Алюміній, виробництво алюмінію: технологія, процес і опис

Алюміній володіє масою властивостей, які роблять його одним з найбільш використовуваних матеріалів у світі. Він широко поширений в природі, займаючи перше місце серед металів. Здавалося б, і труднощів з його виробництвом бути не повинно. Але висока хімічна активність металу призводить до того, що в чистому вигляді його не зустріти, а робити – складно, енергомістке і витратно.

Сировина для виробництва

З якої сировини отримують алюміній? Виробництво алюмінію з усіх мінералів, що містять його, дорого і нерентабельно. Добувають його з бокситів, які містять до 50% оксидів алюмінію і залягають безпосередньо на поверхні землі значними масами.
Ці алюмінієві руди мають досить складний хімічний склад. Вони містять глинозем в кількості 30-70% від загальної маси, кремнеземи, яких може бути до 20%,окис заліза у межах від 2 до 50%, титан (до 10%). Глинозем, а це окис алюмінію і є, складаються з гидроокисей, корунду і каолініту. Останнім часом окису алюмінію стали отримувати з нефелинов, які містять ще і окису натрію, калію, кремнію, та алунітів. Для виробництва 1 т чистого алюмінію потрібно близько двох тонн глинозему, який, у свою чергу, одержують з приблизно 45 т бокситів.

Родовища бокситів

Запаси бокситів у світі обмежені. На всій земній кулі лише сім районів з його багатими покладами. Це Гвінея в Африці, Бразилія, Венесуела і Сурінам в Південній Америці, Ямайка в Карибському регіоні, Австралія, Індія, Китай, Греція і Туреччина в Середземномор'ї і Росія. У країнах, де є багаті родовища бокситів, може бути розвинене і виробництво алюмінію. Росія видобуває боксити на Уралі, в Алтайському і Красноярському краях, в одному з районів Ленінградської області, нефелин - на Кольському півострові.
Найбагатші родовища належать саме російської об'єднаної компанії UC RUSAL. За нею йдуть гіганти Rio Tinto (Англія-Австралія), об'єднався з канадської Alcan і CVRD. На четвертому місці перебуває компанія Chalco з Китаю, потім американо-австралійська корпорація Alcoa, які є і великими виробниками алюмінію.

Зародження виробництва

Датський фізик Ерстед виділив першим алюміній у вільному вигляді в 1825 році. Хімічна реакція проходила з хлоридом алюмінію і амальгамою калію, замість якої через два роки німецький хімік Велер використовував металевий калій. Калій – матеріал досить дорогий, тому в промисловому виробництві алюмінію француз Сент-Клер Девіль замість калію в 1854 році використав натрій, елемент значно дешевший, і стійкий подвійний хлорид алюмінію і натрію. Російський вчений Н. Н. Бекетов зміг витіснити алюміній з розплавленого кріоліту магнієм. Наприкінці вісімдесятих років того ж століття цю хімічну реакцію використовували німці на першому алюмінієвому заводі. У другій половині XVIII століття було отримано близько хімічними способами 20 т чистого металу. Це був дуже дорогий алюміній. Виробництво алюмінію з допомогою електролізу зародилося в 1886 році, коли одночасно були подані практично однакові патентні заявки основоположниками цього способу американським вченим Холом і французом Еру. Вони запропонували розчиняти глинозем в розплавленому кріоліті, а потім електролізом одержувати алюміній.
З цього і почалася алюмінієва промисловість, яка стала за більш ніж вікову історію однієї із самих великих галузей металургії.

Основні етапи технології виробництва

У загальних рисах технологія виробництва алюмінію не змінилася з моменту створення. Процес складається з трьох стадій. На першій з алюмінієвих руд, будь це боксити або нефеліни, отримують глинозем – окис алюмінію Al 2 O 3 . Потім з окису виділяють промисловий алюміній зі ступенем очищення 995 % , для деяких цілей буває недостатньо. Тому на останній стадії рафінують алюміній. Виробництво алюмінію завершується його очищенням до 9999 %.

Отримання глинозему

Існує три способу отримання окису алюмінію з руд: - кислотний; - електролітичний; - лужної. Останній спосіб - найбільш поширений, розроблений ще в тому ж таки XVIII столітті, але з тих пір неодноразово доопрацьований і істотно поліпшений, застосовується для переробки бокситів високих сортів. Так отримують близько 85 % глиноземів. Сутність лужного способу полягає в тому, що алюмінієві розчини з великою швидкістю розкладаються, коли в них вводиться гідроокис алюмінію. Залишився після реакції розчин випарюється при високій температурі близько 170° С і знову використовується для розчинення глинозему; Спочатку боксит дробиться і подрібнюється в млинах з їдкою лугом і вапном, потім в автоклавах при температурі до 250°З відбувається його хімічне розкладання і утворюється алюмінат натрію, який розбавляють лужним розчином вже при більш низькій температурі – всього 100° С. Алюминатный розчин промивається в спеціальних сгустителях, відділяється від шламу. Потім відбувається його розкладання. Через фільтри розчин перекачують у ємкості з мішалками для постійного перемішування складу, який для затравки додано тверда гідроокис алюмінію.
В гідроциклон і вакуум-фільтрах виділяється гідроокис алюмінію, частина якої повертається в якості затравочного матеріалу, а частина йде на кальцинації. Фільтрат, що залишився після відділення гідроокису, теж повертається в обіг для вилуговування наступної партії бокситів. Процес кальцинації (зневоднення) гідроксиду в обертових печах відбувається при температурах до 1300° С. Для отримання двох тонн окису алюмінію витрачається 84 кВт*год електроенергії. Міцне хімічна сполука, температура плавлення якого 2050° С, це ще не алюміній. Виробництво алюмінію попереду.

