Способы получения алюминия: основные месторождения

О чём речь? Алюминий – это третий по распространенности элемент в земной коре. Он обладает уникальными свойствами, такими как легкость, прочность и отличная проводимость.

На что обратить внимание? Получение алюминия – сложный процесс, который требует значительных энергетических затрат.

Характеристика алюминия

Этот серебристо-белый химический элемент, относящийся к группе металлов, имеет относительно низкие удельный вес и температуру плавления, а также хорошо поддается обработке пластическим деформированием.

Алюминий часто встречается в земной коре. Он стоит на третьем месте из всех химических элементов и на первом – среди металлов.

Из физических свойств стоит упомянуть:

• высокие электро- и теплопроводность;
• устойчивость к воздействию низкой температуры;
• относительно низкую плотность – 2712 кг/м³;
• температуру плавления: +658 °C у технического алюминия и +660 °C у чистого металла;
• пластичность, позволяющую изготавливать тонкий листовой прокат и фольгу;
• хорошую свариваемость;
• высокую светоотражающую способность.

Среди химических свойств алюминия следует выделить:

• высокую химическую активность;
• способность быстро окисляться при контакте с атмосферным кислородом, формируя тонкую и прочную пленку из окислов, выполняющую в дальнейшем защитную функцию;
• способность реагировать с бромом и хлором при нормальных условиях;
• формирование соединений с азотом, йодом, кислородом, серой, фосфором и углеродом при нагревании;
• способность взаимодействовать с щелочами;
• легкое образование сплавов с другими металлами.

Чистого алюминия в природе практически не существует за исключением особых восстановительных сред, которые формируются, например, в местах, где магма выходит из жерла вулканов. Обычно этот металл встречается в виде различных соединений:

• корунда и его разновидностей – рубина, сапфира Падпараджа, лейкосапфира, звездчатого рубина и т. д.;
• бемита;
• диаспора;
• хризоберилла (александрита);
• гиббсита;
• кианита;
• каолинита;
• мусковита;
• алунита (квасцового камня);
• анортита;
• андалузита;
• нефелина;
• сподумена;
• силлиманита;
• криолита;
• альбита;
• ортоклаза;
• берилла;
• шпинели;
• полевого шпата;
• слюды.
• боксита;
• глиноземов.

Основные свойства алюминия

Как уже упоминалось, алюминий обладает высокой химической активностью, но благодаря быстрому формированию оксидной плотности при контакте с атмосферным кислородом получает достаточно надежную защиту от дальнейшего окисления. По этой причине алюминиевая фольга широко применяется для упаковки продуктов питания.

Итак, перечислим еще раз основные физические характеристики этого металла и сравним их со свойствами железа:

• удельная плотность – 2,7 г/см³ (для железа этот показатель равен 7,85 г/см³);
• температура плавления +600 °C (у железа +1535 °C);
• более высокие тепло- и электропроводность (по сравнению с железом);
• парамагнетизм – металл приобретает намагниченность, направление которой совпадает с вектором напряженности внешнего магнитного поля;
• алюминий обладает объемной гранецентрированной металлической кристаллической решеткой.

На физических и технологических характеристиках алюминия, восстановленного из оксидов, сказываются состав и процентные доли примесей (кремния, цинка, титана, железа, меди и т. д.): чем их меньше, тем большими электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью он обладает (а значит – выше его стоимость). Из основных механических параметров специалисты выделяют следующие: Al после формовки обладает пределом прочности, равным 150 МПа при относительном удлинении 50 %.

Из химических свойств алюминия следует упомянуть следующие:

• Металл химически активен. В виде мелкой фракции при нагревании с ним активно взаимодействуют кислород, фосфор, сера, азот, йод, углерод, а при комнатной температуре – бром, хлор и щелочи.
• При взаимодействии с другими элементами из группы металлов алюминий образует сплавы с содержанием интерметаллических соединений – алюминидов.
• Оксидная пленка, покрывающая поверхность алюминия при контакте с атмосферным воздухом, обуславливает высокую устойчивость к воздействиям кислорода, пресной и соленой воды, органических кислот, концентрированного и разбавленного раствора азотной кислоты. Если повредить защитный слой, металл начинает активно взаимодействовать с H₂O.

Технологии промышленного получения алюминия

Первым, кто начал догадываться о существовании алюминия еще в XVI веке, был Парацельс, которому удалось выделить из квасцов окислы неизвестного металла. Через два столетия Андреас Сигизмунд Маргграф сумел повторить этот опыт, получив из «квасцовой земли» элемент, название которого переводится с латинского как «вяжущий», а выделить само вещество удалось Хансу Эрстеду в 1825 году. Позже были разработаны экономически эффективные способы получения алюминия.

