Производство алюминия от сырья до технологии

Бокситовая руда – основа мирового производства алюминия

Непосредственно сам серебристый металл получают из глинозема.

Это сырье представляет собой оксид алюминия (Аl2О3), получаемый с руд:

• Бокситов;
• Алунитов;
• Нефелиновых сиенитов.

Самый распространенный источник получения исходного материала это бокситы, их и считают основной алюминиевой рудой.

Несмотря на уже более чем 130 летнюю историю открытия, понять происхождение алюминиевой руды до сих пор не удалось. Возможно, что попросту в каждом регионе сырье образовалось под воздействием определенных условий. И это создает затруднения, чтобы вывести одну универсальную теорию об образовании бокситов.

Основных гипотез происхождения алюминиевого сырья три:

1. Они образовались вследствие растворения некоторых типов известняков, как остаточный продукт.
2. Боксит получился в результате выветривания древних пород с дальнейшим их переносом и отложением.
3. Руда является результатом химических процессов разложения железных, алюминиевых и титановых солей, и выпала как осадок.

Однако, алунитовые и нефелиновые руды образовывались в отличных условиях от бокситов. Первые формировались в условиях активной гидротермальной и вулканической деятельности. Вторые — при высоких температурах магмы.

Как результат, алуниты, в основном, имеют рассыпчатую пористую структуру. В их составе имеется до 40% различных оксидных соединений алюминия. Но, кроме собственно самой алюмниеносной руды в залежах, как правило, имеются добавки, что влияет на рентабельность их добычи. Считается выгодным разрабатывать месторождение при 50-ти процентном соотношении алунитов к добавкам.

Нефелины обычно представлены кристаллическими образцами, которые кроме алюминиевого оксида содержат добавки в виде различных примесей. Зависимо от состава, такой тип руды классифицируют по типам. Самые богатые имеют в своем составе до 90% нефелинов, второсортные 40-50%, если минералы беднее этих показателей, то не считается нужным вести их разработку.

Имея представления, о происхождении полезных ископаемых, геологическая разведка может довольно точно определить места нахождения залежей алюминиевых руд. Также условия формирования, влияющие на состав и структуру минералов, определяют способы добычи. Если месторождение считается рентабельным, налаживают его разработку.

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.

Особенности алюминиевой руды

Руда — это природное минеральное образование, в составе которого содержится определенный металл или минерал. В чистом виде алюминия в природе практически нет, потому добывают его из алюминиевой руды. В земной коре ее содержание составляет около 9%. Сегодня насчитывается порядка 250 разновидностей минеральных соединений, включающих алюминий, но не все из них выгодны в обработке. Наиболее ценными для алюминиевой промышленности считаются следующие типы руды:

• бокситная;
• алунитовая;
• нефелиновая.

Бокситная чаще всего используется как сырье для добычи металла, ведь именно она содержит до 60% оксидов алюминия. Еще состав включает оксиды кремния и железа, кварц, магний, натрий и другие химические элементы и соединения. В зависимости от состава, бокситы имеют разную плотность. Цвет горной породы преимущественно красный или серый. Для производства 1 тонны алюминия необходимо 4,5 тонны боксита.

Алунитовая руда не сильно отстает от бокситной, так как содержит до 40% глинозема — основного поставщика алюминия. Отличается пористой структурой и имеет немало примесей. Добыча алюминия рентабельна только тогда, когда общее количество алунитов равноценно совокупности добавок.

Нефелины — это щелочная порода магматического происхождения. По содержанию оксидов алюминия они занимают третье место. Из первого сорта нефелиновой руды можно переработать от 25% и более глинозема. Из второго сорта — до 25%, но не менее 22%. Все минеральные соединения, включающие оксиды алюминия меньше этого значения, не имеют промышленной ценности.

Топливно-энергетический фактор.

Само по себе производство металлического алюминия является очень энергоемким процессом. Так для производства всего 1 тонны металла необходимо около 2 тонн бокситов и более чем полтонны угольных анодов. Но это мелочи по сравнению с количеством электроэнергии, ее необходимо более 18 МВт-Ч, именно это и является главным фактором при выборе места расположения предприятий по производству алюминия. Стоимость перевозки сырья, не идет ни в какое сравнение со стоимостью электроэнергии.

