Алюминий. Описание, свойства, происхождение и применение металла

Рейтинг “Крупнейшие в мире производители алюминия” представляет ведущие мировые компании

Природные соединения алюминия

В чистом виде алюминий почти никогда не встречается (исключение могут составлять лишь особые восстановительные условия, образующиеся, к примеру, при выходе магмы из жерл вулканов). Гораздо чаще в земной коре присутствуют его соединения:

  • Корунд (минеральные разновидности: рубин, сапфир, падпараджа, звёздчатый рубин, лейкосапфир, обыкновенный корунд и наждак)
  • Бёмит.
  • Диаспор.
  • Хризоберилл (александрит).
  • Гиббсит.
  • Кианит.
  • Каолинит.
  • Мусковит.
  • Алуниты.
  • Анортит.
  • Андалузит.
  • Нефелины.
  • Сподумен.
  • Силлиманит.
  • Криолит.
  • Альбит.
  • Отроклаз.
  • Берилл.
  • Шпинель.
  • Полевые шпаты.
  • Слюды.
  • Бокситы.
  • Глинозёмы.

В водоёмах содержание алюминия колеблется в пределах:

  • От 0,001 до 10 мг/л – пресноводные бассейны рек и озёр.
  • 0,01 мг/л – морская вода.

Производство алюминия

Алюминий является одним из самых востребованных металлов современной индустрии. Однако для его производства необходимо пройти несколько этапов, затратить значительное количество энергетических, транспортных и сырьевых ресурсов, использовать много персонала.

Добыча бокситов

Основным видом руды для получения алюминия служат бокситы, причём они являются качественными при содержании искомого минерала в 50% и более. В природе бокситы представлены в глиноподобном виде, массой красно-коричневого кирпичного цвета. Промышленное использование определяется морфологией, составом пород, условиями залегания рудных тел месторождений.

Добычу этого полезного ископаемого осуществляют как открытым (наиболее распространённым), так и закрытым способом (применяемым при значительных глубинах залегания, порядка 500 м и ниже). Проводя при этом бурильные, взрывные работы, используя селективные методы и применяя фрезерные технологии.

Аллюминий

Аллюминий

Производство глинозёма

Дальнейшим этапом производства алюминия является метод Байера, с помощью которого осуществляется выпуск 90% объёма мирового глинозёма – оксида алюминия Al2O3, представляющего собой порошок белого цвета. Способ достаточно прост и экономичен, но применим лишь для бокситов, отличающихся высоким качеством и малым содержанием примесей (лучше всего для этих целей подходит кремнезём).

Дробление

Прежде всего, добытые бокситы подвергают дроблению, то есть – раздавливания, раскалыванию и ударам с целью получения материала необходимой крупности и затем уже размалываемого с помощью истирания. Это даёт возможность довести материал до раскрытия зёрен искомого компонента, чтобы в дальнейшем сырьё полностью могло отдать находящийся в нём алюминий.

Выщелачивание

После чего раздробленный оксид алюминия растворяют в концентрированной щёлочи. Для достижения максимального эффекта в раствор добавляют известь. В результате данного технологического процесса получается пульпа, содержащая в себе алюминат натрия и посторонние примеси, первоначально входящие в состав боксита – красный шлам. Балласт удаляют, а полезный состав подвергают декомпозиции.

Декомпозиция

Процесс «выкручивания» – выделения кристаллического алюмината натрия в осадок носит название декомпозиции. Достаточно сложная и длительная процедура, включающая в себя разбавление водой с последующим охлаждением раствора в трубчатых теплообменниках, подразделяется на два этапа:

  • Гидролиз раствора с получением гидроокиси алюминия.
  • Кристаллизация, ускоряемая с помощью затравки и перемешивания.

Электролиз

Следующим этапом производства является электролиз, выполняемый при температуре 9500C в ваннах с расплавом криолита. Пропускаемый через раствор электрический ток, величиной более 400кА, освобождает алюминий от кислорода. Жидкий металл собирается на дне ванны для дальнейшего использования или – в качестве отправляемых потребителям слитков, или – для изготовления сплавов.

Литейное производство

Использования алюминия в чистом виде затруднено в связи с недостаточной прочностью, поэтому для её увеличения используют примеси. Химические соединения этого металла, полученные в металлургических процессах, подразделяются на два вида сплавов:

  • Литейные.
  • Конструкционные – полученные в результате деформации, которые в дальнейшем могут подвергаться или не подвергаться термическому воздействию.

