Как получают алюминий в промышленности

Производство алюминия от сырья до технологии

Алюминий является одним из самых распространенных химических элементов на Земле, используется в машиностроении, энергетике и строительстве. Ежегодно добыча и потребление этого металла увеличивается на 7%. Производство алюминия является сложным техническим процессом и требует большого количества энергетических, транспортных, трудовых и сырьевых ресурсов.

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.

Технология производства

Технология производства алюминия включает в себя 3 основных этапа:

  1. Добыча боксита.
  2. Переработка алюминийсодержащих руд в глинозем.
  3. Выделение чистого металла из глинозема посредством электролиза и его очистка от лишних примесей.

Производство данного химического элемента осуществляется в электролизном цехе. Он состоит из нескольких корпусов протяженностью 1000 м. В нем располагаются электролизные ванны с большими проводами, подключенными к источнику питания. Ванны оборудованы электродами, находящимися под напряжением 6 В.

Большая часть процессов в электролизном цехе автоматизированы. Перед началом электролиза емкость ванн наполняется расплавленным криолитом. Это вещество предназначено для создания токопроводящей среды при высоких температурах. Дно ванны выступает в качестве катода. Анодом являются угольные блоки, погруженные в криолит.

В промышленности алюминий получают методом пирометаллургии, разработанного немецким химиком Карлом Иосифом Байером. Этот способ представляется собой восстановление металла с помощью углекислого газа или оксида углерода. Все работы на предприятии выполняются в соответствии со схемами производства алюминия, где подробно расписан процесс электролиза глинозема. Изначально в ванну загружается порция глинозема. Под воздействием электричества вещество разлагается. В результате связь между частицами алюминия и кислорода разрывается.

После электролиза на дне электролитических ванне остается чистый алюминий, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород, вступая в реакцию углеродом, образуется углекислый газ. Полученный материал разливают по вакуумным ковшам и доставляют в литейный цех. Здесь металл подвергается термической обработке. С помощью переплавки из сплава удаляются лишние примеси. В результате вещество приобретает твердую форму и сортируется по блокам весом до 22 кг.

Алюминий сохраняет свои свойства при длительной эксплуатации. Поэтому часть алюминиевой продукции перерабатывается и повторно используется для создания чистых металлов, что оказывает положительное влияние на экологию. Объем затрат на охрану окружающей среды в этой сфере промышленности составляет 4%. Власти используют множество экономических мер в области ООС, предоставляя льготы предпринимателям, соблюдающим экологические нормы и государственные стандарты в процессе хозяйственной деятельности.

Производство глинозема

Глинозем представляет собой порошок белого цвета, образованный в результате взаимодействия алюминия с кислородом. Технологический процесс производства этого вещества был разработан Байером в конце XIXстолетия. С помощью этой технологии изготавливается 90% глинозема в мире.

При получении порошкообразного оксида алюминия методом Байера можно использовать высококачественные бокситы с низким содержанием примесей. В процессе изготовления глинозема кристаллическая гидроокись алюминия растворяется в каустической щелочи высокой концентрации. Химическая реакция осуществляется при высоких температурах. Посторонние вещества, входящие в состав боксита, при взаимодействии с раствором едкого натра выпадают в осадок. Примеси, отделенные от гидроокиси алюминия, называются красным шламом. В процессе переработки из них можно извлечь соединения кремния, железа, титана и иных химических элементов.

Крупные алюминиевые частицы с помощью фильтрации отделяются от гидроокиси алюминия. Полученное вещество промывают, высушивают и нагревают до температуры кипения воды. В результате образуется глинозем. У него отсутствует срок годности. Хранить глинозем необходимо в сухих местах. Транспортировка вещества осуществляется в железнодорожных вагонах.

Получение алюминия из глинозема

Производители активно совершенствуют технологию производства алюминия из глинозема, стараясь изготавливать металл с минимальными затратами электроэнергии и наименьшим воздействием на окружающую среду. В современных электролитических цехах используются инертные аноды, что позволяет отказаться от использования угля. Их можно использовать в течение нескольких десятилетий.

