Алюминиевое производство (часть 1). Бокситы, глинозем и рециклинг. Как и из чего производят алюминий
Алюминиевое производство (часть 1)
(0) Опубликовано Jul 05, 2016
Что такое алюминий?
Нынешний век по аналогии с каменным и бронзовым смело можно назвать алюминиевым. Еще сто с небольшим лет тому назад этот металл был драгоценным и шел исключительно на предметы роскоши. Сегодня же его используют в производстве всего подряд, а есть вещи которые без этого металла и вовсе нельзя было бы создать.
Алюминий самый распространенный металл на Земле. Он составляет 9% объема земной коры и входит в состав 250 минералов. Вы удивитесь но и Рубин и Сапфир это тоже алюминий в соединении с кислородом.
Несмотря на такую распространенность быстро и легко получить металл можно лишь из нескольких минералов. Крупные месторождения алюминиевых руд распределены крайне неравномерно ,кроме того полученное руда нуждается в глубокой переработке. Нередко путь сырья от месторождения до алюминиевого завода растягивается на 1000 километров.
Республика Хакасия здесь в верховьях Енисея у самого подножия Саян расположился один из центров российской алюминиевой промышленности город Саяногорск. Своим статусом город обязан сразу трем алюминиевым заводом. За год они производят около 840 тыс.тонн легкого металла перерабатывая более полутора миллионов тонн исходного сырья глинозема, который ничего общего не имеет внешне не c глиной не с землей, тем не менее этот минерал входит в состав любой глины.
Его химическая формула Al2O3 Это значит что на два атома алюминия приходится три атома кислорода, и эти атомные связи внутри настолько сильные, что у этого порошка совершенно нету металлических свойств, несмотря на то, что половина его объема это чистый алюминий.
Получение алюминия из глинозема на заводе
Прибывший на завод глинозем засыпается в силосные башни, которые лучше всего подходят для хранения сыпучих материалов. Одной пригоршни сырья хватит, что бы сделать несколько алюминиевых ложек или пару корпусов для модного телефона, но только сначала из глинозема придется выделить чистый алюминий, а для этого понадобится очень много энергии.
Около треть себе стоимости алюминия составляет затраты на электроэнергию, и именно по этому алюминиевые заводы лучше строить там, где много дешевого электричества. Например там где есть гидроэлектростанция, например Сояросушинская, между прочем самая большая гидроэлектростанция в России.
Проектная мощность этой электростанции 6 тыс.мегаватт в 1 час это в 1.5 раза больше, чем дает Калининская атомная станция питающая электричеством Москву. Главным потребителем ГС, является Саяногорский алюминиевый комплекс,пожирающий за 1 год 11 млн. мегаватт электроэнергии.
Ваты, киловатты, мегавольты это все хорошо для тех кто разбирается в электричестве, а вот чтобы обычный человек понял какая нужна сила тока для выплавления алюминия, стоит представить, что на алюминиевом заводе электричество передают не по проводам, а по трубам. Внутренняя электросеть действительно напоминает трубопровод, из за внушительной толщины электропроводки. Из-за огромной мощности тока обычные провода перегрелись бы или расплавились. Самые мощные электролинии в сечении в пол метра идут от трансформаторных станций к цехам электролиза.
Магнитное поле здесь настолько сильное, что способна удерживать железный ключ от квартиры в вертикальном положении, именно по этому сюда нельзя ходить с механическими часами, потому что они испортится и с банковскими картами магнитными, потому что можно остаться без зарплаты.
Мощные магнитные поля возникают вокруг проводников, они действуют так же, как и магнитное поле Земли, которое отклоняет легкую стрелку компаса. Только здесь напряженность значительно выше естественного фона, и любой металлический предмет стремиться встать вдоль невидимых магнитных линий.
Электрическая проводка сделана из листов алюминия, который не магнитит, однако железные болты с помощью которых она крепится превратились в электромагниты, причем весьма мощными. За сутки электролизер производит чуть больше 2 тонн алюминия. Казалось бы не много, но только на заводе в одном цеху таких установок 168.
Внутрь электролизеров глинозем поступает автоматически порциями по 2 кг. Внутри этих установок находится жидкий электролит, разогретый до 950 градусов, в таком расплаве глинозем растворяется, но что бы он превратился в металл, через него нужно пропустить очень мощный электрический ток, именно по этому алюминиевое производство и считается самым энергозатратным.
