому если теперь нагреть мыло с безводным хлоридом щелочного металла(а лучше их смесью), натрий или калий перейдут в мыло, поменявшись с алюминием, а тот уйдет в смесь хлоридов, давая очень легкоплавкую тройную эвтектику AlCl 3 -KCl-NaCl(при оптимальном процентном соотношении солей плавится всего при 70С!!!). И заметьте себе — от воздуха она сверху все еще закрыта еще твердым алюминиевым мылом!

(подробнее об экстракции алюминия через соли жирных и других органических кислот можно почитать здесь:
US patent 4415412,
«Экстракция металлов некоторыми органическими катионобменными реагентами», Э.Н. Меркин, Москва, 1968,
а также, как всегда, спросить гугл на тему «стеарат(или, к примеру, пальмитат) алюминия» 🙂)

Короче говоря, попаданец, выскочив из лохани, доливает в горшок с раствором хлорида алюминия раствора обычного натриевого мыла, отделяет всплывшее мыло алюминиевое, сушит, накладывает в широкий горшок поверх хорошо прокаленной смеси калийной и поваренной солей, греет на водяной бане и через некоторое время сует туда два электрода.
Придя с обеда, он обнаруживает на нижнем, стальном(а лучше свинцовом), долгожданный слой алюминия! Бинго!

Конечно, все вышеописанное довольно далеко от идеала экономичности. Электричества, соли и мыла нужно на первых порах очень много. Но потом, после оптимизации процесса, реактивы регенерируются, к тому же имеются сами по себе ценные побочные продукты — силикагель, оксид титана, шламы…

Но вот зато когда наконец продается с аукциона (буквально за мешок золота:)) первый алюминиевый котел, попаданец забывает обо всех пройденных терниях, и его маленькая мастерская чудес переходит на совершенно новый уровень этих самых чудес!

А это однозначно окупает все затраты.

 

Промышленное производство алюминия - только один из многих процессов, в котором используется электричество. Очень многие продукты химической промышленности получают с помощью электролиза.  

Промышленное производство алюминия связано с именем француза Анри Сент-Клер Девиля.  

Промышленное производство алюминия в Советском Союзе былсц организовано только в 30 - х годах текущего столетия после создания стране первых электростанций.  

Промышленное производство алюминия в нашей стране было организовано в 30 - х годах XX столетия после строительства первых крупных электростанций. Теоретической основой производства явились исследования отечественных ученых, выполненные в конце XIX - начале XX вв. В 1882 - 1892 гг. К.И. Байер разработал мокрый метод получения глинозема выщелачиванием руд, а в 1895 году Д.Н. Пеняков предложил метод производства глинозема из бокситов спеканием с сульфатом натрия в присутствии угля.  

Промышленное производство алюминия основано на электролизе глинозема А12О3, растворенного в расплавленном криолите, содержащем различные добавки. Процесс электролиза осуществляется в электролизере, который называют также электролизной ванной. При этом на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Первичный алюминий, извлекаемый из электролизеров (алюминий-сырец), содержит ряд примесей, которые можно разделить на три группы; неметаллические, металлические и газообразные. Перед разливкой алюминий-сырец выдерживают в расплавленном состоянии в электрических печах сопротивления или газовых отражательных печах. В этих печах не только проводят рациональную шихтовку различных по составу порций жидкого алюминия, но и частично очищают от неметаллических включений, окисных пленок и натрия. Для получения алюминия высокой чистоты (марок А995 - А95) алюминий-сырец технической чистоты электролитически рафинируют.  

На этом процессе основано промышленное производство алюминия. В качестве растворителя для понижения температуры плавления добавляют другую соль - криолит NasAlFe. Смесь АЬОз и NaaAlFa может быть подвергнута электролизу при 950 С.  