В результате использования инновационных технологий при электролизе глинозема в атмосферу не выделяется углекислый газ. В электролизных ваннах вырабатывается чистый кислород. Это позволяет снизить траты на вентиляционные механизмы, предназначенные для своевременного удаления углекислого газа из помещения. При электролизе используется не менее 2 Т глинозема, 0,1 Т криолита и небольшое количество фторидов.

Рафинирование алюминия

Образованный в результате электролиза металл содержит небольшое количество металлических и газообразных веществ:

  • кремний;
  • железо;
  • цинк;
  • углерод;
  • водород;
  • азот;
  • озон;
  • углекислый газ.

Примеси ухудшают свойства металла. Поэтому во время производства их удаляют при помощи рафинирования. Эта процедура осуществляется 2 методами:

  1. Хлорирование: осуществляется при температуре 750°С. Алюминий подвергается продувке хлористым раствором. Хлорирование производится в специальных ковшах в течение 12 мин.
  2. Электролитический способ: осуществляется с применением фтористых и хлористых солей. Металл подвергается термической обработке и анодному растворению. В результате из расплавленного вещества удаляются лишние примеси.

После процедуры рафинирования чистота металла составляет 99,5 – 99,9%. При этой процедуры также из рафинируемого вещества также удаляется 1% алюминия.

Сырье

В естественной среде алюминий встречается только в виде руд – бокситов. Эти вещества представлены виде гидроксидов, корунда и каолинита. В них содержится свыше 40 химических элементов. Содержание глинозема в бокситах составляет 45%. Одним из важнейших параметров алюминиевых руд является кремниевый модуль, характеризующий отношение содержаний оксидов алюминия и кремния. Он должен составляет не менее 2,6. В недрах Земли находится свыше 18 млрд тонн бокситов. При нынешних темпах производства из этого сырья можно производить алюминий до 2122 г.

Необходимое оборудование

Для добычи бокситов, преобразования руд в глинозем и извлечения чистого металла требуется следующее оборудование:

  1. Механизмы раздачи глинозема: предназначены для транспортировки порошкообразного оксида алюминия внутри цеха и дозированной подачи глинозема к электролизным машинам.
  2. Катодная ошиновка: представляет собой гибкие ленты катодных спусков, прикрепленных к стержням катодных шин, выполненных из стальных материалов.
  3. Газоочистительные установки: используются для очистки помещения от газов, образующихся во время производства фторида алюминия сухим способом.
  4. Монтажное оборудование: краны линейного и технического предназначения.
  5. Электролизер: прибор для разделения основных компонентов глинозема при помощи электрического тока во время электролиза.

В зависимости от технологических особенностей производства требуется большое количество барабанных вращающихся печей. Они используются при сухих методах производства. При организации предприятия важно обеспечить оборудование для электролиза глинозема электроэнергией.

История развития алюминиевой промышленности

Античная легенда

Первое упоминание о металлическом алюминии обнаружено в трудах First Century Roman. В знаменитой энциклопедии Плиния Младшего «Historia naturalis», опубликованной в 79 г., описана следующая история. Однажды римскому ювелиру позволили показать императору Тибериусу обеденную тарелку из нового металла. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. Ювелир рассказал императору, что он добыл металл из обыкновенной глины. Он заверил императора, что только он и боги знают, как получить металл из глины. Император очень заинтересовался открытием ювелира. Однако он сразу понял, что вся его казна золота и серебра обесценится, если люди начнут производить этот светлый металл из глины. Поэтому, вместо ожидаемого ювелиром вознаграждения, он был обезглавлен.

Читайте также  Как сделать цветы из соленого теста

Открытие алюминия Г. Эрстедом

Неизвестно, насколько правдива эта история, но описанные события происходили за 2000 лет до открытия человечеством способа производства алюминия. Это произошло в 1825 г., когда датский физик Г. Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия.
Латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия KAl(SO4)2·(12H2O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному — оксид алюминия) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом.я термическим восстановлением хлорида алюминия калиевой амальгамой.

