Цех по производству алюминия

Особенности алюминиевой руды

Руда — это природное минеральное образование, в составе которого содержится определенный металл или минерал. В чистом виде алюминия в природе практически нет, потому добывают его из алюминиевой руды. В земной коре ее содержание составляет около 9%. Сегодня насчитывается порядка 250 разновидностей минеральных соединений, включающих алюминий, но не все из них выгодны в обработке. Наиболее ценными для алюминиевой промышленности считаются следующие типы руды:

• бокситная;
• алунитовая;
• нефелиновая.

Бокситная чаще всего используется как сырье для добычи металла, ведь именно она содержит до 60% оксидов алюминия. Еще состав включает оксиды кремния и железа, кварц, магний, натрий и другие химические элементы и соединения. В зависимости от состава, бокситы имеют разную плотность. Цвет горной породы преимущественно красный или серый. Для производства 1 тонны алюминия необходимо 4,5 тонны боксита.

Алунитовая руда не сильно отстает от бокситной, так как содержит до 40% глинозема — основного поставщика алюминия. Отличается пористой структурой и имеет немало примесей. Добыча алюминия рентабельна только тогда, когда общее количество алунитов равноценно совокупности добавок.

Нефелины — это щелочная порода магматического происхождения. По содержанию оксидов алюминия они занимают третье место. Из первого сорта нефелиновой руды можно переработать от 25% и более глинозема. Из второго сорта — до 25%, но не менее 22%. Все минеральные соединения, включающие оксиды алюминия меньше этого значения, не имеют промышленной ценности.

Фигура из искусственной травыБык

Бокситная руда

В природе алюминий в чистом виде не встречается. В основном его получают из алюминиевой руды – боксита. Это минерал, который по большей части состоит из гидроксидов алюминия, а также из оксидов железа и кремния. Из-за большого содержания глинозема (от 40 до 60%) бокситы используются в качестве сырья для получения алюминия.

Физические свойства алюминиевой руды:

• непрозрачный минерал красного и серого цвета различных оттенков;
• твердость самых прочных образцов составляет 6 по минералогической шкале;
• плотность бокситов в зависимости от химического состава колеблется в пределах 2900-3500 кг/м³.

Месторождения бокситовой руды сосредоточены в экваториальном и тропическом поясе земли. Более древние залежи находятся на территории России.

Свойства алюминиевой руды

Боксит представляет собой сложное соединение оксидов алюминия, железа и кремния (в виде различных кварцев), титана, а также с небольшой примесью натрия, циркония, хрома, фосфора и прочих.

Самым важным свойством в производстве алюминия является «вскрываемость» бокситов. То есть насколько просто будет отделить от него ненужные кремниевые добавки, чтобы получить исходное сырье для выплавки металла.

Сырьевым источником могут служить природные залежи бокситов, нефелинов, алунитов, глин, и каолинов. Наиболее насыщены соединениями алюминия бокситы. Глины и каолины представляют самые распространённые породы со значительным содержанием в них глинозёма. Залежи этих минералов находятся на поверхности земли.

Алюминиевая руда в природе существует только в виде бинарного соединения металла с кислородом. Добывают это соединение из природных горных руд в виде бокситов, состоящих из окислов нескольких химических элементов: алюминия, калия, натрия, магния, железа, титана, кремния, фосфора.

Основа получения алюминия – глинозем. Чтобы он образовался, руду перемалывают в мелкий порошок, и прогревают паром, отделяя большую часть кремния. И уже эта масса будет сырьем для выплавки.

Чтобы получить 1 тонну алюминия, потребуется около 4-5 тонн бокситов, с которых после обработки образуется около 2 тонн глинозема, а уже потом можно получить металл.

История

Рост производства алюминия в XX веке

Принцип работы электролизной ванны по выплавке алюминия

В 1854 году французским учёным Анри Этьеном Сент-Клер Девилем (Sainte-Claire Deville), был открыт способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl₃. За 36 лет его применения, с 1855 по 1890 гг., способом Сент-Клер Девиля было получено 200 т металлического алюминия.