Основным исходным веществом для промышленного производства алюминия является чистый оксид алюминия, выделяемый из природных бокситов путем тщательной очистки их от примесей соединений железа и кремния и обезвоживания. Необходимый для производства криолит получают искусственно растворением гид-роксида алюминия в плавиковой кислоте (водный раствор HF) и нейтрализации полученного раствора содой (Na2CO3); образующийся криолит выпадает в осадок. Электролизу подвергают так называемый криолитоглиноземный расплав, который приготовляют, смешивая криолит с оксидом алюминия (8 - 10 %) и добавками фторида алюминия; при известном соотношении компонентов наи-пизшая температура плавления смеси составляет 665 С.  

На основании результатов этих опытов и было организовано затем промышленное производство алюминия.  

Мы долго изучали аналогичную проблему для фторидных ванн и, в частности, для ванн на основе криолита, используемых для промышленного производства алюминия.  

Практическое использование соединений фтора связано с производством полимерных материалов - фторопластов, важнейшим из которых является тефлон, а также с синтезом искусственного криолита Na3AlFe, используемого для промышленного производства алюминия.  

В 1886 г. Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США, используя накопленный учеными многих стран материал, подали заявки на аналогичные способы получения алюминия путем электролитического разложения глинозема, растворенного в расплавленном криолите, а с 1888 г. началось промышленное производство алюминия по этому способу, применяемому повсеместно дс настоящего времени.  

Промышленное производство алюминия основано на электролизе глинозема А12О3, растворенного в расплавленном криолите Na3AlF6, содержащем различные добавки. Процесс электролиза осуществляется в электролизере - алюминиевой или электролизной ванне. При этом на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород.  

В США, Швейцарии и Франции первые заводы промышленного производства алюминия по электролитическому методу были построены в 1888 - 1889 гг. К началу XX в.  

Cтраница 1

Промышленный способ получения алюминия электролизом криолитоглиноземных расплавов, несмотря на длительное его применение, имеет ряд существенных недостатков: высокий удельный расход электроэнергии, низкие удельный съем металла и срок службы электролизеров, большие трудовые и капитальные затраты, выделение вредных веществ в атмосферу и ряд других. В связи с этим предлагаются другие способы получения алюминия. Рассмотрим некоторые из них.  

Электролиз расплавов служит промышленным способом получения алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов. Эти металлы выделяются в жидком виде, так как электролиз проводится при высоких температурах, а указанные металлы сравнительно легкоплавкие. При помощи электролиза расплавов можно выделить в виде порошков (а иногда и в компактной форме) ряд более тугоплавких металлов, таких, как бериллий, уран, вольфрам, молибден, цирконий, ниобий, тантал, титан и др. При электрорафинировании загрязненный металл очищают, подвергая его анодному растворению с одновременным осаждением на катоде при соответствующем выборе условий электролиза. Таким образом получают медь, золото, серебро, свинец, висмут, никель, олово высокой степени чистоты.  

Этот способ до настоящего времени остается единственным промышленным способом получения алюминия.  

Свободный алюм-гаий был впервые выделен датским физиком Эрстедом в 1825 г., но только в 1845 г. немецкому физику Веллеру удалось получить алюминий в количестве, достаточном для определения его основных свойств. Эти свойства оказались настолько интересными, что ученые нескольких стран занялись разработкой промышленных способов получения алюминия.  

Поскольку на аноде выделяется кислород, уголь постепенно сгорает, и анод непрерывно приходится доращивать. Несмотря на большую энергоемкость электролизного процесса, в настоящее время он является единственным промышленным способом получения алюминия.  

Поскольку на аноде выделяется кислород, уголь постепенно сгорает и анод непрерывно приходится доращивать. Несмотря на большую энергоемкость электролизного процесса, в настоящее время он является единственным промышленным способом получения алюминия.  

В задачу электрометаллургии входят получение и очистка металлов с использованием электрического тока. Электрометаллургия включает в себя три большие ветви: электроэкстракцию, электрорафинирование и электролиз расплавов. Электроэкстракция состоит в получении металлов из растворов путем электролиза. При электрорафинировании загрязненный металл очищают, подвергая его анодному растворению и последующему осаждению на катоде при соответствующем выборе условий электролиза. Таким образом получают медь, золото, серебро, свинец, висмут, никель, олово высокой степени чистоты. Электролиз расплавов является промышленным способом получения алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов.  

Страницы:      1