Трудности в получении алюминия

  1. Большое сродство алюминия к кислороду. Алюминий может быть восстановлен углеродом из оксида при температуреоколо 2000°С. Однако уже при 1500°С углерод взаимодействует с алюминием, давая карбид.
  2. Высокий электрохимический потенциал алюминия (-1,67 В). Из водных растворов получить алюминий невозможно, так как на катоде практически будет идти процесс выделения водорода (разложения воды).
  3. Высокая температура плавления глинозема (2050°С), что исключает возможность проведения электролиза расплавленного глинозема.

Начало промышленного производства

Промышленное производство алюминия связано с именем француза Анри Сент-Клер Девиля. Ему хорошо были известны эксперименты Г. Эрстеда и другого ученого — Ф. Велера, которому в 1827 г. удалось выделить крупинки алюминия. Причиной неудачи Ф. Велера было то, что эти крупинки на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида: алюминия.
Прежде всего А.С.-К. Девиль в процессе получения металла заменяет калий более дешевым натрием и проводит лабораторные опыты в крупном масштабе. Полученный хлорид алюминия загружался в большую стальную трубу, в которой на равном расстоянии друг от друга были расставлены сосуды, наполненные металлическим натрием. При нагреве происходило взаимодействие хлорида алюминия с натрием в газовой фазе и частицы алюминия оседали на дно трубы. Образованные в результате реакции зернышки тщательно собирали, плавили и получали слитки металла.

Новый способ производства алюминия оказался очень трудоемким. Кроме того, взаимодействие паров хлорида алюминия с натрием нередко протекает со взрывом. В лабораторных условиях это не представляло серьезной опасности, а в заводских условиях могло вызвать катастрофу. А.С.-К. Девиль заменил хлорид алюминия смесью AlС13 с NaCl. Теперь участники реакции находились в расплавленном состоянии. Взрывы прекратились, но, что самое главное, вместо небольших корольков металла, которые надо было собирать вручную, получали значительное количество жидкого алюминия.

Опыты на заводе Жавеля увенчались успехом. В 1855 г. был получен первый слиток металла массой 6—8 кг.

Эстафету производства алюминия химическим способом продолжил русский ученый Н.Н. Бекетов. Он проводил реакцию взаимодействия между криолитом (Na3AlF6) и магнием. Способ Н.Н. Бекетова мало чем отличался от метода А.С.-К. Девиля, но был проще. В немецком городе Гмелингеме в 1885 г. был построен завод, использующий способ Н.Н. Бекетова, где за пять лет было получено 58т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890г.

Получение алюминия химическим способом не могло обеспечить промышленность дешевым металлом. Он был малопроизводителен и не давал чистый без примесей алюминий.

Получение алюминия электролизом

Это заставило исследователей разных стран мира искать новые способы производства алюминия.
На помощь ученым пришел электрический ток. Еще в 1808 г. Г. Дэви пытался разложить глинозем с помощью мощной электрической батареи, но безуспешно. Спустя почти 50 лет Р. Бунзен и А.С.-К. Девиль независимо друг от друга провели электролиз смеси хлоридов алюминия и натрия. Они были удачливее своего предшественника и сумели получить маленькие капельки алюминия. Однако в те времена не было еще дешевых и достаточно мощных источников электроэнергии. Поэтому электролиз алюминия имел только чисто теоретический интерес.

В 1867 г. была изобретена динамо-машина, а вскоре электроэнергию научились передавать на большие расстояния. Электричество начало вторгаться в промышленность.

В 1886 г. П. Эру во Франции и Ч. Холл в США почти одновременно положили начало современному способу производства алюминия, предложив получать его электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите (способ Холла — Эру). С этого момента новый способ производства алюминия начинает быстро развиваться, чему способствовали усовершенствование электротехники, а также разработка способов извлечения глинозема из алюминиевых руд. Значительный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К.И. Байер, Д.А. Пеняков, А.Н. Кузнецов, Е.И. Жуковский, А.А. Яковкин и др.