Рост производства был особенно быстрым во время и после Второй мировой войны. Производство первичного алюминия (без учёта производства Советского Союза) составляло только 620 тыс. т в 1939 году. В 1943 году оно возросло до 1,9 млн т. В 1956 году во всем мире производилось 3,4 млн т первичного алюминия, в 1965 году мировое производство алюминия составило 5,4 млн т, в 1980 — 16,1 млн т, а в 1990 — 18 млн т. Производство алюминия в мире в 2007 году составило 37,41 млн тонн (по данным Международного института алюминия (International Aluminium Institute, IAI) и продолжает развиваться очень большими темпами.
Применяются Технология Содерберга и другие технологии.

Применение алюминиевой руды

Современный мир трудно представить себе без алюминия. Спектр его применения очень широк, и мы иногда не представляем себе, насколько важен этот метал в нашей жизни.

Алюминий широко применяется в машино- и автостроении, авиации, строительстве, стекольной промышленности, а также при производстве электротехники и других мелких товаров народного потребления (например, фольга).

Особенно интересным фактом является то, что алюминий присутствует в нашей жизни также в качестве пищевой добавки под кодом Е173. В качестве пищевого красителя эта добавка разрешена в ряде стран, в том числе и в России. Наиболее часто данный краситель используется в кондитерской отрасли благодаря тому, что он придает изделиям красивый серебристый оттенок

Тем не менее, это небезопасная добавка, и врачи настоятельно рекомендуют потреблять ее очень умеренно и с осторожностью

Алюминиевая руда имеет богатый состав, и кроме алюминия из нее извлекают другие химические элементы. В основном это цветные металлы, которые в дальнейшем используются для улучшения качества стали, а также титан, ванадий, хром и др.

Извлеченный глинозем также полезен в черной металлургии, где он используется в качестве флюсов.

Во время плавления руды, извлеченной из бокситов, в электропечах получается еще один материал, который называется электрокорундом. Он особенно ценен благодаря своей твердости (уступает только алмазу) и востребован в качестве абразива.

Во время процесса получения алюминия образуются также отходы, которые носят название красный шлам. В их составе элемент скандий, особенно востребованный во многих отраслях как тяжелой (автомобильная, ракетостроительная), так и легкой (производство электроприводов, спортивного оборудования) промышленности.

Области применения алюминия.

Алюминий податлив штамповке, имеет значительную коррозийную стойкость, обладает высокой теплопроводностью, не токсичен в соединениях, поэтому он стал популярным конструкционным материалом. Области применения алюминия чрезвычайно обширны. В частности, он стал первым материалом для изготовления конструкций в авиастроении, ракетостроении, пищевой промышленности и производстве посуды. Благодаря своим качественным характеристикам алюминий способен ускорить судна и их маневренность. Более того, изделия и конструкции получаются легче, чем из стали на 50%.

Отдельно выделяют способности алюминия при проводимости тока. Таким образом, он, по праву может составить конкуренцию меди. Имея, практически такую же электропроводимость, он стал экономически выгодным заменителем. Активно применяется в микроэлектронике, при изготовлении компонентов микросхем. Единственным минусом, применения его в данной сфере, выступает образование диэлектрической пленки, способное создавать высокую температуру в местах спайки. Существует определенное условие использования алюминия, в качестве проводника.

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.

Различия по насыщенности

В основе своей достойными упоминания являются лишь три вида руд, с которыми нужно работать, если вы занимаетесь добычей алюминия. Да, данный химический элемент очень и очень распространен, и его можно найти также в других соединениях (их насчитывают около двух с половиной сотен). Однако, наиболее рентабельной, в силу весьма высокой концентрации, добыча будет именно из бокситов, алунитов и нефелинов.

Нефелины являются щелочным образованием, появившимся вследствие высокой температуры магмы. Из одной единицы данной руды выйдет до 25% глинозема, как основного сырья. Однако, эта руда алюминия считается наиболее бедной для добытчиков. Все соединения, содержащие в себе глинозем в еще меньших количествах, чем имеют нефелины – заведомо признаны нерентабельными.

Алуниты образовались при вулканической, а также гидротермальной активностях. Они в себе содержат до 40% такого необходимого глинозема, являясь «золотой серединой» в нашей троице руд.

И первое место, с рекордным содержанием оксида алюминия в виде пятидесяти процентов и более, получают бокситы! Они по праву считаются основным источником глинозема. Однако, касаемо их происхождения ученые до сих пор не могут прийти к единственно верному решению.

