Глинозем, бокситы и электролиз: как производят алюминий

По данным ученых алюминий — самый распространенный металл на Земле. Его небольшая доля есть в самых неожиданных продуктах — яблоках или воде, например. Даже в нашем организме есть небольшой процент алюминия. Да и на других планетах уже обнаружен алюминий. Но в природе в чистом виде он не встречается. Да и процесс получения металла довольно сложен. Этим и объясняется его высокая стоимость.

Производство алюминия

Прежде чем начать разбирать технологическую цепочку производства алюминия, стоит понять — а когда вообще человечество начало использовать этот серебристый металл. В начале 19 века датский физик Ханс Эстерд впервые смог выделить алюминий в лабораторных условиях. И только через тридцать лет после первого получения металла в лаборатории, он был получен в промышленном производстве — во Франции.

Первое время производство алюминия было настолько дорогостоящим, что конечная стоимость металла в начале 19 века была примерна равна стоимости золота. Удивительно, но это так. Особенно сложно это представить нам — жителям 21 столетия, у которых в каждом доме есть алюминиевые вещи.

Естественно, ученым удалось придумать более дешевый способ получения алюминия — с помощью электролиза. Это привело к тому, что стоимость алюминия упала в десятки раз, изделия из него стали доступными.

Процесс производства до сих пор довольно сложен и трудоемок, тем не менее он позволяет обеспечить все отрасли промышленности так необходимым алюминием.

Добыча бокситов

Основой для производства алюминия являются бокситы. В мире много видов руд, содержащих алюминий. Но основным сырьем являются именно бокситы. Одна из причин в том, что руда добывается открытым способом — в карьерах с использованием тяжелой техники.

Для справки: львиная доля запасов бокситов (90 %) приходится на тропический пояс. Причем большая часть от этих 90 % сосредоточено в пяти странах, в числе которых Бразилия, Вьетнам и Австралия.

Естественно, бокситы могут залегать и под поверхностью земли. Для добычи такой руды необходима шахта. В России располагается одна из самых глубоких — 1550 метров (Черемуховская-Глубокая).

Производство глинозёма

Добытая руда поступает на завод, где начинается первый этап технологической обработки — выделение глинозема (оксида алюминия). Происходит это с помощью метода Байера. Интересно, что современные производства используют технологию, которая была придумана около века назад.

Отметим, что в бокситах содержание глинозема колеблется в пределах 40-60 %. Из одной тонны оксида в дальнейшем можно получить 0.5 тонны чистого металла.

Для лучшего понимания процесса кратко опишем суть метода Байера:

1. Растворение гидроокиси алюминия в едкой щелочи при нагревании.
2. Снижение температуры, кристаллизация раствора.
3. Выпадение примесей в виде осадка.
4. Вымывание крупных частиц алюминия из раствора водой.
5. Кальцинация (высушивание).

Схематично процесс получения глинозема выглядит довольно просто. На самом деле получение сырья для производства алюминия — сложный с технологической точки зрения процесс.

Важный момент: глинозем — сырье без срока годности. Но его основное свойство — высокая гигроскопичность. При любой возможности он впитывает влагу. Для производства алюминия влажный состав не подходит. Поэтому производители вынуждены предпринимать особые меры для хранения глинозема или сразу после получения отправлять его на производство.

Электролиз

Для производства первичного алюминия используют метод электролиза. Для него требуется огромные мощности, поэтому заводы в большинстве случаев располагают недалеко от электростанций.

Кроме того, для электролиза алюминия необходим криолит. Это очень редкий минерал, принадлежащий классу природных фторидов. Он необходим для создания особой среды, в которой будет проводится отделение алюминия. Производители используют его искусственный заменитель.

Схематично процесс электролиза выглядит следующим образом:

1. Электролизная ванна (а на производстве это огромная емкость) заполняется расплавленным криолитом.
2. В ванну погружают угольные блоки, которые будут играть роль анода. Роль катода выполнит дно ванны. Именно к нему будут прилипать частички чистого алюминия после того, как будет подан электрический ток.
3. Загрузка глинозема.
4. Подключение тока.

Начинается процесс расщепления глинозема. Частички чистого алюминия опускаются и прилипают к дну ванны. Высвободившийся кислород вступает в реакцию с углеродом. В результате образуется углекислота. Последняя попадает в специальный фильтр-газосборник. Жидкий алюминий достают при помощи ковша. Следующий этап производства — литье.

Литейное производство

На этом этапе производят переплавку и алюминий окончательно освобождается от оставшихся примесей. Из металла отливают чушки, которые в дальнейшем транспортируются на предприятия для производства конечных изделий.

Отметим, что на заводе алюминий может оформляться в разные виды чушек и слитков:

• прямоугольные (слябы). Нужны для дальнейшего проката. Из них получаются тонкие алюминиевые листы и фольга. В дальнейшем из них производят банки для напитков, детали для автомобилей и др.;
• цилиндрические. Этот вариант используется для экструзии. Это процесс, в результате которого проводится выдавливание металла через отверстия определенной формы. отметим, что с помощью такого метода и производится большая часть изделий из алюминия.

