Что является сырьем для производства алюминия?

Процесс добычи и производства алюминия | Алюминий.укр

Что является сырьем для производства алюминия?

Запасы алюминияявляются наиболее многочисленными на нашейпланете, однако, в чистом видевстретить его невозможно,так как этохимически активный материал, его атомылегко создают хим.связи с различнымивеществами. Особенность получения данного металлав том, чтоздесь не работаютстандартные методы, такие как плавлениеруды, которые используютсяс множеством другихметаллов.

Алюминий получают при помощиогромных объемов электроэнергии, и этотпроцесс гораздо сложнее. Именно поэтомузаводы по производствуалюминия в основномстроят вблизи мощныхисточников энергии, один из оптимальныхвариантов это гидроэлектростанции,которые меньше всего загрязняют окружающуюатмосферу.

Весь процессдобычи и производстваалюминия можно поделить на следующиеосновные этапы:

  1. Добычаалюминиевой руды – бокситов
  2. Последующаяпереработка полученного сырья в глинозем
  3. Окончательноепроизводство металла, путём электролиза.

Бокситы

Бокситы  являются основным сырьемпри производстве алюминия. Они представляютсобой горную породу,в состав которойвходят оксид алюминияи другие различныеминеральные примеси. Сырье имеет высокоекачество, если оно содержит всебе свыше 60%оксида алюминия.

Исходя изструктуры и цвета,бокситы могут весьмасильно отличаться, они могут бытьрассыпчатыми и рыхлыми, или наоборот,твердыми и плотными.Цвет бокситов можетбыть разным, коричневым,рыжеватым, красным, а если в них есть железо,тогда более белым.Но на этомразнообразие цветов не кончается, бываюттакже темно-зеленыеили желтые рудыс различными вкраплениями.

Подавляющее большинство земных запасов, а это около90%, находятся в субтропическом итропическом поясах. В таких странахкак Бразилия, Гвинея,а также вАвстралии. Наибольшее количество в Гвинее,при этом залежинаходятся прямо на поверхности, иимеют отличное качество с минимальнымколичеством примесей.

Обычно, добычабокситов производится с применением специальнойтехники, которая помогает «срезать» рудус поверхности, а затем её перевозят для дальнейшегопроизводства. Далеко не всегда алюминиеваяруда находиться прямо на поверхностномслое, и существуютдовольно глубокие залежи, добыча которыхтребует постройки специализированных шахт. Одна из наиболееглубоких является «Черемуховская-Глубокая» шахта, расположена вРоссии, её глубинадостигает 1550 метров.

Получение глинозема

Далее наступаетэтап переработки данной алюминиевой рудыв глинозем, которыйимеет вид белогопорошка, он рассыпчатыйи является оксидомалюминия. Метод получения глинозема носитимя Байера, емууже около сталет, но итеперь, 90% всегоглинозёма производится именно таким способом.Его явное преимущество,это экономичность, но подходит онтолько для переработкибокситов высокого качества, имеющих малоесодержание примесей, а главное — кремнезема.

Метод Байеразаключается в кристаллическойгидроокиси алюминия, которую бокситы имеютв своём составе,её свойства таковы,что она способнапрекрасно растворяться в концентрированном раствореедкого натра придовольно высоких температурах. А послеуменьшения концентрации и снижении градусовнагрева, она сновапринимает кристаллообразную форму.

Балласт, так именуемые посторонниевещества, не принимаетрастворимый вид, или же падаетв осадок ранее,чем происходит кристаллизация самой гидроокиси алюминия. Благодаря этому, онлегко отделяется уже после растворениягидроокиси.

Методом фильтрования можно легкоотделить большие частицы гидроксида израствора, затем их моют в воде, сушат ивыпаривают оставшуюся влагу, и именнотак, в итогеполучают глинозем.

Сам посебе, глинозем не имеет как такового срока пригодности,но проблема заключаетсяв том, чтоон очень быстровпитывает влагу обратно, поэтому производительстарается высылать его для дальнейшегопроизводственного цикла максимально оперативно. Его слаживают штабелями,вес которых около30 тонн, авысота —  12 метров, далее нарезаютслои и загружаютв железнодорожные вагоны, в одинвагон можно вместитьв среднем 70тонн.