То ли они перекочевали с изначального места происхождения и отложились после того, как выветрились древние породы, то ли получились осадком после того, как растворились некоторые известняки, или же вообще стали итогом распада солей железа, алюминия и титана, выпав осадком. В общем, происхождение все еще неизвестно. Но то, что бокситы – самые доходные, это уже точно.

Средства защиты

Домашний мастер, решивший в домашних условиях выполнять плавление алюминия должен отдавать себе отчет в том, что это довольно опасный процесс. И поэтому без применения средств защиты не обойтись. В частности, должны быть использованы перчатки, фартук, очки. Дело в том, что температура расплава лежит в пределах 600 градусов. Поэтому имеет смысл использовать средства защиты, которые применяют сварщики.

Использование средств защиты при плавке алюминия

Кстати, при плавлении алюминия и использовании очищающих химикатов необходимо защищать органы дыхания от продуктов их сгорания.

Транспорт

Алюминий в легковых автомобилях

Средняя масса алюминия в легковых автомобилях в Европе в 2006 составляла около 118 кг и продолжала увеличиваться. Его доля в различных компонентах и деталях автомобилей составляет (в килограммах на один автомобиль):

• блоки цилиндров двигателей: 40,3
• трансмиссия: 16,3
• шасси, подвеска и управление: 12,5
• колеса: 17,7
• теплообменник: 12,3
• тормоза: 3,7
• кузов: 6,8
• тепловые экраны: 1,4
• бамперы: 2,8
• другие компоненты: 3,9.

Алюминиевый блок цилиндров автомобиля

Алюминиевый автомобильный колесный диск

Применение алюминия для изготовления автомобильных деталей обусловлено следующими его свойствами:

• низкая плотность;
• прочность;
• жесткость;
• вязкость;
• стоимость;
• коррозионная стойкость.

Алюминиевая рама автомобиля

Алюминиевые сплавы для грузовых автомобилей

Алюминиевые сплавы для автомобильных цистерн

Производство алюминиевых автомобильных цистерн

Алюминиевые сплавы для кузовов самосвалов

Производство алюминиевых кузовов самосвалов

Алюминиевые сплавы для автомобильных фургонов

Алюминиевые сплавы для шасси грузовых автомобилей

Алюминий в вагоностроении

Конструкция высокоскоростного поезда Intercity Express из прессованных алюминиевых профилей – Германия, 1992

Алюминиевый вагон городского рельсового транспорта

Грузовой алюминиевый вагон для перевозки угля

Алюминевый патрульный катер

Круизный лайнер с алюминиевой надстройкой

Алюминиевая яхта-катамаран

Алюминиевые сплавы для самолетов

Первый самолет братьев Райт в 1903 году был в основном деревянным с алюминиевым двигателем.

Среди алюминиевых сплавов, которые применяют в самолетостроении доминируют высокопрочные деформируемые сплавы, такие как, сплав 2024 (содержащий медь и магний) и сплав 7075 (содержащий магний, цинк и немного меди). Большинство алюминиевых сплавов, которые применяются в самолетостроении, являются несвариваемыми и их соединяют в основном заклепками.

На рисунках ниже показано применение сплавов серии 2ххх для изготовления фюзеляжа самолета и сплавов серии 7ххх – для крыльев.

(a)

(б)

Применение алюминиевых сплавов в самолетостроении: а – сплавы серии 7ххх для фюзеляжа и б – сплавы серии 2ххх для крыльев .

Аэробус А380

Основные требования к алюминиевым сплавам в аэрокосмической промышленности:

• низкая плотность;
• высокая прочность;
• точность механической обработки;
• коррозионная стойкость;
• стоимость.

Развитие и размещение алюминиевой промышленности в мире

Сырьевая база

Основные мировые месторождения, на которых добывают бокситы

Боксит является основным минеральным сырьём для алюминиевой промышленности. Его запасы в мире распределены очень неравномерно и ограничены. В мире существует семь бокситоносных районов:

• Западная и Центральная Африка (основные залежи в Гвинее);
• Южная Америка: Бразилия, Венесуэла, Суринам, Гайана;
• Карибский регион: Ямайка;
• Океания и юг Азии: Австралия, Индия;
• Китай;
• Средиземноморье: Греция и Турция;
• Урал (Россия).