Именно поэтому уже сейчас четко прослеживается разделение на регионы, в которых происходит добыча исходного сырья, и где происходит непосредственно плавка. Россия тоже не стала исключением. Уверенно удерживая второе место в мире по производству алюминия, отечественная промышленность испытывает огромную потребность в бокситах, почти треть всего объема сырья импортируется. А больше всего предприятий по производству находятся именно в восточных регионах, где существуют огромные генерирующие мощности, использующие энергию рек. Кроме того, производство требует и наличие больших запасов воды, что тоже сыграло свою роль. Но такое распределение существовало не всегда, проследить это можно также на примере России.

Программное обеспечение

Не забывайте, что резать алюминиевый профиль лучше станком, который управляется специальной программой. Она сильно удешевляет себестоимость продукции, так как все расчеты производятся буквально за пару минут.

Конечно, тот же архитектор сможет выполнить все это и вручную, но тогда времени на это уйдет в десятки раз больше. То ли дело программа! Стоит подобное ПО в районе пары тысяч долларов.

Кстати, а что можно сделать из алюминия в принципе? Из профиля производят каркасы для стеклопакетов и дверей, теплиц и небольших торговых точек. Из алюминия же изготавливают основы для рекламных бигбордов, а также всю аналогичную продукцию.

Словом, без клиентов вы точно не останетесь! Да и деньги у вас тоже будут, так как алюминиевые изделия и конструкции с каждым годом только дорожают.

Технология разработки алюминиевых залежей. Способы добычи алюминиевой руды

Способы добычи алюминиевой руды

При незначительной глубине залегания алюминиеносных пород их добыча ведется открытым способом. Но, сам процесс срезания пластов руды будет зависеть от ее вида, и структуры.

Кристаллические минералы (чаще бокситы, или нефелины), снимают фрезерным способом. Для этого используются карьерные комбайны. Зависимо от модели такая машина может вести срез пласта толщиной до 600 мм. Толща породы разрабатывается постепенно, образуя после прохода одного слоя полки.

Это делается для безопасного положения кабины оператора и ходовых механизмов, которые в случае непредвиденного обвала будут находиться на безопасном расстоянии.

Рыхлые алюминиевоносные породы исключают использование фрезерной разработки. Так как их вязкость забивает режущую часть машины. Чаще всего такие типы пород могут срезать при помощи карьерных экскаваторов, которые тут же грузят руду на самосвалы, для дальнейшей транспортировки.

Транспортирование сырья – это отдельная часть всего процесса. Обычно обогатительные комбинаты по возможности стараются возводить неподалеку от разработок. Это позволяет использовать ленточные транспортеры для подачи руды на обогащение. Но, чаще изъятое сырье перевозят самосвалами.
Следующий этап, обогащение и подготовка породы для получения глинозема.

1. Руду при помощи ленточного транспортера перемещают в цех подготовки сырья, где может использоваться насколько дробильных аппаратов, измельчающих минералы поочередно до фракции приблизительно в 110 мм.
2. Второй участок подготовительного цеха осуществляет подачу подготовленной руды, и дополнительных добавок на дальнейшую переработку.

• Следующий этап подготовки, это спекание породы в печах.

Также на этом этапе, возможна обработка сырья выщелачиванием   крепкими щелочами. Результатом становится жидкий алюминатный раствор (гидрометаллургическая обработка).

1. Алюминатный раствор проходит стадию декомпозиции. На данном этапе получают алюминатную пульпу, которую в свою очередь отправляют на сепарацию, и выпаривание жидкой составляющей.
2. После чего данную массу очищают от ненужных щелочей, и направляют на прокалку в печах. В результате такой цепочки образуется сухой глинозем необходимый для получения алюминия путем гидролизной обработки.

Сложный технологический процесс требует большого количества топлива, и известняка, а также электроэнергии. Это является основным фактором расположения алюминиевых комбинатов – возле хорошей транспортной развязки, и нахождения рядом залежей необходимых ресурсов.