Кроме методаБайера есть идругой способ дляполучения глинозема, так называемый методспекания. Используя его, получают твердыематериалы из порошкообразных,в условиях максимальныхтемператур. Бокситы соединяют с известнякоми содой, чтобыиметь возможность легкого отделения нерастворимыхсиликатов. Данный метод обходится намногодороже, но позволитпереработать бокситы далеко не лучшегокачества с большимколичеством нежелательных примесей кремнезема.

Криолит

Именно глиноземявляется первостепенным источником металла припереработке алюминия. Но чтобы создатьблагоприятную среду для качественного осуществленияданного процесса, понадобиться еще такойкомпонент, как криолит. По своейструктуре, данный минерал весьма хрупкийи легко поддаетсяпереплавке. В природеочень мало месторожденийкриолита, и поэтомув подавляющем большинствеслучаев на производствеиспользуют его искусственный аналог. Получить его можнов результате взаимодействиягидроксида алюминия с содой и плавиковой кислотой.

Процесс производства

После того,как были добытыбокситы, получен глинозём, пополнены запасыкриолита, наступает заключительная стадия производства алюминия – электролиз. Именно цех,в котором выполняетсяданный процесс, является центром всегоалюминиевого производства, и стоить отметить,что он сильноотличается от другихметаллургических цехов, в которых производят,например, сталь.

Внутри цеха находятсяпрямоугольные корпуса, их протяженность можетдостигать 1 км.Здесь же, находятсяэлектролизные ёмкости — ванны, соединенные толстымикабелями с источникомэлектричества. Сила тока находится впределах 300 – 400 кА, а напряжение в каждойёмкости 5-6вольт.

Основной производственной силой можно считать именноэлектрический ток, так как все производственные процессы в цеху механизированы,и людей задействованоочень немного.

Читайте также  Как снять неодимовый магнит с металла?

Ёмкость ванны наполняется криолитом,свойства которого позволяют создать токопроводящуюсреду при оченьвысоком нагреве. Соответственно во всехёмкостях производиться процесс электролиза. Катодом в данномслучае выступает днище ёмкости (ванны),а анодом — специальныеугольные блоки, которые погружаются всаму емкость.

С промежуткомв 30 минут,автоматическая система загружает новую подачусырья в ванны.Электрический ток воздействует на хим.соединение алюминия и кислорода, иразрывает его, в результате чего,металл опускается на дно емкостиванны, а кислородсоединяется с углеродом,образуя углекислый газ.

Алюминий извлекается из производственнойёмкости, каждые 2,3,4 дня, приэтом, используются специальные вакуумные ковши. На поверхностизастывает корка электролита, в которойпроделывают дыру и опускают своеобразнуютрубку. По нейалюминий, в жидкомвиде, всасывается в ковш, в котором заранее ужеоткачан весь воздух.Одна ванна даетпримерно одну тоннуалюминия, а самковш вмещает всебе четыре тонныметалла. После выполнения данных процедур,ковш отправляют для дальнейшего литейногопроизводства.

Всеэлектролизеры оснащены системой забора газа,она собирает газы,выделяющиеся при электролизе, и отправляетих на очистку.В наше время,так называемые «сухие» системы газоочистки,используют именно глинозем, для тогочтобы уловить фтористыесоединения. Поэтому, перед непосредственным производством алюминия, глинозем перед этимпринимает участие в очистке газов,образованных при получении металла доэтого. Таким образом,получается некий замкнутый цикл.

Процессэлектролиза крайне энергозатратный, поэтому немаловажно использовать мощные источники энергии,желательно те, которые по минимумузагрязняют окружающую среду. Гидроэлектростанции лучший вариант дляэтого, они невыбрасывают в атмосферуникаких вредных веществ, и ихмощностей вполне достаточно.

Россия использует95 процентов энергииименно от гидроэлектростанций,но по мирутакая тенденция присутствует далеко невезде. Тот жеКитай использует около 90 процентовэнергии для производстваалюминия от угольнойгенерации, что, несомненно, пагубно влияетна экологию.

Таккак, в такомслучае, для производстваодной тонны алюминия,в окружающую средувыбрасывается в 5 раз больше СО2.

Литейный этап

Расплавленныйалюминий поступает в специальный литейныйцех, он досих пор содержитнекую долю лишнихпримесей. Но дажеминимальное их количество негативно влияет на некоторыесвойства металла, поэтому его переплавляютв специальной печи,при температуре 800 градусов, чтобы удалить остаткиэтих самых примесей.В итоге, получаемыйалюминий разливается по формам, гдеон застывает втвердую форму.

