Производство первичного алюминия

Производство первичного алюминия включает три основных этапа (рисунок 1.1):

добыча бокситов;
производство глинозема;
выплавка алюминия

Рисунок 1.1 – Количество исходных сырьевых материалов
для производства одной тонны первичного алюминия

Добыча бокситов

Боксит

Боксит – это алюминиевая руда, порода из красноватого глинистого материала. Она состоит из соединений алюминия – различных гидроксидов алюминия, а также оксидов железа и кремния. Химический состав бокситов колеблется в широких пределах. Поэтому чаще эту руду называют во множественном числе – бокситы.

Добыча

Бокситы обычно находятся вблизи поверхности Земли и их добывают поверхностным способом. Во время добычи бокситы измельчают и передают их на производство глинозема.

При подготовке участка под добычу верхний слой почвы снимают и складывают для хранения. После полной отработки этого участка верхний слой почвы возвращают. Таким образом около 80 % земель бокситовых рудников возвращаются в местные экосистемы.

Производство и запасы

Каждый год в мире добывают около 160 миллионов тонн бокситов. Лидерами в добыче бокситов являются:

Австралия;
Китай;
Бразилия;
Индия и
Гвинея.

Мировые запасы бокситов оцениваются в 55-75 миллиардов тонн:

Африка (32 %);
Океания (23 %);
Южная Америка и Карибские острова (21 %);
Азия (18 %).

Производство глинозема

Способ Байера

Производство глинозема по способу Байера выполняют в четыре этапа:

Сначала боксит измельчают, промывают и высушивают. Затем его выщелачивают: растворяют в каустической соде при высокой температуре.
После этого полученную смесь отфильтровывают, что бы отделить примеси, которые называют «красным шламом». Оставшуюся «пульпу» передают в высокие цилиндрические баки, которые называют декомпозерами.
В декомпозерах горячий раствор начинает охлаждаться и выделять твердые кристаллы гидроксида алюминия. Гидроксид алюминия оседает на дне декомпозеров.
Наконец, гидроксид алюминия промывают от остатков каустической соды и прокаливают, чтобы удалить избыточную влагу. После этого получается мелкий белый порошок – оксид алюминия или глинозем.

Рисунок 1.2 – Извлечение глинозема из бокситов: метод Байера [2]

Оксид алюминия – это не только глинозем

Оксид алюминия применяют не только для производства первичного алюминия, где его называют глиноземом, но в других отраслях промышленности. Оксид алюминия применяют в качестве наполнителя при производстве пластиков. Это соединение также широко применяется в качестве абразива и является более дешевым заменителем промышленных алмазов. В больших количествах оксид алюминия применяют на нефтеперерабатывающих заводах для перевода опасного сульфида водорода в составе отходящих газах в чистую серу.

Глинозем может сверкать!

Оксид алюминия встречается в природе и в свободном состоянии. Этот минерал называют корундом. В особых условиях корунд принимает вид драгоценных камней сапфира и рубина. Из оксида алюминия производят искусственные сапфиры и рубины для применения в промышленных целях.

Выплавка алюминия

Первичный алюминий

Первичный алюминий в отличие от вторичного алюминия выплавляют непосредственно из природной алюминиевой руды и, действительно, один раз за весь его жизненный цикл. Вторичный алюминий извлекают из алюминиевого лома, может быть, уже не первый раз, путем его сортировки, очистки и переплавки.

Электролитический процесс Холла-Эру

В процессе Холла-Эру глинозем растворяют в расплавленном криолите внутри футерованного графитом стального электролизера. Сверху этой ванны установлены графитовые аноды. Аноды опускают в раствор и подают постоянный электрический ток большой силы, например, 150-170 кА или даже 400 кА. Атомы кислорода отделяются от атомов алюминия и соединяются с углеродом графитовых анодов. Образующийся алюминий скапливается на дне ванны.

Рисунок 2 – Электролиз алюминия в электролизере [2]

Расплавленный алюминий периодически отсасывается из ванны и передается раздаточную печь. Из раздаточной печи расплавленный алюминий поступает на разливку в слитки.

Приблизительно из каждых 4 тонн бокситов получают 2 килограмма глинозема. Из каждых 2 тонн глинозема производят 1 тонну алюминия.

Рисунок 3 – Баланс материалов и энергии при производстве первичного алюминия [2]

Роль электричества

Производство первичного алюминия становится экономически привлекательным только тогда, когда для него доступно большое количество достаточно дешевого электричества. В настоящее время стоимость электричества составляет от 20 до 40 % стоимости произведенного первичного алюминия.

За последние 50 лет потребление электричества при производстве 1 килограмма первичного алюминия сократилось на 50 %, в том числе на 10 % за последние 20 лет. Несмотря на остающуюся значительную энергоемкость существующей технологии на основе метода Холла-Эру, реальной замены ему в настоящее время не существует.

Источники:

Много дополнительной информации находится здесь:
Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys, Two-Volume Set (2019)