Алюминий

Алюминий — химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное — оксид Al2O3.

Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3 ), пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 o C. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия. Оксид алюминия (Al2O3) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 — белое, полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый — среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия — боксит содержит 28-60% глинозема — оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.

Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита NaAlF4 при температуре 950oC.

Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Характеристики алюминия

  • Плотность алюминия — 2,7*10 3 кг/м 3 ;
  • Удельный вес алюминия — 2,7 г/cм 3 ;
  • Удельная теплоемкость алюминия при 20 o C — 0,21 кал/град;
  • Температура плавления алюминия — 658,7 o C ;
  • Удельная теплоемкость плавления алюминия — 76,8 кал/град;
  • Температура кипения алюминия — 2000 o C ;
  • Относительное изменение объема при плавлении (дельтаV/V) — 6,6%;
  • Коэффициент линейного расширения алюминия (при температуре около 20 o C) : — 22,9 *106(1/град);
  • Коэффициент теплопроводности алюминия — 180ккал/м*час*град;

Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

Наименование материала Модуль Юнга, кГ/мм 2 Модуль сдвига, кГ/мм 2 Коэффициент Пуассона
Алюминиевая бронза, литье 10500 4200
Алюминиевая проволока тянутая 7000
Алюминий катаный 6900 2600-2700 0,32-0,36

Отражение света алюминием

Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

Наименование волн Длина волны Отражение света, %
Ультрафиолетовые 1880 25
2000 31
2510 53
3050 64
3570 70
Видимые 5000
6000
7000
Инфакрасные 8000
10000 74
50000 94
100000 97
Читайте также  Как восстановить карточку МТС

Оксид алюминия Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов — лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей — наждак, применяются как абразивные материалы.

Производство алюминия

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия — оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 o C), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 o C. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите — минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 o C на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3 , плавится при 960 o C и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 o C.

Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это — алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

Сплавы алюминия

Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин — легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Магналии — сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).

Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна. Алюминий — одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа. Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) — насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 oC) и сопротивления атмосферной коррозии.

Как добывается и производится алюминий в промышленных условиях

К числу наиболее распространенных металлов земной коры относится алюминий. Этот металл является наиболее легким, а также обладает хорошей теплопроводностью. Хорошо поддается механической обработке литью, хорошо гнется, вторичный по переработке. Его главные физические свойства:

  • Имеет серебристый цвет (с оттенком белого);
  • Легкий;
  • Плотность составляет около 2713 кг на один квадратный метр;
  • Температура кипения от 2518.9 градусов Цельсия;
  • Высокая пластичность до 50%.

  1. Получение алюминия
  2. Химические свойства
  3. Сырье для производства
  4. Необходимое оборудование
  5. Технологии производства алюминия
  6. Процесс электролиза
  7. Рафинация металла

Получение алюминия

Залежи глиноземного состава присутствуют практически во всех странах мира. Начальным этапом добычи является Бокситовая руда. Это название получено в честь местности Baux, находящейся на юге Франции. Пятерку лидеров по продаже, а также добычи бокситовой породы заняли следующие страны мира:

  • Россия до 4.5 млн. тонн за год;
  • КНР до 13,50 млн. тонн в год;
  • США до 2,5 млн. тонн за год;
  • Канада до 3,5 млн. тонн в год;
  • Австралия до 2,0 млн. тонн за год.

Помимо этого, сюда вошли:

  • Исландия до 0,50 млн. тонн за год;
  • Таджикистан до 0,43 млн. тонн за год;
  • ОАЭ до 0,90 млн. тонн за год;
  • Германия до 0,56 млн. тонн за год;
  • Бразилия до 1,70 млн. тонн за год;
  • Индия до 1,30 млн. тонн за год.