Наименьшийслиток алюминия называют чушкой, ихвес от 6до 25 килограммов.Потребители получают готовый продукт производствав чушках, идалее переплавляют его, придавая определеннуюформу, требующуюся для конкретной задачи.

Однииз самых большихформ выплавки алюминия,представлены в виде параллелепипеда, и весят около30 тонн, ихдлина до 12м.Они изготавливаются в формах, которыеуходят в землюна 13м. Чтобы залить такуюформу потребуется 2 часа, параллельнопроводится процесс охлаждения с помощьюводы, и поокончанию заливки, металл уже пригодендля перевозки. Слитки прямоугольной формы  — слябы, предназначены для прокаткив тонкие листы,которые идут наизготовление фольги, банок для различныхнапитков, корпусов автомобилей.

Цилиндрическиезаготовки, в своюочередь, подвергаются экструзии, это процессштамповки определенной формы, через некийтрафарет. Как разтаким способом изготавливают большинство изделий из данногометалла.

Цехлитья — это нетолько, то место,где алюминий приобретаетразные формы, здесьже меняют егосостав, так какданный металл оченьчасто используется именно в видесплавов. Введение в алюминий легирующихдобавок, других металлов, способно повыситьвсе его характеристики,такие как:

  • Теплопроводность;
  • Твердость;
  • Плотность.

Бор,медь, никель, железо,кремний, скандий, хром, титан, литий,и многие другие- все они могутбыть использованы для создания сплавовс алюминием. Наданный момент, в промышленности производитсяоколо ста различныхмарок сплавов алюминия.

Новыетехнологии

Технологиипроизводства алюминия совершенствуются с каждымднем, делается это для того,что бы предоставлятьпотребителю товар наивысшего качества, затрачивая как можноменьше средств, а также что бы процесс производствабыл максимально безопасен для окружающейсреды. Существуют современные электролизеры с мощностью 400и 500кА, нопрошлые поколения установок также подвергаютсямодернизации.

Однаиз передовых разработокв данной сфереявляется применении в производстве инертногоанода. Она позволяетисключить угольные аноды, при этомон более инертныйи является практическинеисчерпаемым. Также, стоит отметить, чтопри его примирении,в нашу атмосферувыделяется чистый кислород, вместо углекислогогаза. Одна электролизнаяванна способна выработать огромное количествокислорода, и хоть,на данный момент,технология находиться на испытательной стадии,есть вероятность, что в дальнейшемалюминиевая промышленность может заменить собойзеленые леса, конечноже, в хорошемпонимании этого высказывания.

Вторичная переработка

Основнойплюс данного металла– это сохранение всех своих качествв процессе эксплуатации.Благодаря этому, изделия из алюминиямогут быть, безособых проблем, переработаны и переплавлены.Такая возможность экономит огромные запасыэнергии, которые уже были потраченыпри первичном производстве.

Отходыалюминия собираются и перерабатываются повсему миру, этозначительно позволяет экономить ресурсы, иснизить пагубное воздействие увеличивающихся в площади свалок.Возрастание ответственности за экологию, продвигаетидею раздельного сбора мусора вовсех странах.
Так как данныйметалл используется, практически, во всехпроизводственных сферах, идея экологически безопасногопроизводства и утилизации алюминия являетсявесьма актуальной.

Насегодняшний день, практически каждое производствостремиться стать более модернизированным, с целью повышения,как рентабельности процесса, так иэкологической безопасности производства алюминия.

Читайте также  Как удалить цинковое покрытие с металла?

Источник: https://алюминий.укр/articles/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE-%D0%B0%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D1%8F/

Сырье для выплавки алюминия

Что является сырьем для производства алюминия?

При производстве алюминия электролитическим способом расход глинозема на производство 1 т алюминия составляет около 2 т, и поэтому он является основным сырьем.

Глинозем, используемый для производства алюминия, должен быстро растворяться в электролите, содержать минимально возможное количество оксидов железа, кремния и других более электроположительных, чем алюминий, элементов, так как, выделяясь на катоде вместе с алюминием, они ухудшают его качество.

Нежелательно присутствие в глиноземе оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, поскольку они разлагают и изменяют состав электролита, что вызывает необходимость его корректировки.

