Особенности производства алюминия: расчет сырья и технология добычи

Технология разработки алюминиевых залежей. Способы добычи алюминиевой руды

При незначительной глубине залегания алюминиеносных пород их добыча ведется открытым способом. Но, сам процесс срезания пластов руды будет зависеть от ее вида, и структуры.

Кристаллические минералы (чаще бокситы, или нефелины), снимают фрезерным способом. Для этого используются карьерные комбайны. Зависимо от модели такая машина может вести срез пласта толщиной до 600 мм. Толща породы разрабатывается постепенно, образуя после прохода одного слоя полки.

Это делается для безопасного положения кабины оператора и ходовых механизмов, которые в случае непредвиденного обвала будут находиться на безопасном расстоянии.

Рыхлые алюминиевоносные породы исключают использование фрезерной разработки. Так как их вязкость забивает режущую часть машины. Чаще всего такие типы пород могут срезать при помощи карьерных экскаваторов, которые тут же грузят руду на самосвалы, для дальнейшей транспортировки.

Транспортирование сырья — это отдельная часть всего процесса. Обычно обогатительные комбинаты по возможности стараются возводить неподалеку от разработок. Это позволяет использовать ленточные транспортеры для подачи руды на обогащение. Но, чаще изъятое сырье перевозят самосвалами. Следующий этап, обогащение и подготовка породы для получения глинозема.

1. Руду при помощи ленточного транспортера перемещают в цех подготовки сырья, где может использоваться насколько дробильных аппаратов, измельчающих минералы поочередно до фракции приблизительно в 110 мм.
2. Второй участок подготовительного цеха осуществляет подачу подготовленной руды, и дополнительных добавок на дальнейшую переработку.

1. Следующий этап подготовки, это спекание породы в печах.

Также на этом этапе, возможна обработка сырья выщелачиванием крепкими щелочами. Результатом становится жидкий алюминатный раствор (гидрометаллургическая обработка).

1. Алюминатный раствор проходит стадию декомпозиции. На данном этапе получают алюминатную пульпу, которую в свою очередь отправляют на сепарацию, и выпаривание жидкой составляющей.
2. После чего данную массу очищают от ненужных щелочей, и направляют на прокалку в печах. В результате такой цепочки образуется сухой глинозем необходимый для получения алюминия путем гидролизной обработки.

Сложный технологический процесс требует большого количества топлива, и известняка, а также электроэнергии. Это является основным фактором расположения алюминиевых комбинатов – возле хорошей транспортной развязки, и нахождения рядом залежей необходимых ресурсов.

Однако существует и шахтный способ извлечения, когда порода из пластов вырубается по принципу добычи каменного угля. После чего руду отправляют на подобные производства по обогащению, и извлечению алюминия.

Одна из самых глубоких «алюминиевых» штолен находится на Урале в России, ее глубина достигает 1550 метров!

Особенности производства алюминия: расчет сырья и технология добычи

Алюминий представляет собой химический элемент, который занимает лидирующую позицию среди самых распространенных металлов в земной коре, а также наиболее часто используемых. Его содержание в земле приравнивается к 9%. Встречается только в виде соединений, представленных оксидом алюминия или глиноземом. Именно в глине содержится около 30% такого оксида.

Данный металл выгодно отличается среди остальных видов благодаря своим свойствам. А это – отличная пластичность, высокие коэффициенты тепло- и электропроводности, небольшая плотность. Данная статья расскажет вам о технологиях производства и добычи алюминия и его сплавов в мире, а также о важных факторах таких мероприятий.

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.

Алюминий — драгоценный металл

Интересно, что в 19-м веке алюминий очень ценился. За килограмм металла просили около 3 000 франков. Поэтому ювелиры активно изготавливали украшения на его основе. Ведь металл легко поддается обработке, обладает красивым серебристым оттенком и позволяет придавать изделию любую форму.

Однако уже через несколько лет он стал падать в цене и вскоре вышел из моды. Многие алюминиевые драгоценности не пережили обесценивание металла. Сегодня они — большая редкость.

Совсем недавно алюминий стал главной темой выставки, организованной в Питтсбурге (штат Пенсильвания) в музее Карнеги. Интерес к нему появляется снова. Самый распространенный цветной металл в земной коре сегодня применяется в виде металлической пены. Это новейшая разработка, на основе которой можно изготавливать даже корабельные корпуса.

Рафинация алюминия

Наиболее известный метод – это трехслойный электролиз. Он также проходит в электролизных ваннах с угольными подинами, футерованных магнезитом. Анодом в процессе служит сам расплавленный металл, который подвергается очистке. Он располагается в нижнем слое на токопроводящей подине. Чистый алюминий, который из электролита растворяется в анодном слое, понимается вверх и служит катодом. Ток к нему подводится с помощью графитового электрода.

Электролит в промежуточном слое – это фториды алюминия или чистые или с добавлением натрия и хлорида бария. Нагревается он до температуры 800°С.