Металлическая руда разделяется по качеству, а содержание посторонних примесей влияет на критерии востребованности рынка продаж:

  • Повышенное количество серы усложняет процесс переработки вещества в чистый сплав;
  • Большое содержание кремниевого модуля повышает качество продукции;
  • Наличие карбонатов в руде усложняет процесс переработки породы;
  • Наименьшее содержание железа облегчает добычу металла из-под земли.

Химические свойства

Поверхность технического изделия или литейного сплава покрыта невидимой пленкой. Состоит пленка из оксида, который не способен реагировать с внешними природными окислителями: водой или кислородом (H2O, O2). Благодаря этому качеству этот металл не ржавеет.

После процесса рафинирования получают чистый металлический состав. Продукт сегрегации после отливки породы содержит тяжелые элементы. Остаток кристаллического осадка применяется для раскисления металла.

Состав металлической руды:

  • Cu до 0,0005 мг;
  • Mg производный остаток;
  • Fe до 0,0005 мг;
  • Zn до 0,0005 мг;
  • Al производный остаток;
  • Si до 0,005 мг.

Химический состав алюминия по нормам DİN 1712:

Также Al просто реагирует со сложными и другими элементами, образуют различные соединения. Кратко условие соединения такие:

  • Фтор (фторид Al) 2Al+3F2=2AlF3;
  • Углерод (карбид Al) 4Al+3C=Al4C3;
  • Азот (нитрид Al)2Al+N2=2AlN;
  • Вода, щелочь 2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2 и 2AL+2NAOH+6H2O=2Na(AL(OH)4) +3H2;
  • Соляная и серная кислота 2Al+6HCl=2AlCl3+3H2 и 2Al+3H2SO4=Al(SO4)3+3H;
  • Металлы 2Al+Cr2O3=Al2O3+2Cr.

Сырье для производства

В производство алюминия включены следующие категории химических элементов:

Нефелины. Состоят из нефелиновых сиенитов уртитов. Основные компоненты последних: апатит и нефелин. Составные части обрабатывают и получают апатитовый нефелиновый концентрат.

Алунит. Это основной сульфат алюминия и натрия. Представляет собой комплексное сырье, состоящий из серного ангидрида и щелочи.

Криолит. Соединение создают искусственно. Плавиковый шпат разводят с серной кислотой в специальных самоперемешивающихся печах. Образующуюся летучую кремнефтористую кислоту фильтруют с помощью водных башен, установленных над ваннами. После промышленный раствор очищают содой.

Следующая стадия направлена на получения криолита. Плавиковую кислоту разбавляют гидроксидом алюминия и содой, погружают в большие котлы, где происходит выплавка металлической руды. Криолит оседает, далее его фильтруют, просушивают при температуре 150 градусов Цельсия.

Бокситовый сплав состоит из оксидов железа, кремния и гидроксидов алюминия. Данное сырье используют в качестве флюса плавильной металлургии.

Добываемая земля выглядит как глина. Имеет однородную структуру. Часто попадается гороховидный полосчатый рисунок. Тропический климат способствует образованию качественного состава руды. Под высокими температурами минералы земной коры разлагаются, образуя конечный продукт Боксит. Далее полученный состав очищают от примесей газов.

Читайте также  Как проверить непроизносимую согласную

Алюминиевый сплав имеет прочную связь с кислородом, поэтому процесс добычи его из почвы более затруднителен, по сравнению с другими металлами. Чтобы получить нужное соединение, глинозем перерабатывают поэтапно:

  1. Добывают залежи металлической руды;
  2. Из залежей получают глинозем или оксид алюминия;
  3. Далее химический элемент расщепляют в расплавленном электролите.

Последний пункт процесса переработки получил название Холла-Эру в 1886 году. Главными разработчиками современного метода плавления стали Чарльз Холл и Пол Эру.

Для производства одной тонны серебристого состава требуется 2000 кг. глинозема, 40 кг. фторида, 70 кг. криолита и около 600 кг. графитовых электродов.

Необходимое оборудование

Литейный завод для обработки алюминия использует технологические разработки:

  • Электролизная ванна (электролизный способ);
  • Сосуд для рафинации.