Литейные сплавы

Основными добавками (легирующими элементами) при производстве литейных алюминиевых сплавов выступают:

  • Магний, марганец, медь, кремний, цинк.
  • В меньшей степени используются бериллий, литий, цирконий, титан.

Высокие показатели полученного литья определяются:

  • Возможностью заполнения расплавом сложных форм, что является проявлением хороших литейных свойств.
  • Незначительной массой изготавливаемой продукции, вследствие малого удельного веса самого алюминия.
  • Стойкостью к коррозионному воздействию.
  • Повышенной механической прочностью и твердостью, по сравнению с исходным материалом.
  • Податливостью к обрабатываемым воздействиям.

По получаемым качествам, алюминиевые сплавы можно классифицировать на три вида:

  • Конструкционные герметичные. Обладают хорошими антикоррозийными и литейными свойствами.
  • Коррозионностойкие. Устойчивы к воздействиям агрессивных химических сред и воды. Достаточно легко обрабатываются в процессе резания и легко поддаются сварке.
  • Жаропрочные. Сохраняют свои свойства при повышенных температурах и механических воздействиях.

Прокат

С помощью горячей или холодной прокатки на прокатных станах, алюминию придают форму, удобную для дальнейшего использования. Это может быть фольга, листы различной толщины, шины. В дальнейшем из этих изделий могут быть изготовлены прутки, трубы, разнообразные профили, находящие широкое применение в различных отраслях экономики.

Экструзия

Экструзия – это продавливание размягчённого в результате расплава металла через формирующий профиль. Наиболее наглядно данный процесс демонстрирует обычная бытовая мясорубка. Процесс позволяет уплотнить и повысить прочность материала экструдированного профильного изделия по сравнению с исходным сырьём.

Свойства алюминиевой руды

Алюминий высоко ценился у наших предков, которые открыли этот металл почти два столетия назад, и не теряет актуальности по сей день. Ниже представлены главные свойства алюминия, благодаря которым этот металл особенно ценен:

  • относится к группе легких металлов;
  • огромные залежи — алюминий занимает третье место после кислорода и кремния с точки зрения распространения на Земле;
  • высокая степень пластичности — металл легко поддается механической обработке, литью, полировке и пр.;
  • обладает высокой степенью тепло- и энергопроводимости;
  • высокая отражательная способность — до 90 %;
  • стойкость к коррозии;
  • приятный блестящий внешний вид.

Алюминиевая руда

Переработка алюминия

Современные экономические условия и экологические нормы сформировали ряд требований, выполнение которых как нельзя лучше обеспечивает технология переработка отходов алюминия. Дело в том, что металл сохраняется достаточно долгое время, не подвергаясь коррозии, при необходимости – в спрессованном состоянии. Также процесс переработки не требует большого расхода электроэнергии.

Рынок вторичного алюминиевого сырья представлен отходами изделий:

  • Электротехнического профиля. Как правило, этот материал содержит в себе минимальное количество примесей.
  • Пищевого направления – посуды и ёмкостей.
  • Профильного формата, этот материал часто возникает при разделке мебели и стройдеталей.
  • Моторного – обычно силумина.
  • Средств авиационного и водного транспорта – самолётов, вертолётов, лодок.

Собранный алюминиевый лом подвергается сортировке, прессованию, высушиванию, плавлению. После чего направляется потребителям.

Лом алюминия

Лом алюминия

Роль алюминиевой промышленности в экономике

Каково влияние алюминиевой промышленности на экономику? Например, алюминиевая промышленность США ежегодно приносит в экономику страны около 170 миллиардов долларов. Это составляет около 1 % от годового валового продукта США. Около 160 тысяч работников непосредственно заняты в этой отрасли промышленности. Кроме того, каждое рабочее место в алюминиевой промышленности создает еще не менее 3 рабочих мест в смежных отраслях. Всего это составляет около 700000 рабочих мест в производстве, обработке и применении алюминия. Эти работники приносят домой каждый год более 40 миллиардов долларов, которые поддерживают развитие многих других отраслей экономики.

Основные этапы технологии производства

В общих чертах технология производства алюминия не изменилась с момента создания.

Процесс состоит из трех стадий. На первой из алюминиевых руд, будь это бокситы или нефелины, получают глинозем – окись алюминия Al2O3 .