Електроліз окису алюмінію

Основним обладнанням для електролізу є спеціальна ванна, футерована вуглецевими блоками. До неї підводять електричний струм. У ванну занурюються вугільні аноди, згоряють при виділенні з окису чистого кисню і утворюють окис і двоокис улглерода. Ванни, або электрилизеры, як їх називають фахівці, включаються в електричний ланцюг послідовно, утворюючи серію. Сила струму при цьому становить 150 тисяч ампер. Аноди можуть бути двох типів: обпалені з великих вугільних блоків, маса яких може бути більше тонни і самообжигающиеся, що складаються з вугільних брикетів в алюмінієвій оболонці, які спікаються в процесі електролізу під дією високих температур. Робоча напруга на ванні зазвичай становить близько 5 вольт. Воно враховує і напругу, необхідне для розкладання оксиду, і неминучі втрати в розгалуженій мережі. З розчиненою в розплаві на основі кріоліту окису алюмінію рідкий метал, який важче солей електроліту, осідає на вугільному підставі ванни. Його періодично відкачують. Процес виробництва алюмінію вимагає великих витрат електроенергії. Щоб отримати одну тонну алюмінію з глинозему, потрібно витратити близько 135 тисяч кВт*год електроенергії постійного струму. Тому ще однією умовою створення великих виробничих центрів є працююча поруч потужна електростанція.

Рафінація алюмінію

Найбільш відомий метод – це тришаровий електроліз. Він також проходить в електролізних ваннах з вугільними подинами, футерованих магнезитом. Анодом у процесі служить сам розплавлений метал, що піддається очищенню. Він розташовується в нижньому шарі на струмопровідній подині. Чистий алюміній, який з електроліту розчиняється в анодному шарі, розуміється вгору і служить катодом. Струм до нього підводиться за допомогою графітового електрода. Електроліт в проміжному шарі – це фториди алюмінію або чисті або з додаванням натрію та хлориду барію. Нагрівається він до температури 800°С. Витрата електроенергії при трехслойном рафінуванні становить 20 кВт*год на один кг металу, тобто на одну тонну потрібно 20 тисяч кВт*год. Ось чому, як жодне виробництво металів, алюміній вимагає наявності не просто джерела електроенергії, а великої електростанції у безпосередній близькості. У рафінованому алюмінії в дуже малих кількостях містяться залізо, кремній, мідь, цинк, титан і магній. Після рафінування алюміній переробляється в товарну продукцію. Це і злитки, і дріт, і лист, і чушки. Продукти сегрегації, отримані в результаті рафінування, частково, у вигляді твердого осаду, використовуються для розкислення, а частково відходять у вигляді лужного розчину. Абсолютно чистий алюміній отримують при подальшій зонної плавці металу в інертному газі або вакуумі. Характерною його характеристикою є висока електропровідність при кріогенних температурах.

Переробка вторинної сировини

Чверть загальної потреби в алюмінії задовольняється переробкою вторинної сировини. З продуктів вторинної переробки ллється фасонне литво. Попередньо отсортированное сировину переплавляється в порогової печі. У ній залишаються метали, що мають більш високу температуру плавлення, ніж алюміній, наприклад, нікель і залізо. З розплавленого алюмінію продувкою хлором або азотом віддаляються різні неметалеві включення. Більш легкоплавкі металеві домішки видаляються присадками магнію, цинку або ртуті і вакуумуванням. Магній видаляється з розплаву хлором. Заданий ливарний сплав отримують, ввівши добавки, які визначаються складом розплавленого алюмінію.

Центри виробництва алюмінію

За обсягами споживання алюмінію КНР займає перше місце, залишаючи далеко позаду знаходяться на другому місці США і володаря третього місця Німеччину. Китай – це країна виробництва алюмінію, з величезним відривом лідирує в цій області. У десятку кращих, крім КНР, входять Росія, Канада, ОАЕ, Індія, США, Австралія, Норвегія, Бразилія і Бахрейн. У Росії монополістом у виробництві глинозему та алюмінію є об'єднана компанія RUSAL. Вона виробляє до 4 млн т алюмінію в рік і експортує продукцію в сімдесят країн, а присутній на п'яти континентах у сімнадцяти країнах. Американської компанії Alcoa в Росії належать два металургійних заводи. Найбільший виробник алюмінію в Китаї – компанія Chalco. На відміну від зарубіжних конкурентів, всі її активи зосереджені в рідній країні. Підрозділ Hydro Aluminium норвезької компанії Norsk Hydro володіє алюмінієвими заводами в Норвегії, Німеччині, Словаччині, Канаді, Австралії. Австралійська BHP Billiton володіє виробництвом алюмінію в Австралії, Південній Африці і Південній Америці. У Бахрейні знаходиться Alba (Aluminium Bahrain B. S. C.) – чи не найбільше виробництво. Алюміній цього виробника займає більше 2 % загального обсягу «крилатого» металу, що випускається в світі. Отже, підводячи підсумки, можна сказати, що головними виробниками алюмінію є міжнародні компанії, що володіють запасами бокситів. А сам виключно енергоємний процес складається з одержання глинозему з алюмінієвих руд, виробництва фтористих солей, до яких відноситься кріоліт, вуглецевої анодної маси і вугільних анодних, катодних, футерувальних матеріалів, і власне електролітичного виробництва чистого металу, яке є головною складовою металургії алюмінію.