Электролизеры существуют разных размеров. Выпускаются емкости с само обжигающимся анодом и верхним токоотводом или уже с обожжённым анодом.

Ванна с обожжёнными анодами более мощная и производительная. Она меньше выделяет вредных веществ, чем ее предшественница. По форме это прямоугольное приспособление с днищем внутри глубиной до 0,5 метров. Электрическая мощность ванны зависит от поступающего тока к ней. Сила тока колеблется от 30 кА до 250 кА. Поверхность стен обтянута кожухом из стали. Внутри дополнительный слой шамота, поверх которого наложены угольные плиты. Низ так же образован угольными блоками.

Емкость для рафинации напоминает электролитную емкость. Состоит из угольной подины. К сосуду проведены теплоизолирующие футеровки и провода под напряжением. Температура нагрева достигает до +1000 градусов Цельсия.

Помимо электролитов используют охлаждающие печи и сосуды для выпаривания жидкости. На нашем сайте есть подробное видео по производству металлической руды.

Одной из мировых новинок является добыча металла с использованием электрохимического инертного анода. Эта технология не выбрасывает в атмосферу углекислый газ, а наоборот выделяет чистый кислород. Одна емкость может произвести более 8000 тонн кислорода в год. В настоящее время в промышленности осуществляется запуск нового оборудования.

Технологии производства алюминия

Металл получают путем извлечения глинозема из бокситовых руд. Его производят тремя методами:

  • Кислотным растворением алюминия;
  • Щелочным растворением алюминия;
  • Электролитическим методом.

Часто применяемые методы получения металла — это щелочное растворение алюминиевой руды и электролитическое получение алюминия. Щелочь быстро растворяет химический раствор алюминия. Смесь разбавляют гидроксиподом алюминия. Изготовление происходит поэтапно:

  • Глиноземный состав измельчают с добавлением щелочи или извести до однородной консистенции;
  • Дробленую пульпу закладывают в автоклав при температуре +240 градусов Цельсия и выщелачивают при больших температурах;
  • В растворе алюминат натрия и силиката натрия образуется нерасщепляемый элемент натриевый алюмосиликат. Отходы раствора фильтруют путем добавления разбавленной смеси щелочи при температуре +140 градусов Цельсия;
  • Металлический раствор перекачивают в декомпозеры (ванны с размешивающим приспособлением) с добавлением гидроокиси. Там извлекается гидроокись алюминия при пониженной температуре (+80 градусов Цельсия);
  • Получившуюся смесь отправляют на кальцинацию. Температура печи достигает +1300 градусов Цельсия, при вращении печи консистенция полностью испаряет влагу.

Процесс электролиза

Электролитическое восстановление происходит путем размещения металлической породы глинозема в электролиз каждые пол часа. Там при температуре около 1000 градусов Цельсия обжигается сырье. Промышленные масштабы позволяют использовать ванны с обожжёнными анодами для металлической руды:

  • Сырье погружают в сосуд, где происходит реакция алюмелевой руды;
  • Из окиси алюминия образуется хлорид алюминия;
  • Соединение хлора фильтруется;
  • Металл оседает на катоде.

Ванны без применения жидкого криолита экономят до 35% энергии, а также позволяют уменьшить расходы на дорогостоящий электрохимический криолит.

Рафинация металла

В ванну для рафинирования погружают алюминиевою породу после чего она делится на три составные части:

  • Расплавленный глинозем (нижний слой);
  • Электролит, состоящий из смеси хлорида бария, фторидов или натрия;
  • Металлическая пленка (верхний слой).

Состав анода таков: никель, марганец, свинец или олово. Допускается незначительное присутствие магния, который отсеивается хлором флюсом. В конечном результате получается 99,9% алюминий.

Металлический элемент применяют для создания транспортных средств, возведения зданий или сооружений, а также конструирования электронных приборов или электрической проводки. Металл обладает сохранением своих первоначальных качеств, что позволяет использовать состав в производстве повторно.

Разрабатываются новые технологии выплавки металлических сплавов, позволяющие экономично расходовать электроэнергию, а также мировые запасы руды.