Руду не достаточно просто переплавить в печи, нужно разорвать внутри атомные связи алюминия с кислородом, на что уходит основная энергия. Ток внутрь подводят с помощью электродов, которые делают из прессованного, обожженного угля. Всего их 32 и последованная замена позволяет не останавливать процесс.
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.
Электролитическое получение алюминия
Алюминий получают путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном электролите, основным компонентом которого является криолит. В чистом криолите Na3AlF6(3NaF • AlF3) отношение NaF : AlF3 равно 3, для экономии электроэнергии необходимо при электролизе иметь это отношение в пределах 2,6—2,8, поэтому к криолиту добавляют фтористый алюминий AlF3. Кроме того, для снижения температуры плавления в электролит добавляют немного CaF2, MgF2 и иногда NaCl. Содержание основных компонентов в промышленном электролите находится в следующих пределах, %: Na3AlF6 75—90; AlF3 5—12; MgF2 2—5; CaF2 2—4; Al2O3 2—10. При повышении содержания Al2O3 более 10 % резко повышается тугоплавкость электролита, при содержании менее 1,3 % нарушается нормальный режим электролиза.
Электролизная ванна или электролизер, где проводят электролиз, имеет в плане прямоугольную форму. Схема поперечного разреза ванны показана на рис. 247. Кожух 1 из стальных листов охватывает стены ванны, а у больших ванн выполнен с днищем. Внутри имеется слой шамота 2 и далее стены выложены угольными плитами 4, а под образован подовыми угольными блоками 3. Ванна глубиной 0,5—0,6 м заполнена электролитом и находящимся под ним слоем жидкого алюминия.
Угольный анод 6 (иногда их несколько) подвешен на стальных стержнях 8 так, что его нижний конец погружен в электролит, через стержни 8 к аноду подается ток от шин 7.
Мощность электролизера (ванны), определяемая силой подводимого к ней тока, изменяется от 30 кА у ванн малой мощности до 250 кА у ванн большой мощности. Поскольку допустимая удельная плотность проходящего через анод тока составляет 0,65—1,0 А/см 2 , при росте мощности ванн увеличивают площадь анода; размеры поперечного сечения анода мощных ванн достигают 2,8×9 м, размеры ванны (внутри) — 3,8×10 м.
Существующие ванны различаются мощностью и устройством анода: ванны с одним самообжигающимся анодом и верхним токоподводом, с таким же анодом и боковым токоподводом и ванны с анодом из обожженных блоков. Ванна с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока показана на рис. 248, а. Анод прямоугольного сечения является непрерывнонаращиваемым. Его кожух сделан из стального листа, в кожух сверху загружают брикеты из углеродистой электродной массы (нефтяной кокс с каменноугольным пеком). Вверху масса плавится, а в нижней части кожуха, где высокие температуры, она спекается, коксуется и превращается в твердый блок. В него запекаются погруженные в электродную массу на разную глубину стальные штыри 7, расположенные в два—четыре ряда вдоль ванны. Эти стержни служат для подвода тока к аноду и для его удержания над ванной, кожух анода крепится над ванной отдельно. В процессе сгорания анода наиболее глубоко расположенные штыри поочередно выдергивают из затвердевшей массы и закрепляют на более высоком уровне, через некоторое время они спекаются с твердеющей массой.
По мере сгорания нижней части анода его с помощью специального механизма опускают, при этом анод скользит внутри кожуха вниз. К нижней части кожуха анода крепится газосборный колокол, предназначенный для улавливания выделяющихся вокруг анода газов.
Электролизные ванны с предварительно обожженными анодами (рис. 248, б) имеют анодный узел, составленный из нескольких (до 20 и более) угольных или графитированных блоков, расположенных в два ряда. В каждом блоке закреплены четыре стальных ниппеля 9, соединенных со штангой 77; это устройство служит для подвода тока и для подвески блока. Сгоревшие блоки заменяют новыми. Над ванной установлен газоулавливающий короб.
Использование обожженных анодов позволило увеличить единичную мощность ванн и сильно сократить выделение вредных канцерогенных веществ, которые образуются при коксовании пека самообжигающихся электродов.
Электролизные ванны размещают в цехе в ряд — по несколько десятков ванн в ряду.
Электролиз ведут при напряжении 4—4,3 В и, как отмечалось, при удельной плотности тока, проходящего через анод, равной 0,65—1,0 А/см 2 . Толщина слоя электролита в ванне составляет 150—250 мм. Температуру ванны поддерживают в пределах 950—970 °С за счет тепла, выделяющегося при прохождении постоянного гока через электролит. Такие температуры имеют место под анодом, а на границе с воздухом образуется корка затвердевшего электролита рис. 247, 9, а у стен ванны — затвердевший слой электролита 10 (гарнисаж).