Однако существует и шахтный способ извлечения, когда порода из пластов вырубается по принципу добычи каменного угля. После чего руду отправляют на подобные производства по обогащению, и извлечению алюминия.

Одна из самых глубоких «алюминиевых» штолен находится на Урале в России, ее глубина достигает 1550 метров!

Страны лидеры по добыче алюминиевых руд

Основные месторождения алюминия сосредоточены в регионах с тропическим климатом, а большая часть 73% залежей приходятся на всего 5 стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. Из них самые богатые запасы имеет Гвинея более 5 млрд. тонн (28%от мировой доли).

Пятерка лидеров стран по добыче алюминиевой руды представлена в таблице

Также к основным добытчикам алюминиевых руд относятся: Ямайка (9,7 млн. т.), Россия (6,6), Казахстан (4,2), Гайана (1,6).

Известные производители

Наиболее крупным производителем алюминия является , которая производит более 4 млн. т алюминия в год. Также в список крупнейших производителей алюминия в России входят:

• Специализирующаяся на работе с алюминиевыми сплавами;
• АО «БАЗ», работающее на производстве и добыче глинозема и гидрооксида алюминия;
• ВгАЗ, завод по производству первичного алюминия.

Производство алюминия представляет собой сложный процесс, требующий необходимого оборудования, знания технологии, соблюдения особых условий и трудовых затрат. Зато изготовление различных изделий из алюминия — дело популярное.

Разработка месторождений алюминиевых руд в России

В нашей стране есть несколько богатых залежей алюминиевых руд, сосредоточенных на Урале, и в Ленинградской области. Но, основным способом добычи бокситов у нас, является более трудоемкий закрытый шахтный метод, которым извлекают около 80% от общей массы руд в России.

Лидеры по разработке месторождений – акционерное общество «Севуралбокситруда», АО Бакситогорский глинозем, Южно-Уральские бокситовые рудники. Однако их запасы исчерпываются. Вследствие чего России приходится импортировать около 3 млн. тонн глинозема в год.

В общей сложности на территории страны разведано 44 месторождения различных алюминиевых руд (бокситов, нефелинов), которых по оценкам, должно хватить на 240 лет, при такой интенсивности добычи как сегодня.

Импорт глинозема обусловлен низким качеством руды в залежах, например, на месторождении Красная Шапочка добывают боксит с 50% глиноземным составом, тогда как в Италии извлекают породу с 64% оксида алюминия, а в Китае 61%.

Страны лидеры по добыче алюминиевых руд

Основные месторождения алюминия сосредоточены в регионах с тропическим климатом, а большая часть 73% залежей приходятся на всего 5 стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. Из них самые богатые запасы имеет Гвинея более 5 млрд. тонн (28%от мировой доли).

Если разделить запасы и объемы по добыче, то можно получить следующую картину:

• 1-е место – Африка (Гвинея).
• 2-е место – Америка.
• 3-е место – Азия.
• 4-е место – Австралия.
• 5-е – Европа.

Пятерка лидеров стран по добыче алюминиевой руды представлена в таблице

Также к основным добытчикам алюминиевых руд относятся: Ямайка (9,7 млн. т.), Россия (6,6), Казахстан (4,2), Гайана (1,6).

Применение алюминиевой руды

В основном до 60% рудного сырья используется для получения алюминия. Однако богатый состав позволяет извлекать из него, и другие химические элементы: титан, хром, ванадий и прочие цветные металлы, необходимые в первую очередь в качестве легирующих добавок для улучшения качеств стали.

Как вспоминалось выше технологическая цепочка получения алюминия обязательно проходит через стадию образования глинозема, который также используют в качестве флюсов в черной металлургии.

Богатый состав элементов в алюминиевой руде используется и для производства минеральной краски. Также способом плавки производится глиноземный цемент – быстро застывающая прочная масса.

Еще один материал, получаемый из бокситов – электрокорунд. Его получают путем плавления руды в электропечах. Это очень твердое вещество, уступающее только алмазу, что делает его востребованным в качестве абразива.

