Электрометаллургический способ получения алюминия

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:

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.

Источник

Производство алюминия

«В природе ничто не возникает мгновенно и ничто не появляется в свете в совершенно готовом виде».

Александр Герцен
русский публицист, писатель

Производство металла делится на три основных этапа: добыча бокситов – алюминийсодержащей руды, их переработка в глинозем – оксид алюминия, и, наконец, получение чистого металла с использованием процесса электролиза – распада оксида алюминия на составные части под воздействием электрического тока. Из 4-5 тонн бокситов получается 2 тонны глинозема, из которого производят 1 тонну алюминия.

В мире существуют несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства этого металла являются именно бокситы. Это горная порода, состоящая, в основном, из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50% оксида алюминия.

Бокситы могут сильно отличаться друг от друга. По структуре они бывают твердые и плотные либо рыхлые и рассыпчатые. По цвету – как правило, кирпично-красные, рыжеватые или коричневые из-за примеси оксида железа. При небольшом содержании железа бокситы имеют белый или серый цвет. Но иногда встречаются руды желтого, темно-зеленого цвета и даже пестрые – с голубыми, красно-фиолетовыми или черными прожилками.

Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – из них 73% приходится на пять стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. В Гвинее бокситов больше всего – 5,3 миллиарда тонн (28,4%), при этом они высокого качества, содержат минимальное количество примесей и залегают практически на поверхности.

Следующим этапом является производственной цепочки является переработка бокситов в глинозем – это оксид алюминия Al₂O₃, который представляет собой белый рассыпчатый порошок. Основным способом получения глинозема в мире является метод Байера, открытый более ста лет назад, но актуальный до сих пор – около 90% глинозема в мире производятся именно так. Этот способ весьма экономичен, но использовать его можно только при переработке высококачественных бокситов со сравнительно низким содержанием примесей – в первую очередь кремнезема.

Метод Байера основан на следующем: кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав боксита, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щёлочи, NaOH) высокой концентрации, а при понижении температуры и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Посторонние, входящие в состав боксита (так называемый балласт), не переходят при этом в растворимую форму или перекристаллизовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Поэтому после растворения гидроокиси алюминия балласт легко может быть отделен – он называется красный шлам.

Это густая масса красно-бурого цвета, состоящая из соединений кремния, железа, титана и других элементов. Его складируют на тщательно изолированных территориях – шламохранилищах. Их обустраивают таким образом, чтобы содержащиеся в отходах щёлочи не проникали в грунтовые воды. Как только хранилище отрабатывает свой потенциал, территорию можно вернуть в первоначальный вид, покрыв её песком, золой или дёрном и посадив определённые виды деревьев и трав. На полное восстановление могут уйти годы, но в итоге местность возвращается в изначальное состояние.

Многие специалисты не считают красный шлам отходом, так как он может служить сырьем для переработки. Например, из него извлекают скандий для дальнейшего производства алюминиево-скандиевых сплавов. Скандий придает таким сплавом особую прочность, сферы использования – автомобиле- и ракетостроение, спортивная экипировка, производство электропроводов.

Также красный шлам может использоваться для производства чугуна, бетона, получения редкоземельных металлов.

У глинозема нет срока годности, но хранить его непросто, так как при малейшей он возможности активно впитывает влагу – поэтому производители предпочитают как можно быстрее отправлять его на алюминиевое производство. Сначала глинозем складывают в штабели весом до 30 тысяч тонн – получается своеобразный слоеный пирог высотой до 10-12 метров. Потом пирог «нарезают» и грузят для отправки в железнодорожные вагоны – в среднем, в один вагон от 60 до 75 тонн (зависит от вида самого вагона).

Существует еще один, гораздо менее распространенный способ получения глинозема – метод спекания. Его суть заключается в получения твердых материалов из порошкообразных при повышенной температуре. Бокситы спекают с содой и известняком – они связывают кремнезем в нерастворимые в воде силикаты, которые легко отделить от глинозема. Этот способ требует больших затрат, чем способ Байера, но в то же время дает возможность перерабатывать бокситы с высоким содержанием вредных примесей кремнезема.

Глинозем выступает непосредственным источником металла в процессе производства алюминия. Но для создания среды, в которой этот процесс будет происходить, необходим еще один компонент – криолит.

Это редкий минерал из группы природных фторидов состава Na3AlF6. Обычно он образует бесцветные, белые или дымчато-серые кристаллические скопления со стеклянным блеском, иногда – почти черные или красновато-коричневые. Криолит хрупкий и легко плавится.

Природных месторождений этого минерала крайне мало, поэтому в промышленности используется искусственный криолит. В современной металлургии его получают взаимодействием плавиковой кислоты с гидроксидом алюминия и содой.

Ток для производства алюминия

Для запуска двигателя автомобильный аккумулятор должен обеспечить электрический ток в 300-350 А в течение 30 секунд. То есть в 1000 раз меньше, чем нужно одному электролизеру для постоянной работы.

В каждой ванне происходит процесс электролиза алюминия. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, который создает электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С. Роль катода выполняет дно ванны, а анода – погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра, со стороны они выглядят как впечатляющих размеров молот.

Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается – алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ.

Примерно раз в 2-4 суток алюминий извлекают из ванны при помощи вакуумных ковшей. В застывшей на поверхности ванны корке электролита пробивают отверстие, в которое опускают трубу. Жидкий алюминий по ней засасывается в ковш, из которого предварительно откачан воздух. В среднем, из одной ванны откачивается около 1 тонны металла, а в один ковш вмещается около 4 тонн расплавленного алюминия. Далее этот ковш отправляется в литейное производство.

При производстве каждой тонны алюминия выделяется 280 000 м 3 газов. Поэтому каждый электролизер независимо от его конструкции оснащен системой газосбора, которая улавливает выделяющиеся при электролизе газы и направляет их в систему газоочистки. Современные «сухие» системы газоочистки для улавливания вредных фтористых соединений используют ни что иное, а глинозем. Поэтому перед тем как использоваться для производства алюминия, глинозем на самом деле сначала участвует в очистке газов, которые образовались в процессе производства металла ранее. Вот такой замкнутый цикл.

Для процесса электролиза алюминия требуется огромное количество электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые и не загрязняющие окружающую среду источники этой энергии. Чаще всего для этого используются гидроэлектростанции – они обладают достаточной мощностью и не имеют выбросов в атмосферу. Например, в России 95% алюминиевого мощностей обеспечены гидрогенерацией. Однако есть в места в мире, где угольная генерация пока доминирует – в частности, в Китае на нее приходится 93% производства алюминия. В результате для производства 1 тонны алюминия с использованием гидрогенерации в атмосферу выделяется чуть более 4 тонн углекислого газа, а при использовании угольной генерации – в пять раз больше – 21,6 тонны.

Источник