Необходимая температура ванны, т.е. выделение в слое электролита необходимого количества тепла, обеспечивается при определенном электросопротивлении слоя электролита. Такого электросопротивления достигают, поддерживая в заданных пределах состав электролита и толщину его токопроводящего слоя, т.е. расстояния между анодом и слоем жидкого алюминия в пределах 40—60 мм (увеличение, например, этого расстояния, т.е. электросопротивления слоя электролита, вызывает увеличение выделения тепла при прохождении тока и, соответственно, перегрев электролита).
При приложении напряжения к катоду и аноду составляющие жидкого электролита подвергаются электролитической диссоциации, и расплав состоит из многочисленных катионов и анионов. Состав электролита подобран так, что в соответствии со значениями потенциалов разряда на электродах могут разряжаться только катионы Al 3+ и анионы О 2- , образующиеся при диссоциации Al2O3 в электролите. Соответственно электрохимический процесс на электродах описывается следующими уравнениями:
на катоде 2Al 3+ + 6е → 2Al;
на аноде 3О 2- — 6е → 3O.
Разряжающийся на катоде алюминий накапливается на подине ванны под слоем электролита. Выделяющийся на аноде кислород взаимодействует с углеродом анода с образованием газов СО и СO2, т.е. при этом окисляется низ анода, в связи с чем анод периодически опускают. Газы СО и СO2 выходят из-под анодов вдоль их боковых поверхностей, они содержат выделяющиеся из электролита токсичные фтористые соединения и глиноземную пыль (из самообжигающихся анодов в них также попадают вредные смолистые возгоны); эти газы улавливают и очищают от пыли и фтористых соединений.
По ходу процесса в ванны периодически загружают глинозем; контролируют состав электролита, вводя корректирующие добавки; с помощью регуляторов поддерживают оптимальное расстояние между анодами и жидким алюминием (в пределах 40—50 мм). Глинозем загружают в ванны сверху, пробивая для этого корку спекшегося электролита (рис. 247, 9) с помощью передвигающихся вдоль ванн машин.
Жидкий алюминий извлекают из ванн один раз в сутки или через 2—3 сут с помощью вакуум-ковшей. Вакуум-ковш представляет собой (рис. 249) вмещающую 1,5—5 т алюминия футерованную шамотом емкость, в которой создается разряжение
70 кПа. Соединенную с патрубком 6 ковша заборную трубку погружают сверху в слой жидкого алюминия в ванне и за счет разрежения алюминий засасывается в ковш.
Выделяющиеся анодные газы вначале направляют в горелки, где сжигают СО и возгоны смолы, а затем в газоочистку, где улавливают пыль и фтористые соединения.
Производительность современных электролизных ванн составляет 500—1200 кг алюминия в сутки. Для получения 1 т алюминия расходуется
1,95 т глинозема,
25 кг криолита, 25 кг фтористого алюминия, 0,5—0,6 т анодной массы, 14—16 МВт • ч электроэнергии.
Источник
Месторождения бокситов
Запасы бокситов в мире ограничены. На всем земном шаре всего семь районов с его богатыми залежами. Это Гвинея в Африке, Бразилия, Венесуэла и Суринам в Южной Америке, Ямайка в Карибском регионе, Австралия, Индия, Китай, Греция и Турция в Средиземноморье и Россия.
В странах, где есть богатые месторождения бокситов, может быть развито и производство алюминия. Россия добывает бокситы на Урале, в Алтайском и Красноярском краях, в одном из районов Ленинградской области, нефелин — на Кольском полуострове.
Самые богатые месторождения принадлежат именно российской объединенной компании UC RUSAL. За ней идут гиганты Rio Tinto (Англия-Австралия), объединившийся с канадской Alcan и CVRD. На четвертом месте находится компания Chalco из Китая, затем американо-австралийская корпорация Alcoa, которые являются и крупными производителями алюминия.
Получение глинозема
Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью
Полученный алюминат натрия NaAlO2 подвергают гидролизу
В результате в осадок выпадают кристаллы гидрооксида алюминия Al(OH)3, который отфильтровывают, промывают и прокаливают до получения чистого глинозема (Al2O3).
Основные этапы технологии производства
В общих чертах технология производства алюминия не изменилась с момента создания.
Процесс состоит из трех стадий. На первой из алюминиевых руд, будь это бокситы или нефелины, получают глинозем – окись алюминия Al2O3 .
