Технология производства алюминия
Алюминий — один из самых распространённых химических элементов на Земле. Но больше он известен как лёгкий металл, который широко применяется в промышленном производстве, строительстве и других сферах жизни. Алюминий и сплавы из него ценят за прочность, лёгкость, хорошую теплопроводность, устойчивость к коррозии, простоту обработки. Однако металл серебристо-белого цвета практически невозможно встретить в «готовом» виде. В этой статье расскажем о производстве алюминия — от происхождения до переплавки.
Происхождение
Значительное количество мировых запасов алюминия содержится в земной коре, являясь частью многих соединений — таких как корунд, бёмит, кианит, анортит, альбит, берилл и пр. Всего соединений насчитывается около 25. Также частицы металла присутствуют в пресных и морских водах, хоть и в совсем небольшом количестве. Добыть алюминий невозможно плавлением руды, как это обычно делают с железом — требуются более сложные методы обработки. Страны, производящие больше всего алюминия — Китай, США, Россия, Австралия, Бразилия.
Технология производства
Производство алюминия осуществляется в несколько этапов. Рассмотрим подробно каждый из них.
Добыча бокситов
Есть разные виды алюминиевых руд, но добыча металла осуществляется именно из бокситов. Бокситы — это горные породы, содержащие оксид алюминия (а также прочие минералы). Качественными принято считать породы, в которых оксида алюминия больше половины.
Бокситы различаются между собой по структуре — есть плотные или рыхлые. Также они могут отличаться по цвету — оттенок породы зависит от количества примесей железа. Чем больше железа в составе, тем более ржавый оттенок у бокситов. Но встречаются породы белого или серого цвета, а также различных других цветов — тёмно-зелёные, жёлтые, пёстрые и даже разноцветные.
Большая часть бокситов в мире расположена близ экватора. Среди стран-лидеров по залежам породы — Бразилия, Ямайка, Гвинея, Индия, Австралия. Больше всего бокситов залегает в Гвинее — 28,4% мирового запаса. Их достают из земной коры, послойно срезая руду, а затем перевозят эти пласты для дальнейшей переработки. Но бокситы не всегда залегают близко к поверхности — иногда для их добычи приходится организовывать шахты. Яркий пример — шахта «Черемуховская-Глубокая», которая находится в Свердловской области РФ. Её глубина составляет более чем 1,5 километра.
Производство глинозёма
Следующий шаг — это переработка добытых бокситов в глинозём. Глинозём — это оксид алюминия (Al2O3), который выглядит как сыпучий порошок белого цвета. Переработка бокситов в глинозём осуществляется по методу Байера — способ, открытый ещё в 1895 году, но всё ещё актуальный, поскольку наиболее быстрый и дешёвый. Правда метод Байера подходит только для работы с высококачественными бокситами, в которых мало примесей. Метод основан на трёх шагах. Это:
- дробление — бокситы раскалывают и перемалывают, чтобы раскрыть зёрна алюминия в его составе;
- выщелачивание — размолотый оксид растворяют в концентрированной щёлочи, добавляя известь;
- декомпозиция — после гидролиза и кристаллизации алюминат натрия выделяется в осадок.
Балласт, остающийся после переработки, называют красным шламом. Это плотная масса, состоящая из кремниевых, железистых и других соединений. Красный шлам также активно используют в других сферах промышленности — например, для изготовления бетона или чугуна.
Второй, менее популярный способ производства глинозёма — спекание. Он требует больших затрат, чем метод Байера, но зато может использоваться для работы с породой, содержащей высокий процент примесей.
Электролиз
Далее полученный после переработки состав помещают в ванну с расплавленным криолитом, который создаёт токопроводящую среду, а затем пропускают через раствор электрический разряд мощностью свыше 400 килоампер. Алюминий освобождается от кислорода и распределяется тонким слоем на дне ёмкости — его в жидком виде собирают вакуумными ковшами и отправляют в литейный цех для дальнейшей обработки.
Получение рафинированного алюминия
Часто металл, полученный с помощью электролиза, содержит в своём составе различные примеси, такие как кремний, цинк, углерод, азот, водород и пр. Они негативно влияют на свойства алюминия. Поэтому металл дополнительно подвергают рафинированию — очищению от примесей. Делается это двумя способами:
- хлорированием (продуванием хлористым раствором);
- электролитическим рафинированием по трёхслойному способу.
В результате этих процессов чистота алюминия повышается до 99,5-99,9%.
Расчёт сырья
Не всё полученное из бокситов сырьё превращается в алюминий — достаточно большая часть уходит в примеси или потери при производстве. Для получения одного килограмма алюминия требуется около 1,9 килограмма глинозёма. Это не точное число — оно может меняться в зависимости от типа применяемого оборудования, качества глинозёма и других факторов.
Необходимое оборудование
Производство алюминия — трудоёмкий процесс, требующий большой технической оснащённости предприятий. Самым сложным этапом является электролиз — для его проведения требуется много электроэнергии. По этой причине алюминиевые заводы часто строят рядом с источниками дешёвого электричества — например, гидроэлектростанциями.
Для работы с алюминием также требуется много разного оборудования, среди которого:
- машины для раздачи глинозёма;
- катодная ошиновка;
- газоочистительные установки;
- монтажные и линейные краны;
- электролизер.
Не говоря уже об оснащении литейных цехов, где также необходимо большое количество оборудования для дальнейшей переработки металла.
Изготовление изделий
После получения алюминия его переплавляют в слитки разных типов. Стандартные прямоугольные слитки (слябы) используют для производства листового алюминия — листов, фольги, материалов для обшивки, пищевой тары. Цилиндрические слитки применяются для производства различных видов проката методом экструзии — так получают трубы, профили и пр.
При переработке в металл могут добавлять другие вещества — так получают сплавы. Уже существует более ста видов алюминиевых сплавов. Добавление таких металлов как марганец, цинк, медь, кремний и пр. влияет на некоторые свойства алюминия, например, делает его более пластичным, коррозионностойким или повышает электропроводность.
Согласно официальной статистике, самый большой процент потребления алюминия приходится на азиатские страны — около 78%. На втором месте Европа, а США и Латинская Америка расположились на третьем.
Переплавка
За счёт своих свойств алюминий хорошо поддаётся вторичной переработке. Его собирают, переплавляют и заново пускают в производство. 90% алюминиевой тары для напитков перерабатывается и заново возвращается на магазинные полки. Переработать можно любые алюминиевые изделия — это позволяет значительно сэкономить ресурсы, затрачиваемые на его производство.
вопросы?