Для выплавки алюминия обычно используют бокситы – вторичные породы, образующиеся в результате распада первичных алюмосиликатов, формирующихся под действием экстремально высокой температуры при извержении вулканов. В РФ для получения этого металла в основном используют нефелиновые руды из месторождений Кольского полуострова и Кемеровской области.

При добыче алюминия происходит также образование вторичных продуктов – портландцемента, соды и минеральных удобрений.

В конце позапрошлого столетия российские ученые разработали технологию, позволяющую получать оксид алюминия (глинозем) из бокситной руды, которую принято называть щелочным методом Байера. Температура плавления Al₂O₃ – прочного химического соединения – составляет +2050 °C. Для получения чистого металла его восстанавливают с помощью электролиза.

Чтобы получить особо чистый алюминий, применяют трехслойное электролитическое рафинирование, электролиз в органических растворах группы алкилов, фракционную кристаллизацию зонной плавкой или дистилляцию через субгалогениды.

Производство алюминия

Алюминий – один из наиболее востребованных материалов, применяемых сегодня в промышленном производстве. Но существующие способы его получения относительно сложные, выполняются в несколько этапов, на каждом из которых затрачиваются большие энергетические, транспортные и сырьевые ресурсы, а также задействован многочисленный персонал.

Добыча бокситов

Основной вид сырья для производства алюминия в промышленных масштабах – бокситовая руда, которая считается качественной, если содержит искомый минерал в процентной доле от 50 % и выше. Обычно это глиноподобная красно-коричневая масса. Производительность добычи зависит от морфологии бокситов, состава породы, глубины залегания руды и т. д.

Чтобы добыть бокситовую руду, используют как открытый, так и закрытый способы. Последний применяется реже и требуется, если рудные тела залегают на глубине от 0,5 км и ниже. При этом требуется выполнение бурильных, взрывных работ, использование селективных методов и фрезерных технологий.

Производство глинозема

Далее пользуются уже упомянутым выше щелочным методом Баейра (девять из каждых десяти тонн глинозема в мире получают именно по этой технологии). В результате выделяется оксид алюминия Al₂O₃, который представляет собой белую порошкообразную массу.

Дробление

На первом этапе бокситовую руду раздавливают и раскалывают, чтобы получить фрагменты требуемого размера, которые затем размалывают. Эта процедура необходим для того, чтобы раскрыть зерна – только в этом случае из сырья можно извлечь максимальное количество алюминия.

Выщелачивание

Далее изготавливается взвесь раздробленного глинозема в концентрированном щелочном растворе с добавлением извести. Полученная в результате масса представляет собой густую суспензию, состоящую из алюмината натрия и посторонних примесей, изначально входивших в состав бокситовой руды – так называемого красного шлама. Далее пульпу избавляют от балласта, а оставшийся материал отравляют на декомпозицию.

Декомпозиция

В ходе данного процесса из суспензии выделяют осадок – кристаллический алюминат натрия. Во время этой сложной длительной обработки материал разбавляется водой, а затем охлаждается с помощью трубчатых теплообменников.

Процесс протекает в два этапа и состоит из:

• гидролиза суспензии, в результате которого образуется гидроокись алюминия;
• кристаллизации, которую ускоряют, добавляя специальную затравку и перемешивая раствор.

Электролиз

Далее раствор, нагретый до +950 °С, подвергают электролизу в емкостях с расплавленным криолитом. Для этого через жидкость пропускается электрический ток силой от 400 килоампер и выше, что позволяет отделить O от Al. Собравшийся внизу расплав чистого металла отливают в слитки или используют при изготовлении сплавов.

Литейное производство

Чистый алюминий в производстве практически не используют, добавляя легирующие элементы для увеличения прочности. Сплавы принято делить на две категории, они бывают:

• литейными;
• деформируемыми (конструкционными) – такие соединения предназначены для изготовления изделий пластическим деформированием заготовок (термическое воздействие при этом оказывается не всегда).

Для того чтобы придать алюминиевому сплаву те или иные физические, химические и технологические свойства, при его изготовлении в расплав вносят легирующие добавки:

• Наиболее часто с этой целью используются магний, марганец, медь, кремний и цинк.
• Реже в качестве легирующих элементов пользуются бериллием, литием, цирконием или титаном.

Качественные алюминиевые сплавы с легирующими добавками отличают следующие качества:

• способность заполнять сложные литейные формы;
• малый удельный вес;
• коррозионная стойкость;
• высокие прочность и твердость;
• хорошая обрабатываемость.