Затем из окиси выделяют промышленный алюминий со степенью очистки 99,5 % , которой для некоторых целей бывает недостаточно.
Поэтому на последней стадии рафинируют алюминий. Производство алюминия завершается его очисткой до 99,99 %.
История открытия
Свое название серебристо-белый металл получил от латинского языка, в переводе оно означает квасцы. В 1825 году датский физик Ганс Эрстед нагрел амальгаму калия, восстановил хлорид вещества и выделил новый металл. Затем этот эксперимент повторил и улучшил Фридрих Велер. Он применил чистый металлический калий и первый описал химические особенности алюминия.
Читайте также: Как производят пластмассу на заводе — 4 способа обработки
Полупромышленный способ выделения открыл Сент-Клер Девиль в 1854 году, но он использовал безопасный натрий. Полученный алюминиевый слиток ученый представил на Парижской выставке. А затем он провел еще один эксперимент — электролиз расплава двойной соли хлорида вещества.
До развития технологий алюминий, созданный электролитическим способом из глинозема, был слишком дорогим. Его слиток стоил больше, чем аналогичный кусок золота. Именно поэтому в 1889 году британские ученые подарили Менделееву аналитические весы. Чаши в них были изготовлены из разных металлов — золота и алюминия. В то время в России последнее вещество называли серебром из глины.
Только в 1886 году отдельно друг от друга химики Эру и Холл разработали промышленный метод добычи металла. Но еще с глубокой древности использовались квасцы — двойная соль калия и алюминия.
Переработка вторичного сырья
Четверть общей потребности в алюминии удовлетворяется вторичной переработкой сырья. Из продуктов вторичной переработке льется фасонное литье.
Предварительно отсортированное сырье переплавляется в пороговой печи. В ней остаются металлы, имеющие более высокую температуру плавления, чем алюминий, например, никель и железо. Из расплавленного алюминия продувкой хлором или азотом удаляются различные неметаллические включения.
Более легкоплавкие металлические примеси удаляются присадками магния, цинка или ртути и вакуумированием. Магний удаляется из расплава хлором.
Заданный литейный сплав получают, введя добавки, которые определяются составом расплавленного алюминия.
Сырье для промышленного выпуска алюминия
В зависимости от используемого сырья и по способу производства алюминий делится на группы:
— первичный; — вторичный.
Первичный алюминий производится из минеральных руд, содержащих оксид алюминия и различающихся составом и его концентрацией. Содержанием оксида алюминия в минералах:
— бокситы. Основная алюминиевая руда, содержащая до 50% оксида алюминия; — нефелины (до 30%); — алуниты (до 20%).
Для производства вторичного алюминия и сплавов используется алюминиевые и лом (высечка и обрезь листов, труб и лент, проволока, фольга, проводники тока, стружка и прочие отходы).
Электролиз окиси алюминия
Основным оборудованием для электролиза является специальная ванна, футерованная углеродистыми блоками. К ней подводят электрический ток. В ванну погружаются угольные аноды, сгорающие при выделении из окиси чистого кислорода и образующие окись и двуокись улглерода. Ванны, или электрилизеры, как их называют специалисты, включаются в электрическую цепь последовательно, образуя серию. Сила тока при этом составляет 150 тысяч ампер.
Аноды могут быть двух типов: обожженные из больших угольных блоков, масса которых может быть больше тонны и самообжигающиеся, состоящие из угольных брикетов в алюминиевой оболочке, которые спекаются в процессе электролиза под действием высоких температур.
Рабочее напряжение на ванне обычно составляет около 5 вольт. Оно учитывает и напряжение, необходимое для разложения окиси, и неизбежные потери в разветвленной сети.
Из растворенной в расплаве на основе криолита окиси алюминия жидкий металл, который тяжелее солей электролита, оседает на угольном основании ванны. Его периодически откачивают.
Процесс производства алюминия требует больших затрат электроэнергии. Чтобы получить одну тонну алюминия из глинозема, нужно израсходовать около 13,5 тысяч кВт*ч электроэнергии постоянного тока. Поэтому еще одним условием создания крупных производственных центров является работающая рядом мощная электростанция.
Получение криолита
Для получения криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al(OH)3, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок по реакции
Осадок отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.
Производство первичного алюминия
Технология производства металлического алюминия из рудных материалов представляет собой сложную технологическую схему, состоящую из несколько подразделений, производящих:
— глинозем; — фтористые соли и криолит; — угольные изделия (блоки футеровки, электроды); — электролитический алюминий.