Рекомендуем также к прочтению:

История алюминия. Описание

Алюминий – самый известный и древний металл. В виде различных глинистых соединений он был знаком человечеству с незапамятных времен. Античные историки свидетельствовали о том, что “люмен” ( в переводе с латинского квасцы) или сульфат алюминия-калия применяли в самых разных областях деятельности: и как протраву для окрашивания тканей, и как огнезащитное средство, а также использовали для изготовления различных бытовых изделий и украшений.

История получения и применения алюминия

В середине XIX века в Западной Европе ученые отчаянно пытались получить алюминий в чистом виде. В 1825 году датский исследователь Х.К. Эрстед первым осуществил подобный опыт, используя калий в виде амальгамы. К сожалению, тогда не удалось точно определить полученное вещество.

Однако спустя два года получением алюминия заинтересовался немецкий ученый Велер. Он использовал для восстановления металла чистый калий. Через 20 лет упорных поисков ему удалось получить чистый алюминий в виде гранул размером со спичечную головку. Алюминий оказался красивым и легким металлом, похожим на серебро. Эти свойства алюминия и определили его высокую стоимость на тот период истории: он оценивался дороже золота.

В 1855 г. на выставке в Париже алюминий являлся главной достопримечательностью. Ювелирные изделия из алюминия располагались по соседству с бриллиантами французской короны. Алюминий стал очень модным металлом. Его считали благородным элементом, созданным природой для создания шедевров искусства.

Поскольку физические и химические свойства алюминия были изучены слабо, ювелиры самостоятельно изобретали способы его обработки. Мягкость и податливость металла позволяла создавать им изделия любой формы, делать отпечатки замысловатых узоров, наносить разнообразные рисунки. Алюминий покрывали золотом, полировали, матировали.

Однако со временем алюминий стал выходить из моды. В середине 1860-х годов килограмм этого металла уже стоил всего около ста старых франков, по сравнению с 3 тысячами в 1854-1856 гг.

В настоящее время первые алюминиевые изделия представляют огромную ценность. К сожалению, большую часть из них почитатели моды заменили золотом, серебром и другими драгоценными сплавами и металлами.

Однако ученых изменчивая мода не остановила. В 1886 году химик Чарльз Мартин Холл стал автором дешевого способа получения алюминия в больших количествах. Он добавил и растворил в расплавленном криолите (соединении алюминия с натрием и фтором) небольшую часть окиси алюминия. Затем, поместив смесь в гранитный сосуд, пропустил через нее электрический ток. После нескольких часов ожидания на дне сосуда он увидел блестящие «пуговицы» чистого алюминия. Работавший в то время в России австрийский инженер Карл Жозеф Байер не остался в стороне и предложил технологию получения глинозема, которая помогла сделать новый способ еще дешевле. В результате вариант получения алюминия, разработанный Байером и Холлом, до сих пор используется в современном производстве.

Совершенствование свойств алюминия

Новый материал, который теперь можно было применять в промышленности, был всем хорош. Однако отмечалось, что чистый алюминий недостаточно прочен для некоторых областей применения.

В борьбу с этой проблемой вступил немецкий химик Альфред Вильм, который сплавил его с небольшим количеством магния, меди и марганца. Полученный сплав был настолько прочен, что в 1911 году в городке Дюрене была выпущена партия материала, названного в его честь дюралюминием. Чуть позже в 1919 году из него был выполнен первый самолет. Так алюминий с триумфом завоевал весь мир.

В настоящее время трудно назвать отрасль промышленности, обходящуюся без этого легкого серебристого металла. Алюминий, занимающий 3 место по концентрации в земной коре после кислорода и кремния, с новой силой притягивает к себе внимание специалистов как металл будущего. Совокупность таких его достоинств, как малая плотность, высокая тепло- и электропроводность, прочностные характеристики, а также высокая устойчивость к коррозии и технологичность, позволяют отнести алюминий к числу самых ценных материалов планеты.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: