Aluminium 

Производство первичного алюминия

Производство первичного алюминия в слитках включает следующие этапы:

  • добыча бокситов;
  • извлечение из бокситов глинозема (оксида алюминия);
  • электролиз алюминия из глинозема;
  • обработка расплава алюминия и разливка его в слитки.

Производство первичного алюминия из бокситов [2]

Добыча бокситов и производство глинозема

Исходная руда для производства алюминия – бокситы – довольно распространена по всему миру и добывается открытым способом. Бокситы являются смесью соединений алюминия – гидроксидов алюминия, а также оксидов железа и кремния. Из бокситов, в основном методом Байера, получают глинозем. Глинозем – это технический оксид алюминия (Al2O3), порошок белого цвета.

Производство глинозема методом Байера [1]

Электролиз первичного алюминия

Металлический (первичный) алюминий выплавляют из глинозема путем электролиза методом Холла-Эру. Это происходит в электролизерах, которые представляет собой ванну с расплавленным криолитом. Этот расплавленный криолит является электролитом в этом электрохимическом процессе. Типичный электролизер имеет длину около 5-10 м. Катодом в этом электролитическом процессе является дно ванны электролизера, которое футеровано углеродными блоками.

Аноды представляют собой массивные угольные блоки, которые постепенно погружаются в криолит по мере их сгорания. Поэтому угольные аноды требуют постоянной замены, и это составляет значительную часть работы и расходов. Криолит (Na3AlF6) в процессе электролиза практически не расходуется.

Глинозем постепенно добавляют в электролизер сверху расплава, где он расплавляется. Температура в ванне электролизера составляет 950-970 °С. Капли жидкого алюминия образуются и скапливаются на дне ванны. Это и есть первичный алюминий. Расплавленный алюминий выходит из электролизера при температуре около 900 °С.

Прямой электрический ток, который подают к электролизеру, имеет обычно напряжение 4-5 вольт и силу тока около 150000 А.

На производство 1 кг алюминия требуется примерно:

  • 2 кг глинозема
  • 0,5 кг каменного угля и
  • 15 киловатт-часов электрической энергии.

Один электролизерный цех может содержать 600-700 электролизеров и иметь длину до 1 километра.

Электролизер [1]

Обработка первичного алюминия

На территории электролизерного цеха обычно располагают литейное отделение, в которое по минимальным путям поступают потоки жидкого первичного алюминия из корпусов электролизеров. В литейном отделении располагаются большие отражательные печи (миксеры) с электрическим обогревом.

Обычно для повышения качества продукции устанавливают последовательно две спаренные отражательные печи. Одна печь – “отстойник” – предназначена для приема, отстаивания, усреднения температуры и химического состава металла. Другая печь – “разливочная” или “раздаточная” – предназначена для разливки различных видов продукции. Обычно эти печи являются стационарными, что в отличие от наклоняемых печей позволяет вести непрерывный процесс литья.

Жидкий алюминий выдерживают в печи в течение 30-45 минут при температуре 690—730 °С для всплывания и осаждения неметаллических включений, а также выделения газов из металла.

Примеси удаляют из алюминиевого расплава путем рафинирования. Для этого его обычно продувают хлором. Образующийся газообразный хлористый алюминий, проходя через расплав, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла в виде шлака, который механически удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии. После рафинирования чистота первичного алюминия достигает 99,5-99,85 %.

Разливка первичного алюминия в изложницы

Разливку чушек – небольших стандартизированных слитков для дальнейшего переплава – обычно производят в изложницы на разливочной машине конвейерного типа.  Разливку металла в изложницы ведут короткой ровной струей. После заполнения изложниц с поверхности металла удаляют оксидную пленку. Эти машины оборудуют устройством для механического клеймения чушек и системой воздушного или водяного охлаждения изложниц.

Экономическая география первичного алюминия

Главными расходными материалами и ресурсами при производстве первичного алюминия являются:

  • бокситы;
  • каменный уголь (кокс) и
  • электрическая энергия.

К сожалению, эти три составляющих никогда не находятся на Земле в одном и том же месте. Поэтому для производств первичного алюминия обычно выбирают места вблизи гидроэлектрических станций с дешевой электрической энергией. Эти электростанции могут находиться в нескольких тысячах километров от источника глинозема и от рынков сбыта алюминиевых слитков.

Источник:

  1. The Metal Aluminium – Материалы Алюминиевой Ассоциации Германии 
  2. TALAT 1100.01

Дополнительно:
Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys, Two-Volume Set (2019)