Главные элементы технологической цепочки — это производства глинозема (оксида алюминия) и электролитического алюминия. Основным методом промышленного получения алюминия является метод электролиза глиноземного расплава в криолите. Электролитическое восстановление алюминия — это энергозатратное производство, поэтому алюминиевые заводы расположены в районах с ГЭС (дешевая электроэнергия), а производства глинозема — около месторождений алюминиевой руды.
Основным устройством для получения алюминия служит алюминиевая ванна или электролизер. В процессе электролиза алюминий, имеющий более высокую плотность, чем криолит, отделяется от расплава криолитоглинозема и опускается на дно ванны, где собирается и извлекается при помощи сифонов или вакуумных ковшей, засасывающих алюминий через трубу, введенную через слой электролита в жидкий алюминий. После этого алюминий очищают (хлорируют) и отливают в слитки.
Алюминий высокой чистоты вырабатывают путем дополнительного рафинирования (до 99,99% чистоты) или при помощи субсоединений (до 99,9995% чистоты).
Технология производства алюминия
Технология получения алюминия предполагает соблюдение следующих основных пунктов:
- создать глинозем из алюминиевых руд;
- получить алюминий из глинозема;
- рафинировать алюминий.
Чтобы получить глинозем, можно применить один из методов: кислотный, щелочной или электролитический. Самый распространенный метод – щелочной. В его основе лежит принцип введения алюминиевой гидроокиси, приводящий к быстрому процессу разложения алюминиевых растворов. Раствор, оставшийся после того, как его выпарят, при активном перемешивании способен растворить включающий в себя бокситы глинозем.
Стадии данного способа:
- Производят подготовку боксита, дробя его и измельчая вместе с известью и щелочью в специально предназначенных для этого мельницах с дальнейшим выщелачиванием полученной пульпы.
- Выщелачивают боксит, в результате чего получают красный шлам, остающийся в железных и титановых окислах, придающих ему красный оттенок.
- Отделяют красный шлам, промывая алюминатный раствор в сгустителях, с последующим его оседанием и фильтрацией оставшегося алюминатного раствора.
- Осуществляют разложение алюминатного раствора. Проводят его с помощью фильтрации и отправления в резервуары. Когда данный раствор охлаждается и перемешивается, из него отделяется гидроокись алюминия.
- Получают гидроокись алюминия.
- Производят полное высушивание алюминиевой гидроокиси. Этот процесс проходит в постоянно крутящихся печах. Во время прохождения через печь сырая алюминиевая гидроокись полностью обезвоживается.
Чтобы получить из глинозема алюминий, нужно пройти через такие стадии:
- Электролиз алюминиевой окиси.
- Переработка ее в хлорид алюминия с дальнейшим осуществлением электролиза хлорида алюминия, в результате чего выделившийся хлор отсасывают и направляют для повторного применения с дальнейшим оседанием алюминия.
- Освобождение алюминия путем воссоздания хлорида алюминия под действием марганца. В то время как хлор освобождается, происходит превращение хлорида марганца в его окись с дальнейшим восстановлением до состояния марганца, которое подойдет для повторного его использования.
Заключительный этап производства алюминия – его рафинирование. Поскольку для рафинирующего электролиза алюминия, когда водные растворы солей разлагаются, нет возможности, то трехслойный электролиз больше всего подходит для его рафинирования.
Зарождение производства
Датский физик Эрстед выделил первым алюминий в свободном виде в 1825 году. Химическая реакция проходила с хлоридом алюминия и амальгамой калия, вместо которой спустя два года немецкий химик Велер использовал металлический калий.
Калий – материал достаточно дорогой, поэтому в промышленном производстве алюминия француз Сент-Клер Девиль вместо калия в 1854 году использовал натрий, элемент значительно более дешевый, и стойкий двойной хлорид алюминия и натрия.
Русский ученый Н. Н. Бекетов смог вытеснить алюминий из расплавленного криолита магнием. В конце восьмидесятых годов того же века эту химическую реакцию использовали немцы на первом алюминиевом заводе. Во второй половине XVIII века было получено около химическими способами 20 т чистого металла. Это был очень дорогой алюминий.
Производство алюминия с помощью электролиза зародилось в 1886 году, когда одновременно были поданы практически одинаковые патентные заявки основоположниками этого способа американским ученым Холлом и французом Эру. Они предложили растворять глинозем в расплавленном криолите, а затем электролизом получать алюминий.
С этого и началась алюминиевая промышленность, ставшая за более чем вековую историю одной из самых крупных отраслей металлургии.