Добыча алюминия: добыча алюминиевой руды и получение металла

На сегодняшний день алюминий — один из самых популярных металлов, который используется как во многих отраслях промышленности, так и в повседневной жизни каждого человека. Удивительно, что этот металл, всего полтора века назад считавшийся дороже золота, занял прочную позицию на рынке и продолжает быть очень востребованным.

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.

СТРУКТУРА

Кубическая гранецентрированная структура. 4 оранжевых атома

Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10-10 м, а атомный объем 9,999×10-6 м3/г-атом. Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки. Алюминий обладает большой химической активностью, энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10-5 см), но прочной пленкой оксида алюминия А1203, которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

Свойства алюминиевой руды

Алюминий высоко ценился у наших предков, которые открыли этот металл почти два столетия назад, и не теряет актуальности по сей день. Ниже представлены главные свойства алюминия, благодаря которым этот металл особенно ценен:

• относится к группе легких металлов;
• огромные залежи — алюминий занимает третье место после кислорода и кремния с точки зрения распространения на Земле;
• высокая степень пластичности — металл легко поддается механической обработке, литью, полировке и пр.;
• обладает высокой степенью тепло- и энергопроводимости;
• высокая отражательная способность — до 90 %;
• стойкость к коррозии;
• приятный блестящий внешний вид.

Технология разработки алюминиевых залежей

Наиболее важную роль в получении алюминия играют бокситы, в которых наибольшая концентрация глинозема. Сам по себе боксит — это сложная горная порода, и его добыча опирается на нескольких основных способов:

• открытый — считается основным и наиболее популярным методом, который используется, если алюминиевая руда залегает неглубоко (чаще всего это именно бокситы);
• подземный (иначе — шахтный) способ. Этот метод извлечения алюминиевой руды схож по принципу с добычей каменного угля в шахтах (отсюда название).

При выборе метода обработки месторождения алюминиевой руды учитываются такие факторы, как тип месторождения, а также геологические условия его залегания (например, горизонтальное или наклонное).

Процесс срезания пластов алюминиеносных пород земли зависит также во многом от их вида и структуры. Ниже представлены два наиболее распространенных метода:

1. Срезка фрезерным способом, когда на помощь приходят карьерные комбайны. Благодаря этим машинам (различным также по своим свойствам в зависимости от модели) происходит срез пласта, толщина которого может достигать 600 мм. Алюминиевые породы обрабатываются таким образом постепенно. После снятия каждого слоя образуются так называемые «полки».
2. Альтернативой фрезерной разработки алюминиевой руды, в особенности рыхлой, является работа карьерных экскаваторов. Этот способ применяется, если необходимо сразу погрузить руду на самосвалы с целью дальнейшей транспортировки.

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.

Получение алюминия электролизом

Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970 °С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают (рисунок 4). Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись угле­рода (CO) или двуокись углерода (CO2). На практике находят применение два типа анодов:

• самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых «хлебов» массы Зедерберга (малозольный уголь с 25 – 35 % каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);
• обожженные, или «непрерывные», аноды из больших угольных блоков (например, 1900 × 600 × 500 мм массой около 1,1 т).

Рисунок 4 – Схема электролизера

Сила тока на электролизерах состав­ляет 150 000 А. Они включаются в сеть последова­тельно, т. е. получается система (серия) – длинный ряд электролизеров.

Рабочее напряжение на ванне, состав­ляющее 4 – 5 В, значительно выше на­пряжения, при кото­ром проис­ходит раз­ло­жение окиси алю­миния, поскольку в процессе рабо­ты неизбежны потери напряжения в различных частях системы. Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия

Вреакционном сосуде окись алюминия превращается сначала в хлорид алюминия. Затем в плотно изолированной ванне происходит электролиз AlCl3, растворенного в расплаве солей KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и пода­ется для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде.

Преимуществами данного метода перед существующим электролизом жидкого крио­литоглиноземного расплава (Al2O3, растворенная в кри­олите Na3AlF6) считают: экономию до 30 % энергии; возможность применения окиси алюминия, которая не годится для традиционного электролиза (например, Al2O3 с высоким содержанием кремния); замену дорогостоящего криолита более дешевыми солями; исчезновение опасности выделения фтора [7].

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.

Предприятия отрасли

Указать, какой город является центром алюминиевой промышленности довольно трудно. Это связано с тем, что во всех регионах, где развита отрасль, есть множество населённых пунктов с соответствующими заводами, комбинатами и прочими предприятиями.

Крупные заводы

Наиболее значимые предприятия алюминиевой отрасли находится в Сибирском федеральном округе. Они располагаются в крупных и мелких городах различных регионов России.

Главные заводы отрасли:

• НАЗ. Новокузнецкое предприятие располагается в Кемеровской области. Оно начало свою работу в далёком 1943 году, когда занималось исключительно изготовление военной техники для авиации. Основными направлениями деятельности завода являются производство алюминиевых сплавов и первичного алюминия. Производственная мощность НАЗ составляет 215 тыс. тонн в год.
• ИАЗ. Алюминиевый завод в городе Шелехове (Иркутская область) предлагает покупателям широкий ассортимент продукции. К ней относят катанку, алюминиевые сплавы, ленты и первичный алюминий. Предприятие работает с 1962 года. В наше время оно даёт работу 2,4 тыс. человек и производит до 400 тыс. тонн алюминиевой продукции в год. Основными потребителями являются строительные компании и предприятия авиационной отрасли.
• САЗ. Саяногорский алюминиевый завод базируется в Республике Хакасия. Он построен сравнительно недавно (1985 год), поэтому является главной испытательной площадкой разработок РУСАЛА. На предприятии производят первичный алюминий и различные сплавы в форме слитков или чушек. Производственная мощность завода составляет 542 тыс. тонн металла в год.
• КАЗ. Этот алюминиевый завод в Красноярске является одним из наиболее крупных в России. Он ежегодно производит около 1 млн тонн продукции, в число которой входит не только первичный алюминий и сплавы, но и металл высокой чистоты. Последний больше не выпускают ни на одном заводе России и стран бывшего СССР. На КАЗ работает 4,2 тыс. человек. Однако регулярное расширение производства постоянно требует дополнительных человеческих ресурсов.
• БАЗ. Братский алюминиевый завод начал свою работу в 1966 году. В наше время он является крупнейшим предприятием отрасли не только в России, но и в мире. На заводе ежегодно производят более 1 млн тонн первичного алюминия и его сплавов, что также является лучшим показателем на планете. На БАЗ постоянно совершенствуется оборудование и повышается производительность. Кроме этого, руководители завода огромное внимание уделяют реализации различных экологических программ.