Основными составляющими электролитов являются криолит Na3AlF6 (3NaF-AlF3), A1F3 и А12О3. Кроме того, в электролит попадают вместе с сырьем или искусственно вносятся фториды кальция CaF2, магния MgF2, лития LiF и хлорид натрия NaCl.

Наиболее распространенный способ получения криолита из плавикового шпата — кислотный.

В процессе Холла-Эру, названного так в честь его изобретателей, алюминий производится путем электролитического восстановления глинозема (Аl2О3), растворенного в расплавленном криолите (Na3AlF6). Металл выделяется на катоде, а кислород выделяется на углеродистом аноде, реагирует с ним и выделяется в виде диоксида углерода (СО2). Таким образом, конечная реакция получения алюминия может быть записана как:

2Al2O3 + 3C (тв) = 4Al (ж) + 3CO2 (газ)

Несмотря на то, что механизм электролитического процесса еще до конца не изучен, большинство специалистов соглашается с тем, что расплавленный криолит полностью диссоциирует на ионы натрия (Na+) и ионы гексафторида алюминия (AlF6).

Последний, в свою очередь, частично диссоциирует на ионы тетрафторида алюминия (AIF4 ?) и ионы фтора (F ?). Ионы натрия переносят через электролит большую часть тока и разряжаются, на катоде, а натрий выделяется вместе с алюминием.

Следовательно, катодная реакция, возможно, происходит с выделением ионов AIF6 и AIF4 ?

Анодный газ также содержит фтор, выделяющийся из расплава, который проходит через газоочистную систему и выбрасывается в атмосферу. Некоторые фториды в малых лимитированных количествах добавляют в электролит для снижения температуры расплава и увеличения эффективности электролитического процесса.

Фторид алюминия (AlF3) является наиболее распространенной добавкой, и поэтому теперь практически все электролизеры работают на электролите, в котором фторид алюминия превышает его содержание в криолите.

Расплавы всегда содержат некоторое количество фторида кальция (CaF2), который образуется в основном из оксида кальция (СаО), содержащегося глиноземе, но иногда фторид кальция (CaF2) специально добавляют в электролит.

Жидкий алюминий через каждые 1-2 суток с помощью сифона извлекают из электролизера в футерованный ковш, взвешивают и направляют его в литейное отделение.

Для производства алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава применяются электролизные ванны.

Алюминиевый электролизер любой конструкции и мощности состоит из катодного и анодного устройств, ошиновки, опорных металлоконструкций с механизмами перемещения анодов и устройств для сбора и отвода газов, выделяющихся при электролизе.

Катодное устройство

Катодное устройство (катод) представляет собой стальной кожух, а внутри него смонтирована корытообразная шахта, у которой стенки и дно футерованы угольными блоками. Между бортовыми блоками и стенками катодного кожуха, а также под подовыми блоками располагается теплоизоляция. В подовые блоки вмонтированы стальные токоотводящие стержни, которые на практике часто называют блюмсами.

Катодные кожухи могут быть двух модификаций: самонесущие кожухи и кожухи с опорными устройствами рисунок 1.

Вне зависимости от вида и модификации катодные кожухи могут изготавливаться в разъемном и монолитном исполнении.

Рисунок 1 — Катодный кожух с опорным устройством.

1 — фундамент; 2 — электроизоляция; 3 — опорная балка; 4 — катодный кожух; 5 — огнеупорная кладка; 6 — бортовая футеровка; 7 — бортовая теплоизоляция; 8,9 — шамотная подсыпка и асбестовый лист; 10 — межблочные швы; 11 — катодные блоки.

Page 3

Анодное устройство состоит из угольного анода, подъемного механизма, служащего для перемещения анода, ошиновки, штырей и опорной конструкции. Аноды делятся на два больших класса — предварительно обожженные (ОА) и самообжигающиеся (СОА), а по виду токоподвода — с боковым (БТ) и верхним (ВТ) подводом тока.

Анодное устройство с боковым подводом тока. Анодное устройство с боковым подводом тока рисунок 3 состоит из угольного анода, анодной рамы, штырей и механизма для перемещения анода.

Анод из-за взаимодействия углерода с кислородом, выделяющимся при электролизе, постоянно сгорает, поэтому его необходимо опускать в шахту ванны, а сверху загружать анодную массу. Нижняя часть анода под воздействием тепла расплава спекается в монолитный электропроводный блок.