Расход электроэнергии при трехслойном рафинировании составляет 20 кВт*ч на один кг металла, то есть на одну тонну нужно 20 тысяч кВт*ч. Вот почему, как ни одно производство металлов, алюминий требует наличия не просто источника электроэнергии, а крупной электростанции в непосредственной близости.

В рафинированном алюминии в очень малых количествах содержатся железо, кремний, медь, цинк, титан и магний.

После рафинирования алюминий перерабатывается в товарную продукцию. Это и слитки, и проволока, и лист, и чушки.

Продукты сегрегации, полученные в результате рафинирования, частично, в виде твердого осадка, используются для раскисления, а частично отходят в виде щелочного раствора.

Абсолютно чистый алюминий получают при последующей зонной плавке металла в инертном газе или вакууме. Примечательной его характеристикой является высокая электропроводность при криогенных температурах.

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.

Способы получения

Оксид алюминия можно получить различными методами:

1. Горением алюминия на воздухе:

4Al + 3O2 → 2Al2O3

2. Разложением гидроксида алюминия при нагревании:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

3. Оксид алюминия можно получить разложением нитрата алюминия:

4Al(NO3)3 → 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2

Химические свойства

Оксид алюминия — типичный амфотерный оксид. Взаимодействует с кислотными и основными оксидами, кислотами, щелочами.

1. При взаимодействии оксида алюминия с основными оксидами образуются соли-алюминаты.

Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом натрия:

Na2O  +  Al2O3  → 2NaAlO2

2.Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли. При этом оксид алюминия проявляет кислотные свойства.

Например, оксид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия в расплаве с образованием алюмината натрия и воды:

2NaOH  +  Al2O3  → 2NaAlO2 +  H2O

Оксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:

Al2O3  +  2NaOH +  3H2O →  2Na

3. Оксид алюминия  не взаимодействует с водой.

4. Оксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами (сильных кислот). При этом образуются соли алюминия. При этом оксид алюминия проявляет основные свойства.

Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:

Al2O3 + 3SO3 → Al2(SO4)3

5.Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием средних и кислых солей.

Например, оксид алюминия реагирует с серной кислотой:

Al2O3  +  3H2SO4  → Al2(SO4)3  +  3H2O

6. Оксид алюминия проявляет слабые окислительные свойства.

Например, оксид алюминия реагирует с гидридом кальция с образованием алюминия, водорода и оксида кальция:

Al2O3  +  3CaH2 → 3CaO  +  2Al  +  3H2

Электрический токвосстанавливает алюминий из оксида (производство алюминия):

2Al2O3  → 4Al + 3O2

7. Оксид алюминия — твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.

Например, из карбоната натрия:

Al2O3  +  Na2CO3 → 2NaAlO2  +  CO2

РУСАЛ теряет значительную часть рынка алюминия после санкций США

Санкции США распространяются на импорт продукции, услуг и технологий, таким образом полностью закрывая для РУСАЛа американский рынок сбыта. В 2021 году выручка предприятия от продажи алюминия в США составила более 14%. Оперативно найти замену такому рынку непросто.

На европейском рынке позиции российской компании пока остаются прочными при том, что наибольшая доля экспорта приходится на Турцию. Экспорт алюминия в Европу наращивают также новые производители из стран Персидского залива. Еще в 2021 году их совокупное производство превысило производство всей Центральной и Восточной Европы, включая РУСАЛ, на 30%.

Фото: в России потребляется только 18% выпускаемого компанией металлаНа азиатских рынках появился намного более мощный конкурент. За последние 10 лет доля Китая в мировом производстве легкого металла выросла с 10% до 55%, а в потреблении приближается к 50%. Китай использует в производстве алюминия новейшие технологии электролиза, расходуя на производство каждой тонны на 14,5% меньше электроэнергии, чем российские или европейские заводы. Китайские производители теперь не только успешно вытесняют российский алюминий с рынков Японии, Кореи, Индии и стран Юго-Восточной Азии, но и экспортируют туда свои технологии, финансируя строительство новых высокоэффективных производств на местах. Несмотря на пошлины, наложенные США против Китая, китайский алюминий будет востребован на этом рынке.

Применение

Украшение из алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость. Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем.
Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на ювелирные изделия из алюминия сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Алюминий (англ. Aluminium) — Al

Молекулярный вес	26.98 г/моль
Происхождение названия	от латинского alumen
IMA статус	утверждён в 1978

Концепция, структура и факторы местоположения алюминиевой промышленности

Одной из отраслей цветной металлургии является алюминиевая промышленность. Она включает в себя целый комплекс мощностей по производству алюминия. Алюминиевая продукция занимает первое место в производстве и потреблении во всем мире. Основными потребителями этой продукции являются предприятия машиностроительной, транспортной, строительной, химической, пищевой и металлообрабатывающей промышленности.

Алюминиевая промышленность является подотраслью цветной металлургии, которая занимается добычей алюминиевого сырья и производством глинозема (оксида алюминия), а также кристаллического кремния, металлического алюминия и другой продукции.