По данным Геологической службы США мировые ресурсы бокситов оцениваются в 55 — 75 млрд. т, которые распределяются между отдельными регионами следующим образом: Африка — 32%, Океания — 23%, Южная Америка и страны Карибского бассейна — 21%, Азия — 18%, прочие регионы — 6%. В целом мировые запасы природных ресурсов бокситов достаточны для удовлетворения мировых потребностей в алюминии в течение продолжительного времени .

Понимая важность сырьевой базы, крупнейшие производители алюминия в мире поделили основные месторождения бокситов высокого качества, с содержанием глинозёма не менее 50%. Другим компаниям остается либо приобретать глинозём на открытом рынке и быть всецело зависимыми от рыночного колебания цен, либо объединять усилия с владельцами месторождений.

Основные производители алюминия в мире

Производство первичного алюминия по континентам земного шара

Крупнейшие производители алюминия в мире

Панорама Богословского алюминиевого завода в городе Краснотурьинске

Список стран, крупнейших производителей алюминия

Основная статья: Список стран по выплавке алюминия

По данным Геологической службы США крупнейшими производителями алюминия в мире явились следующие страны:

Место	Страна	Производство алюминия в 2016 году, тыс. тонн	Годовые производственные мощности, тыс. тонн
1	Китай	31000	40100
2	Россия	3580	4180
3	Канада	3250	3270
4	Индия	2750	3850
5	Объединённые Арабские Эмираты	2400	2400
6	Австралия	1680	1720
7	Норвегия	1230	1550
8	Бахрейн	970	970
9	Соединённые Штаты Америки	840	1730
10	Исландия	800	840
11	Бразилия	790	1400
12	Саудовская Аравия	740	740
13	Южно-Африканская республика	690	715
14	Катар	640	640
	Весь мир	57600	72500

Список компаний — крупнейших производителей алюминия

Десятка крупнейших компаний-производителей алюминия выглядит следующим образом:

Место	Название компании	Страна	Объём производства, тыс. т
1	Объединённая компания «Российский алюминий», UС RUSAL	Россия, Швейцария	4153
2	Alcoa Inc.	США	3965
3	Alcan	Канада	3454
4	Aluminum Corporation of China Limited, CHALCO	Китай	2034
5	Årdal og Sunndal Verk, ASV (Hydro Aluminium)	Норвегия	1576
6	BHP Billiton	Австралия	1349
7	Dubai Aluminium Company Limited (DUBAL),	Объединённые Арабские Эмираты	872
8	Rio Tinto	Великобритания, Австралия	864
9	Aluminium Bahrain B.S.C. (Alba)	Бахрейн	860
10	Century Aluminum	США	741

Самым крупным предприятием по производству алюминия является Братский алюминиевый завод, который первым в мире стал производить более 1 миллиона тонн алюминия в год. Завод производит 30% российского алюминия и 4% мирового. Завод потребляет 75% электроэнергии, вырабатываемой Братской ГЭС.

Производство алюминия в России и мире

Объем производства алюминия в 2019 году составляет 72 млн тонн. Международный алюминиевый рынок находится в дефиците, составляющем 277 тыс. тонн.Крупнейшими странами-изготовителями данного металла являются Китай, Россия, США, Австралия, Бразилия и Индия. Страны Северной и Южной Америки активно сокращают добычу бокситов. Рост производства чистого алюминия обеспечивается государствами Ближнего Востока и Азии. В этих регионах содержится свыше 73% мировых запасов алюминиевых руд, залегающих на земной поверхности. В них отсутствует большое число металлических и газообразных веществ. Крупнейшими производителями алюминия в мире являются следующие транснациональные компании:

1. UCRUSAL: российский концерн, производящий 13% всех алюминиевых сплавов в мире. Объем производства компании составляет 3,75 млн тонн в год. РУСАЛ обладает собственной инженерно-технической базой и экспортирует свою продукцию в страны Европы, Северной Америки и Юго-Восточной Азии.
2. Chalco: китайская государственная корпорация, являющаяся вторым крупнейшим производителем алюминиевых материалов в мире. Объем производства составляет 3,4 млн тонн в год.
3. RioTinto: австралийско-британская горно-металлургическая компания, производящая глинозем. Объем производства концерна составляет 3,1 млн тонн в год. RioTinto образует с канадской организацией Alcan совместное предприятие по добыче бокситов.

На рынке стран-лидеров по производству чистого алюминия наблюдается переизбыток мощностей. Это обусловлено циклическим характером спроса и большим количеством конкурентоспособных предприятий. Для снижения переизбытка мощностей многие предприятия стали экспортировать алюминиевые полуфабрикаты. С 2015 г. продажи этой продукции ежегодно растут на 20%.

В Российской Федерации присутствует 17 заводов по изготовлению глинозема и алюминиевых листов. Большая часть предприятий располагается на Урале в и в Сибири. Высокая эффективность российских алюминиевых заводов обуславливается следующими факторами размещения производства:

1. Сырьевой: предприятия расположены рядом с основными месторождениями алюминия. Это позволяет снизить затраты на транспортировку сырья и снизить стоимость готовой продукции
2. Энергетический: чистый алюминий изготавливается посредством электролиза, поэтому заводы расположены рядом с крупными гидроэлектростанциями, вырабатывающими большое количество электрической энергии.
3. Потребительский фактор: продукция российский компаний, производящих алюминий, покупается странами Южной и Северной Америки, Азии, Ближнего Востока, Европы и Африки.
4. Транспортный: заводы располагаются рядом с крупными транспортными узлами, позволяющими эффективно перевозить сырье и готовую продукцию на большие расстояния. Для транспортировки металла чаще всего используются железнодорожные поезда.

В настоящее время производство алюминия в России снижается и составляет 7,3 млн тонн в год. Это связано с разрушением межотраслевых и хозяйственных связей со странами бывшего СССР.

Свойства сплавов металла

Показатель температурного градиента колеблется для соединений металла с другими химическими элементами, определяющими их свойства. Для литейных сплавов, содержащих магний и кремний, он составляет 500 °C.

Температура начала перехода в жидкое состояние называется точкой солидус (твердый), а окончание — ликвидус (жидкий). Соответственно начало кристаллизации будет определяться точкой ликвидус, а окончание — солидус. В температурном интервале соединение находится в переходном состоянии от жидкости к твердой фазе.

Например, соединению алюминия с 12,5% кремния, как и чистому металлу, свойственна точка плавления, а не интервал. Этот сплав относится к литейным и характеризуется постоянной температурой 577 °C.

При увеличении в сплаве количества кремния градиент ликвидус снижается от максимального показателя, свойственного чистому металлу. Среди лигатурных добавок температурный градиент снижает использование магния (450 °C). Для соединения с медью он составляет 548 °C, а с марганцем — всего 658 °C.

Алюминий образует различные сплавы с минералами.

Большинство соединений состоят из нескольких компонентов, что влияет на показатель затвердевания и плавления материала. Понятия температурных градиентов солидус и ликвидус определены для бесконечной длительности процессов равновесных переходов в жидкое и твердое состояние.

На практике учитываются поправки скорости нагревания и охлаждения составов.

Виноград сорта «Кеша» — достоинства и недостатки, особенности ухода

Способы добычи алюминиевой руды

Прямо из руды добыть алюминий невозможно, он слишком быстро окисляется. По этой причине ценный металл получают в несколько стадий:

1. Добывание глинозема (окись алюминия) из алюминиевых руд с последующей транспортировкой при помощи самосвалов на обогатительные комбинаты.
2. Получение алюминия из глинозема — самая сложная и трудоемкая часть процесса:

• минералы измельчают при помощи дробильных аппаратов;
• затем спекают в печах;
• впоследствии происходит выщелачивание при помощи крепких щелочей — период обработки сырья. Стоит отметить, что добывание глинозема может осуществляться различными способами: кислотным, электролитическим и щелочным. Наиболее популярный метод именно щелочной, его использовали еще в 18 в.;
• декомпозиция, т. е. процесс, в котором полученная алюминатная пульпа попадает на сепарацию, где жидкая составляющая выпаривается;
• рафинирование алюминия, иначе — очищение от лишних щелочей;
• прокаливание в печах — завершающий этап.

В результате сложнейших операций получается сухой глинозем. Из этого сырья получают чистый алюминий при помощи гидролизной обработки.

Для того чтобы получить 1 тонну чистого алюминия, необходимо добыть 2 тонны глинозема. Такое количество глинозема будет содержаться примерно в 4–4,5 тоннах боксита. Количество алунитов или нефелитов должно быть, соответственно, еще больше. Легко сделать вывод, что добыча и производство алюминия — это непростой, энергоемкий и затратный процесс.