Алюміній, виробництво алюмінію: технологія, процес і опис
Алюміній володіє масою властивостей, які роблять його одним з найбільш використовуваних матеріалів в світі. Він широко поширений в природі, займаючи серед металів перше місце. 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 виробляти - складно, енергоємне і затратно.
Сировина для виробництва
З якої сировини отримують алюміній? Виробництво алюмінію з усіх мінералів, його містять, дорого і нерентабельно. Видобувають його з бокситів, які містять до 50% оксидів алюмінію і залягають прямо на поверхні землі значними масами.
Ці алюмінієві руди мають досить складний хімічний склад. Вони містять глиноземи в кількості 30-70% від загальної маси, кремнеземи, яких може бути до 20%, окис заліза в межах від 2 до 50%, титан (до 10%).
Глиноземи, а це окис алюмінію і є, складаються з гидроокисей, корунду і каолініту.
Останнім часом окису алюмінію стали отримувати з нефелінів, які містять ще й окису натрію, калію, кремнію, і алунитов.
Для виробництва 1 т чистого алюмінію потрібно близько двох тонн глинозему, який, в свою чергу, отримують з приблизно 4,5 т бокситу.
родовища бокситів
Запаси бокситів в світі обмежені. На всій земній кулі всього 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), що об`єднався з канадської Alcan і CVRD. На четвертому місці знаходиться компанія Chalco з Китаю, потім американо-австралійська корпорація Alcoa, які є і великими виробниками алюмінію.
Відео: Виробництво алюмінієвої фольги
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 учений 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 за допомогою електролізу зародилося в 1886 році, коли одночасно було подано практично однакові патентні заявки основоположниками цього способу американським вченим Холом і французом Еру. Вони запропонували розчиняти глинозем в розплавленому кріоліті, а потім електролізом отримувати алюміній.
З цього і почалася алюмінієвих-вая промисловість, що стала за більш ніж вікову історію однієї з найбільших 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 Al2O3 .
Потім з окису виділяють промисловий алюміній зі ступенем очищення 99,5%, якій для деяких цілей може не вистачити.
Тому на останній стадії рафінують алюміній. Виробництво алюмінію завершується його очищенням до 99,99%.
отримання глинозему
Існує три способи отримання окису алюмінію з руд:
- кислотний;
- електролітичний;
- лужної.
Останній спосіб - найбільш поширений, розроблений ще в тому ж XVIII столітті, але з тих пір неодноразово доопрацьований і суттєво покращений, 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. Що залишився після реакції розчин випаровується при високій температурі близько 170 ° С і знову використовується для розчинення глинозему;
Спочатку боксит дробиться і подрібнюється в млинах з їдким лугом і вапном, потім в автоклавах при температурах до 250 ° С відбувається його хімічне розкладання і утворюється алюмінат натрію, який розбавляють лужним розчином уже при більш низькій температурі - всього 100 ° С. алюмінатних розчин промивається в спеціальних згущувачах, відділяється від шламу. Потім відбувається його розкладання. Через фільтри розчин перекачують в ємності з мішалками для постійного перемішування складу, в який для затравки додана тверда гідроокис алюмінію.
У гидроциклонах і вакуум-фільтрах виділяється гідроокис алюмінію, частина якої повертається в якості затравочного матеріалу, а частина йде на кальцинації. Фільтрат, що залишився після відділення гідроксиду, теж повертається в оборот 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 8,4 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, футерованная 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 електрілізери, як їх називають фахівці, включаються в електричну 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 самообжігающіеся, що складаються з вугільних брикетів в алюмінієвій оболонці, які спікається в процесі електролізу під дією високих температур.
Робоча напруга на ванні зазвичай становить близько 5 вольт. Воно враховує і напруга, необхідне для розкладання окису, і неминучі втрати в розгалуженої мережі.
З розчиненої 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 13,5 млн 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 ПОДИНА, футерованих магнезитом. Анодом в процесі служить сам розплавлений метал, який піддається очищенню. Він розташовується в нижньому шарі на токопроводящей подине. 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 і хлориду барію. Нагрівається він до температури 800 ° С.
Витрата електроенергії при тришаровому рафинировании 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 в 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. Примітною його характеристикою є висока електропровідність при кріогенних температурах.
Переробка вторинної сировини
Чверть загальної потреби в алюмінії задовольняється вторинної переробкою сировини. З продуктів вторинної переробки ллється фасонне лиття.
Попередньо відсортоване 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 видаляються різні неметалеві включення.
Більш легкоплавкие металеві домішки видаляються присадками магнію, цинку або ртуті і вакуумированием. 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 володарку третього місця Німеччину.
Китай - це і 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 на рік і експортує продукцію в сімдесят країн, а присутній на п`яти континентах в сімнадцяти країнах.
Американській компанії Alcoa в Росії належать два металургійних заводи.
Відео: Виготовлення алюмінієвої човна плоскодонки своїми руками
Найбільший виробник алюмінію в Китаї - компанія Chalco. На відміну від зарубіжних конкурентів, все її активи зосереджені в рідній країні.
Підрозділ Hydro Aluminium норвезької компанії Norsk Hydro володіє алюмінієвими заводами в Норвегії, Німеччини, Словаччини, Канади, і 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, підбиваючи підсумки, можна сказати, що головними виробниками алюмінію є міжнародні компанії, які володіють запасами бокситів. А сам виключно енергоємний процес складається з отримання глинозему з алюмінієвих руд, виробництва фтористих солей, до яких відноситься кріоліт, вуглецевої анодної маси і вугільних анодних, катодних, футеровочних матеріалів, і власне електролітичного виробництва чистого металу, яке є головною складовою металургії алюмінію.