Для подвода тока к аноду и его подвески используют стальные конические стержни. Штыри в аноде располагаются обычно в 4—6 горизонтальных рядов в шахматном порядке. Забивают штыри в полускоксованную часть анода. По мере опускания штыри запекаются в скоксованную часть анода.

Рисунок 3 — Схема анода с боковым подводом тока.

Читайте также  Как убрать коррозию с алюминия?

1 — спеченная часть анода; 2 — полуспекшаяся масса; 3 — жидкая анодная масса; 4 — анодная рама; 5 — ребра; 6 — штыри; 7 — сережки, или клинья.

К токоведущим штырям ток подводится гибкими алюминиевыми спусками, один конец которых приварен к анодной ошиновке. К другому концу спуска приварен медный угольник, который с помощью клинового контакта или сваркой крепят к головке штыря.

Анодное устройство с верхним подводом тока.

Анодное устройство с верхним подводом тока рисунок 4 представляет собой угольный анод, сформированный внутри анодного кожуха, в нижней части которого расположен газосборный колокол для сбора выделяющихся при электролизе газов.

Через вспомогательный механизм он подвешен к анодной раме, которая состоит из двух параллельно расположенных двутавровых балок с поперечными связями, опирающихся на домкраты основного механизма.

Рисунок 4 — Схема анодного устройства с верхним токоподводом.

1 — анодная ошиновка; 2 — анодные зажимы; 3 — составные штыри; 4 -брикеты анодной массы; 5 — анодный кожух; 6 — обожженная часть анода; 7-вторичный анод; 8 — жидкая анодная масса.

Рисунок 5 — Анодный кожух.

1 — ребра жесткости; 2 — балки для подвески кожуха; 3 — пояс для навески секций колокола; 4 — карманы для утепления торцов и углов анода.

По мере сгорания анод с помощью основного механизма перемещения опускается вниз, но во избежание подплавления секций газосборного колокола анодный кожух вспомогательным механизмом поднимается вверх. При этом анод остается на месте.

В анодный кожух (рисунок 5) загружают анодную массу, а подвод тока к аноду осуществляют составными штырями, расположенными в четыре ряда и на нескольких горизонтах.

По мере сгорания анода штыри, расположенные на нижнем горизонте, извлекают из анода, а в образовавшиеся подштыревые отверстия после затекания жидкой анодной массы вновь устанавливают штыри, но уже на более высокий горизонт.

Коксование жидкой массы, затекшей в подштыревое отверстие, под воздействием высокой температуры идет с большой скоростью, что вызывает выделение большого количества летучих соединений и ухудшает качество образующегося вторичного анода. По этим причинам в настоящее время в корпусах ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» эксплуатируются стальные штыри, снабженные в верхней части медным сектором для улучшения контакта между анодной шиной и штырем.

Электролизеры с верхним токоподводом начали широко внедряться в отечественную промышленность в 1959 г. после длительных испытаний на опытном участке ОАО «РУСАЛ Новокузнецк».

Анодное устройство с обожженными анодами. Анодное устройство с обожженными анодами состоит из двух рядов анодных блоков.

В процессе производства в анодном блоке 1 (рисунок 8) формуют цилиндрические гнезда, в которые затем вставляют и заливают чугуном 2 стальные токоподводящие ниппели 3, соединенные сверху кронштейном 4.

К стальному кронштейну присоединяется алюминиевая штанга 5, которая зажимом прижимается к анодной шине. Таким образом, токоподводящая штанга одновременно выполняет роль несущей конструкции.

Методы крепления штанги к кронштейну могут быть различными: сварные, сборные болтовые, клиновые и т.д.

Аноды на ваннах ОА утепляют, засыпая их полностью глиноземом. Поэтому перепад напряжения в них и окисление поверхности анода меньше, чем на СОА, что является одним из важных преимуществ этих электролизеров.

Рисунок 8. Анодное устройство электролизера ОА.

1 — анодный блок; 2 — заливка ниппеля; 3 — ниппель; 4 — крышка укрытия; 5 — траверса; 6 — штанга; 7 — временный зажим; 8 — механизм подъема укрытия; 9 — основной зажим; 10 — анодная шина; 11 — механизм подъема анодного массива; 12 — анодная рама; 13 — короб газоотсоса; 14 — поперечные балки.

Источник: https://vuzlit.ru/423829/syre_proizvodstva_alyuminiya

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%.

Источник: https://varimtutru.com/syre-dlya-vyplavki-alyuminiya/