Также в процессе получения чистого металла образуются отходы – красный шлам. Из него извлекают элемент – скандий, который применяется в производстве алюминиево-скандиевых сплавов, востребованных в автомобильной промышленности, ракетостроении, выпуске электроприводов, и спортивного оборудования.

Производительность литейного цеха

Полный цикл производства слитков, который определяет производительность всего литейного цеха, зависит от трех основных факторов:

• скорость загрузки шихты в плавильную печь;
• скорость плавления металла в плавильной печи;
• скорость литья литейной машины.

Скорость загрузки шихты

Загрузку шихты – алюминиевых отходов, лома, чушек – производят несколькими различными методами. На небольших заводах обычно применяют комбинацию ручной и механической загрузки.

Скорость плавления металла

Скорость плавления металла в плавильной печи зависит от мощности горелки (горелок) и от площади пода печи. Размеры пода определяют величину площади, по которой происходит теплообмен между продуктами сгорания горелок, а также сводом печи с загруженной в печь шихтой (см. также Плавление алюминия).

Скорость литья столбов

Скорость литья столбов зависит от их диаметра. Столбы с популярным для алюминиевых сплавов 6000 диаметром 152 мм имеют скорость литья около 130 мм в минуту. Для столбов с типичной длиной 6000 мм длительность разливки составляет около 50 минут. 15-20 минут может понадобиться, чтобы извлечь отлитые столбы из литейного колодца. Длительность подготовка литейного стола в зависимости от его конструкции может занимать от 10 минут до 1 часа.

Характеристика факторов размещения производства

Под сырьевым фактором понимается размещение предприятий у источников сырья для получения определенной продукции: около месторождений полезных ископаемых, крупных водных объектов, в лесных зонах и т. п. Размещение таких производств вблизи источников сырья исключает перевозку больших объемов и снижает расходы предприятий. Поэтому производства организуются как можно ближе к источникам сырья. Готовая продукция предприятий будет более дешевой за счет снижения расходов на доставку сырья. Сырьевой фактор оказывает значительное влияние на размещение целого ряда промышленных производств: например, на производство калийных удобрений, цемента, лесопиление, обогащение руд цветных металлов.

Топливный фактор, как и сырьевой, оказывает такое же влияние на размещение производства. Он является определяющим в размещении отраслей, использующих для производства продукции большие объемы минерального топлива: угля, природного газа, мазута. К таким отраслям относятся теплоэнергетика, отдельные производства черной металлургии, химической промышленности. Так, наиболее мощные тепловые электростанции в США, России, Китае построены вблизи крупных угольных месторождений. У месторождений угля размещаются многие предприятия по производству чугуна и стали.

Энергетический фактор влияет на размещение производств, в которых на создание единицы продукции потребляется большое количество преимущественно электрической энергии. Такие производства называются энергоемкими. К ним относится производство многих легких цветных металлов (алюминия, титана и др.), химических волокон, бумаги. Предприятия по производству энергоемкой продукции размещаются в тех районах, где в больших объемах производится преимущественно дешевая электроэнергия, например около крупных гидроэлектростанций.

Трудовой фактор оказывает решающее влияние на размещение производств, основанных на использовании большого количества трудовых ресурсов, в том числе высококвалифицированных специалистов. Это трудоемкие производства. Например, в легкой промышленности к таким производствам относится швейное производство. В сельском хозяйстве наиболее трудоемкими являются рисоводство, овощеводство, плодоводство. Производство электронного оборудования, персональных компьютеров предполагает использование квалифицированных кадров. Ориентированные на трудовой фактор, эти производства размещаются преимущественно в густонаселенных районах с дешевой рабочей силой.

Потребительский, или рыночный, фактор влияет на размещение отраслей, производящих продукцию, пользующуюся широким, иногда повседневным, спросом у населения. Это продукты питания, одежда, обувь, бытовая техника и др. Такие производства ориентируются на потребителя и размещаются практически во всех крупных населенных пунктах.

Роль транспортного фактора важна для всех отраслей, продукция которых потребляется не на месте ее производства, а поставляется в другие районы. Все предприятия заинтересованы в снижении расходов на доставку готовой продукции в районы ее потребления. Поэтому многие производства размещаются возле крупных транспортных узлов, в морских портах, на линиях магистральных железных дорог, нефтепроводов. Мозырский нефтеперерабатывающий комбинат был построен рядом с нефтепроводом «Дружба».