По назначению сплавы на основе алюминия бывают:

• конструкционными герметичными (их отличают высокая коррозионная стойкость и жидкотекучесть);
• коррозионностойкими – такие соединения обладают высокой устойчивостью к агрессивным химическим средам и воде, хорошо свариваются и относительно легко режутся;
• жаропрочными, то есть способными сохранять заданные характеристики при нагревании до высокой температуры.

Прокат

Для изготовления фольги, листов и полос алюминиевые заготовки подвергают холодной или горячей прокатке на специальных станах. Далее они используются в производстве прутков, труб и разнообразных профилей. Такая продукция широко применяется в самых разных областях промышленного производства и в быту.

Экструзия

Так называется процесс формования алюминиевых профилей путем принудительного проталкивания раскаленного металла через специальную матрицу. Данная технология позволяет добиваться высокой точности при изготовлении изделий с заданной формой поперечного сечения. Больше всего это похоже на использование обычной мясорубки. В ходе продавливания через отверстия шаблона материал уплотняется и приобретает дополнительную прочность.

Месторождения в России и в мире

На территории Российской Федерации сегодня зарегистрированы пять десятков месторождений алюминиевой руды. География их местоположения широка: Архангельская, Белгородская, Свердловская области и Республика Коми.

В мире основные месторождения бокситовых руд находятся в:

• Африке (Гвинея и ряд стран в центральной и западной частях континента);
• Южной Америке (Бразилия, Венесуэла, Гайана и Суринам);
• Карибском бассейне (Ямайка);
• Европе (Греция и ряд регионов РФ);
• Азии (Индия, Китай, Турция);
• Австралии.

По всему миру на сегодняшний день ежегодно выплавляется около 60 000 000 т алюминия, из них в:

• Китае – 33 000 000 т;
• Российской Федерации – 3 710 000 т;
• Индии – 3 680 000 т;
• Канаде – 2 900 000 т;
• Объединенных Арабских Эмиратах – 2 600 000 т;
• Австралии – 1 600 000 т;
• Норвегии – 1 350 000 т;
• Бахрейне – 995 000 т;
• Саудовской Аравии – 916 000 т.
• Соединенных Штатах Америки – 890 000 т.

По выплавке алюминий опережает остальные цветные металлы, а среди всех других уступает только стальным сплавам.

Применение алюминия

Чаще всего алюминий в промышленности используется в сплавах. Наиболее часто применяемые легирующие добавки в них: медь, магний, титан, цинк, никель и железо.

В чистом виде металл используется для изготовления кабелей, проводов и других токопроводящих изделий. Из него изготавливают зеркала-отражатели, специальную химическую аппаратуру и емкости для перевозки сжиженных газов (метана, кислорода, водорода), азотной и уксусной кислот, воды, масел. Кроме того, из алюминия выполняют конструктивные элементы, используемые в ядерной энергетике.

Чистый Al может выступать раскислителем при выплавке стальных сплавов, а также при получении металлов методом алюминотермии. В виде порошка данный химический элемент используется в твердотопливных ракетных двигателях и входит в состав многих взрывчатых веществ. Также его применяют для формирования защитных покрытий на поверхности металлических деталей путем плакирования или нанесения специальных алюмокрасок.

Из алюминиевых сплавов делают конструктивные элементы, используемые в строительстве. Также они широко используются в производстве бытовой техники (холодильников, стиральных машин, кондиционеров и т. д.), применяются при изготовлении кипятильников, кастрюль и прочей посуды, мебельной фурнитуры, спортивного инвентаря, лодок, упаковок для продуктов питания – консервных банок, туб, тетрапаков, дойпаков, одноразовых емкостей и т. п.

С помощью солей алюминия дубят кожи, протравливают ткани при покраске, а гидроксид этого металла применяется в лечебных целях в качестве обволакивающего и адсорбирующего средства.

Переработка алюминия

При переработке алюминиевых отходов используются технологии, позволяющие соблюдать требования экономической целесообразности и охраны окружающей среды. Этот металл можно долго хранить благодаря его коррозионной стойкости. Спрессованный лом алюминия компактен, а на переработку затрачивается относительно немного электрической энергии.

Сырьем для вторичной выплавки алюминия служат:

• электротехнические изделия, изготовленные из относительно чистого металла;
• посуда и емкости для пищевых продуктов;
• профили и мебельная фурнитура;
• детали двигателей, для изготовления которых часто используется силумин;
• элементы самолетных, вертолетных, лодочных каркасов и кузовов.

Потребители получают металл после сортировки, прессования, просушки, плавки и отливки в формы.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.