Алюминиевое сырье — высококачественный кварцит для производства фторидных солей и концентратов фторшпата (флюорита). Боксит также используется в добыче глинозема для производства алюминия. Производство алюминия требует значительного количества энергии, поэтому алюминиевая отрасль считается одной из наиболее энергоемких. Предприятия этой отрасли расположены вблизи мощных, дешевых источников электроэнергии.

Структура алюминиевой промышленности включает в себя следующие отрасли:

• Добыча алюминиевых руд;
• Извлечение глинозема из руд или их концентратов;
• производство электродов и анодной массы;
• образование фторсодержащих солей;
• выплавка алюминиевого металла;
• производство полуфабрикатов из алюминия.

На расположение предприятий в алюминиевой промышленности влияют несколько факторов, но наиболее важными из них являются сырье, топливо и энергия.

Боксит является основным сырьем для производства алюминия. Содержит до 60% глинозема. Основные месторождения высококачественных бокситов находятся в семи регионах:

• Центральная и Западная Африка;
• Бразилия ;
• Карибский бассейн (Ямайка);
• Океания и Южная Азия;
• Средиземноморский регион;
• Китай;
• Россия (Урал).

Производство алюминиевого металла является очень энергоемким процессом. Поэтому при выборе места расположения производственных объектов важным фактором является наличие источников электроэнергии. Как правило, станции строятся рядом с гидроэлектростанциями. По этой причине можно разделить на регионы, где происходит добыча сырья и где производство конечного продукта происходит непосредственно.

Различия по насыщенности

Алюминиевая руда представляет собой горную породу, из которой добывают металл. Алюминий не существует в чистом виде в природе, это химический элемент, который можно найти во многих соединениях, но различной насыщенности. По причине наибольшей рентабельности в настоящее время добыча алюминия производится из бокситов, алунитов и нефелинов.

Наибольшую концентрацию оксида алюминия содержат бокситы (50 % и более). Они являются главным источником глинозема, то есть основного сырья, из которого производится алюминий.

На втором месте по концентрации алюминия в составе находятся алуниты, которые содержат до 40 % глинозема.

На третьей позиции обосновались нефелины. Они представляют собой щелочное образование, которое содержит до 25 % глинозема.

Все остальные соединения содержат глинозем в меньшей концентрации, и нерентабельны в процессе добычи алюминия.

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.

Расчет сырья

Для того чтобы получить алюминий, необходимо в электролизер загрузить анодную массу, глинозем, а также фторсоль. Во время действия электролиза из глины получается окислы углерода, а также фтористые соединения в газообразном состоянии. При этом часть анодной массы расходуется в виде пены, которая снимается с поверхности самого электролита.

В теории для получения 1 кг алюминия потребуется 1,9 кг глинозема. Остальная его часть включает в себя всевозможные примеси и потери в процессе производства. Однако на практике сырья может потребоваться гораздо больше, в зависимости от типа глины, используемого оборудования и прочих факторов.

Далее рассмотрена технология литья, производства сварки алюминия аргоном.

Бокситовая руда – основа мирового производства алюминия

Непосредственно сам серебристый металл получают из глинозема. Это сырье представляет собой оксид алюминия (Аl2О3), получаемый с руд:

• Бокситов;
• Алунитов;
• Нефелиновых сиенитов.

Самый распространенный источник получения исходного материала это бокситы, их и считают основной алюминиевой рудой.

Несмотря на уже более чем 130 летнюю историю открытия, понять происхождение алюминиевой руды до сих пор не удалось. Возможно, что попросту в каждом регионе сырье образовалось под воздействием определенных условий. И это создает затруднения, чтобы вывести одну универсальную теорию об образовании бокситов. Основных гипотез происхождения алюминиевого сырья три:

1. Они образовались вследствие растворения некоторых типов известняков, как остаточный продукт.
2. Боксит получился в результате выветривания древних пород с дальнейшим их переносом и отложением.
3. Руда является результатом химических процессов разложения железных, алюминиевых и титановых солей, и выпала как осадок.

Однако, алунитовые и нефелиновые руды образовывались в отличных условиях от бокситов. Первые формировались в условиях активной гидротермальной и вулканической деятельности. Вторые – при высоких температурах магмы.

Как результат, алуниты, в основном, имеют рассыпчатую пористую структуру. В их составе имеется до 40% различных оксидных соединений алюминия. Но, кроме собственно самой алюмниеносной руды в залежах, как правило, имеются добавки, что влияет на рентабельность их добычи. Считается выгодным разрабатывать месторождение при 50-ти процентном соотношении алунитов к добавкам.

Нефелины обычно представлены кристаллическими образцами, которые кроме алюминиевого оксида содержат добавки в виде различных примесей. Зависимо от состава, такой тип руды классифицируют по типам. Самые богатые имеют в своем составе до 90% нефелинов, второсортные 40-50%, если минералы беднее этих показателей, то не считается нужным вести их разработку.

Имея представления, о происхождении полезных ископаемых, геологическая разведка может довольно точно определить места нахождения залежей алюминиевых руд. Также условия формирования, влияющие на состав и структуру минералов, определяют способы добычи. Если месторождение считается рентабельным, налаживают его разработку.