При размещении производств большое значение приобретает экологический фактор, связанный с охраной окружающей среды. Этот фактор ограничивает создание производства, если оно может нанести вред окружающей среде. К производствам, которые характеризуются большими выбросами загрязняющих веществ или иным вредным воздействием на окружающую среду, предъявляются повышенные экологические требования. Их запрещается размещать в крупных городах и густонаселенных районах. На этих предприятиях должны использоваться современные малоотходные технологии и возводиться сооружения по очистке выбросов.

В современных условиях роль экологического фактора возрастает — он влияет на размещение всех производств

Наиболее важно учитывать экологический фактор при размещении предприятий химической промышленности, металлургии, энергетики, особенно при строительстве АЭС

Охлаждение слитков после гомогенизации

Повышенная скорость и однородность охлаждения столбов после нагрева садки столбов в печи гомогенизации являются очень важными. При медленном и неоднородном охлаждении садки в столбах может формироваться неблагоприятная структура металла.

Опыт показывает, что собственный литейный цех завода по прессованию алюминиевых профилей способен производить слитки-столбы высокого качества. Несмотря на то, что основным исходным сырьем таких цехов являются собственные технологические отходы алюминия и вторичный алюминий, они способны производить слитки, которые не уступают по качеству слиткам крупнейших производителей слитков из первичного алюминия. Залогом этого является правильно подобранное оборудование, а также мотивированный и квалифицированный персонал.

Свойства алюминиевой руды

Боксит представляет собой сложное соединение оксидов алюминия, железа и кремния (в виде различных кварцев), титана, а также с небольшой примесью натрия, циркония, хрома, фосфора и прочих.

Самым важным свойством в производстве алюминия является «вскрываемость» бокситов. То есть насколько просто будет отделить от него ненужные кремниевые добавки, чтобы получить исходное сырье для выплавки металла.

Основа получения алюминия – глинозем. Чтобы он образовался, руду перемалывают в мелкий порошок, и прогревают паром, отделяя большую часть кремния. И уже эта масса будет сырьем для выплавки.

Чтобы получить 1 тонну алюминия, потребуется около 4-5 тонн бокситов, с которых после обработки образуется около 2 тонн глинозема, а уже потом можно получить металл.

Оборудование для производства

В зависимости от выбранной стадии производства алюминиевого профиля оборудование для производства бывает литейного цикла и прессового. Для литейного цикла самым важным оборудованием считаются специальные газовые печи для плавки алюминиевых сплавов, литейные линии, разливочные столы, миксер поворотный, ковши разливочные, смесители, машины для литья и т.д. Данное оборудование является довольно дорогостоящим и требует серьезных финансовых вложений, в зависимости от страны производителя.

Для работы прессового цеха по производству профиля используются печи для подогрева алюминиевых чушек (заготовок), режущая пила для заготовок, разнообразные линии по подаче и обработке заготовок, пресс-экструдер, печи для отжига готовых изделий.

Это далеко не полный перечень всего оборудование, которое необходимо для организации полного цикла производства. С учетом роста рынка и возрастающими потребностями в использовании профилей в различных сферах жизни, в технологии изготовления задействованы инструменты, подъемные механизмы, лабораторные и измерительные приборы для контроля качества изделий на всех стадиях производства.

Процесс рафинирования алюминия при производстве алюминия

Рафинирующий электролиз с разложением водных солевых растворов для алюминия невозможен. Так как степень очистки промышленного алюминия, который получен путем электролиза криолитоглиноземного расплава, для некоторых целей будет недостаточна, то из отходов металла и промышленного алюминия благодаря рафинированию получают алюминий еще более чистый. Самым распространённым методом рафинирования является трехслойный электролиз.
Алюминий применяется в изготовлении взрывчатых веществ (алюмотол, аммонал). Широко используются разнообразные соединения алюминия. Производство и потребление алюминия постоянно растет, сильно опережая по темпам роста производство меди, стали, цинка, свинца.