Отметим, что в процессе литья в сплав могут добавлять добавки — лигатуры. Они придают сплаву дополнительные свойства. В чистом виде алюминий используют кране редко. Современная промышленность предлагает потребителям более 100 видов алюминиевых сплавов.

Рециклинг алюминия

Отдельно стоит сказать о переработке алюминия. Все дело в том, что этот металл, в отличие, например, от стали, не подвергается коррозии в процессе использования или хранения. Неиспользуемые изделия можно переплавить и отправить в производство, где из сплава будут созданы новые. При этом процесс рециклинга обходится дешевле, чем производство первоначального чистого алюминия.

Сфера применения

Алюминий — удивительный металл, обладающий целым рядом уникальных свойств: пластичность, высокая тепло и электропроводность, стойкость к минусовым температурам и коррозии. Его легко обрабатывать: сваривать, штамповать, прокатывать. По данным International Aluminium Institute (IAI) только в первый месяц лета 2022 г. в мире выплавлено 5,651 млн. т первичного алюминия. Это не удивительно, ведь серебристый металл, который когда-то спорил по ценности с золотом, используется очень широко. И иногда это такие отрасли жизни, о которых многие потребители просто не догадываются.

Восстановитель

Алюминий нашел широкое применение в химической промышленности. Его свойства позволяют выступать в качестве сильного восстановителя. Чаще всего используется в реакции восстановления галогенидов и редких металлов.

Черная металлургия

В это отрасли алюминий выступает в роли раскислителя. Его особый свойства позволяют убрать из сплава кислород, исключить образование пористой структуры в готовых изделиях из черных металлов.

Кроме того, алюминий — одна из самых распространенных легирующих добавок в этой отрасли.

Сплавы

Современная металлургия редко использует чистые составы для производства изделий. Чаще всего это сплавы и одни из самых востребованных — на основе алюминия.

Ювелирные изделия

Почти 150 лет назад алюминий считался дорогостоящим и уникальным металлом. Приобрести изделия из него могли только довольно обеспеченные люди. Не удивительно, что из алюминия создавались ювелирные украшения. Вы, наверное, удивитесь, но и сейчас многие дизайнеры украшений используют этот бело-серебристый металл для создания уникальных украшений. Причем речь идет не о бижутерии, пусть и качественной. Часто алюминий используется как основа для драгоценных камней.

Столовые приборы

В настоящее время столовые приборы из алюминия не популярны. Металл слишком мягкий, приборы теряют привлекательный внешний вид. Тем не менее, дешевые приборы часто используют в точках общественного питания. Кроме того, алюминиевые приборы нашли широкое распространение в туристическом снаряжении.

Стекловарение

Производство стекла не обходится без соединений алюминия:

• глинозем делает стекло более прочным и устойчивым к перепадам температур;
• оксид алюминия необходим при производстве особых видов стекла.

Пищевая промышленность

А вы знали, что алюминий присутствует в продуктах питания? За его обозначение отвечает индекс Е173. Кроме того, он входит в состав антацидов, которые применяют при проблемах с желудком.

Производство техники

Легкий, плавкий алюминий просто незаменим при производстве военной и гражданской техники, оружия, самолетов и, даже, ракетного топлива.

Строительство

Множество новейших теплоизоляционных материалов не могут быть произведены без алюминиевой фольги. Алюминий необходим для производства рам в пластиковых стеклопакетах, алюминиевых легких конструкциях. Алюминиевая пудра применяется в лако-красочной промышленности. И даже цемент не обходится от доли алюминиевой добавки.

Ну и, конечно, в быту мы встречаем алюминий практически ежедневно. Это зеркала, которые есть в каждом доме, хлыст, который используется для усиления межкомнатных дверей. У каждой хозяйки на кухне есть алюминиевая фольга.

Производство в России

РФ занимает довольно серьезную нишу в мировом производстве этого металла — 6 %. Вся алюминиевая отрасль представлена компанией РУСАЛ. Производитель владеет 40 заводами, разбросанными по всему миру. В том числе и в странах-лидерах по запасам бокситов.

Отметим, что на территории нашей страны расположено 50 месторождений алюминия.

Интересные факты об алюминии

Алюминий удивительный металл:

• лучше других подходит для рециклинга. МАИ провел подсчеты, согласно которым с 1880 года было произведено около 1 миллиарда тонн алюминия. При этом четверть изделий до сих пор находится в обороте;
• ученые полагают, что алюминий попал на Землю с астероидами;
• алюминий есть на Марсе — процент металла составляет около 4 % от его веса;
• в теле взрослого человека около 150 мг металла;
• если нагреть оксид алюминия до t=2200 градусов, он превратится в искусственный сапфир;
• алюминий позволяет экономить топливо — детали авто делают из сплава этого металла. Он уменьшает общий вес автомобиля, тем самым уменьшая расход;
• алюминиевая пудра есть даже в фейерверках. Именно она отвечает за яркое белое пламя при горении.