Алюминиевая продукция

Виды продукции

Алюминий и его сплавы могут отливаться или формоваться в готовые изделия и полуфабрикаты практически любым из всех известных технологических процессов, применяемых для металлов. По их форме изделия делят на стандартные и «по чертежам заказчика».

Первые включают алюминиевые листы, плиты, фольгу, прутки, проволоку, трубы и конструкционные профили (уголки, тавры, двутавры и тому подобное).

Изделия «по чертежам заказчика» (по-английски их называют «engineered products») разрабатываются для какого-то специального применения и включают прессованные профили, поковки, отливки, а также в значительно меньших количествах изделия порошковой металлургии, ударного прессования и других. Около половины из них приходится на листы, плиты и фольгу, около 20 % — на прессованные профили и трубы.

Экструзия алюминия

Экструзия (или, более официально, по-русски и привычно, «прессование») алюминия и его сплавов — это процесс пластического деформирования, при котором заготовку, обычно часть круглого слитка («столба»), продавливают или выдавливают через одно или несколько отверстий матрицы – специального прессового инструмента.  Для этого применяют специальное оборудование – экструзионные прессы, как правило, гидравлические, которые обеспечивают на штоке (пресс-штемпеле, пуансоне), который непосредственно «давит, прессует» заготовку, усилие от 500 до 4000 тонн, а иногда и больше, в зависимости от назначения и производительности пресса.

Алюминиевые отливки

Алюминиевые отливки обычно производят следующими методами:

• литье под давлением;
• литье в постоянные формы (литье в кокили);
• литье в песчаные формы;
• литье в гипсовые формы;
• литье в расплавляемые формы.

Эти процессы включают различные варианты и разновидности, такие как вакуумные технологии, литье под низким давлением, центробежное литье.

Литье алюминиевых колесных дисков

Алюминиевые поковки

Алюминиевые поковки производят созданием пластического течения металла путем приложения к нем кинетических, механических или гидравлических усилий в открытой или закрытой матрице. Поковки, выполняемые вручную, имеют простые геометрические формы – прямоугольники, цилиндры, диски. Более сложные формы куют в закрытых формах

Основные разновидности проката

Алюминий и сплавы на его основе очень легко поддаются обработке, обладают небольшим весом, не деформируются во время обработки. Наибольшую популярность получил следующий прокат алюминия:

• Фольга. Выпускается в виде тонких длинных листов прямоугольной формы. Толщина фольги согласно ГОСТ должна находиться в пределах от 0,004 до 0,2 миллиметров. Чаще всего фольга упаковывается в массивные бухты, хотя в случае небольшого опта она может транспортироваться в виде отдельных листов.
• Тонкие листы. Имеет вид тонких прямоугольных листов, толщина которых находится в пределах от 0,5 до 5 миллиметров. На практике используются в основном для декоративных целей, поэтому часто тонкие листы выпускают с текстурированной или окрашенной поверхностью. Упаковываются тонкие листы обычно в многослойные блоки, для доставки на большие расстояния могут применяться бухты.
• Толстые листы. Представляют собой квадратные либо прямоугольные плиты без закругленных краев. Толщина одного листа обычно находится в пределах от 5 до 8 миллиметров, хотя встречаются и более толстые изделия. Толстые листы являются самым популярным видом листового проката. Из таких листов делают крылья для самолетов, покрытия домов. Для удобства транспортировки могут упаковываться в большие бухты.
• Шины. Обладает прямоугольной формой, хотя встречаются также закругленные изделия. Толщина одной шины составляет от 5 до 15 миллиметров, а ее ширина — от 10 до 200 миллиметров. Чаще всего шины упаковывают в многослойные полосы либо специальные бухты — это заметно упрощает транспортировку шин на большие расстояния.

Прокат алюминиевый может применяться также для изготовления различной сортовой продукции — это могут быть прутья, арматура, уголки, швеллеры, круги, катанки, проволока. Правила ГОСТ в этой сфере устанавливаются мягкие требования. Поэтому заказчик по договоренности с производителем может сам выбирать характеристики изделия (форма, толщина, длина, наличие дополнительных элементов и так далее).