Затем из окиси выделяют промышленный алюминий со степенью очистки 99,5 % , которой для некоторых целей бывает недостаточно.

центры производства алюминия

Поэтому на последней стадии рафинируют алюминий. Производство алюминия завершается его очисткой до 99,99 %.

Сфера применения

В качестве восстановителя

В силу своих химических свойств, алюминий является сильным восстановителем, так как хорошо вступает в реакцию соединения с кислородом. Данное свойство находит применение для восстановления галогенидов и редких металлов.

В чёрной металлургии

Сталелитейное производство использует алюминий и его сплавы в качестве раскислителей, позволяющих не только избавиться от кислорода, но и исключить возможную пористость готовых изделий под воздействием пузырьков окиси углерода. Также в этой отрасли он применяется в качестве легирующих добавок и модификаторов в виде гранул, порошка и пудры.

Сплавы на основе алюминия

Существуют целые серии сплавов на основе алюминия, пользующихся огромным спросом в качестве конструкционных материалов. В основном это – соединения с магнием, марганцем, медью, легируемые в свою очередь магнием, марганцем, железом и кремнием. Алюминиевые сплавы обладают пластичностью, прочностью, технологичностью, устойчивостью к вибрационным воздействиям и коррозийной стойкостью.

Алюминий, как добавка в другие сплавы

Находит применение алюминий и в сплавах других металлов:

  • магния,
  • алюминиевой бронзы,
  • фехраля,
  • стали.

Ювелирные изделия

В последнее время серебристо-белый металл вновь, как полтора столетия назад, стал привлекать внимание ювелиров, желающих внести некоторое разнообразие в стандартный набор используемых материалов. Причём не только в качестве дешёвой бижутерии, но и основы драгоценных изделий, а также и самостоятельных изысканных изделий.

Столовые приборы

Алюминиевые столовые приборы в настоящее время не пользуются такой популярностью, как ранее, по причинам вредности для человеческого здоровья и потери своего внешнего вида в процессе эксплуатации. Хотя некоторое количество их присутствует в общепите. Также некоторая утварь, типа ложек, вилок котелков, фляжек используется в качестве армейской посуды и туристского снаряжения.

Стекловарение

В индустрии производства стекла и стеклянных изделий алюминий и его соединения находят широкое применение:

  • Глинозём (окись алюминия) повышает прочность, твёрдость и стойкость к температурным и химическим воздействиям.
  • Алюминиевые соли необходимы для производства особых видов стекла.

Пищевая промышленность

Помимо пищевой добавки в продуктах питания E173, алюминий входит в состав антацидных средств, предназначенных для обволакивания органов желудочно-кишечного тракта с целью их обезболивания в ряде заболеваний.

Военная промышленность

Благодаря своим свойствам: лёгкости и податливости, алюминий находит широкое применение в конструкциях разнообразного вида вооружений: от пистолетов и автоматов – до танков, ракет и самолётов. Даже такие экзотические для нашего времени изделия, как арбалеты, шпаги, рапиры, сабли не обходятся без данного минерала.

В ракетной технике

Помимо использования алюминия в качестве материала для изготовления ракет, спутников и иных космических летательных аппаратов; порошок из этого металла, а также окислитель на его основе являются важными компонентами твёрдого топлива – горючего для запуска челноков и ракет.

Алюмоэнергетика

Промежуточная роль алюминия для активизации выработки первичных энергоносителей или непосредственно тепловой и электрической энергии проявляет себя в сравнительно новой отрасли – алюмоэнергетике. Именно здесь, в процессе окисления этого уникального минерала производится:

  • Водород из воды.
  • Электроэнергия – за счёт воздействия кислородом воздуха в электрохимических генераторах.

Устойчивое развитие

En+ Group прикладывает максимум усилий для снижения негативного воздействия на окружающую среду, а также активно развивает местные сообщества в регионах операционного присутствия.

  • Все активности

Ссылки

  • Сайт про алюминий

Электролиз окиси алюминия

Основным оборудованием для электролиза является специальная ванна, футерованная углеродистыми блоками. К ней подводят электрический ток. В ванну погружаются угольные аноды, сгорающие при выделении из окиси чистого кислорода и образующие окись и двуокись улглерода. Ванны, или электрилизеры, как их называют специалисты, включаются в электрическую цепь последовательно, образуя серию. Сила тока при этом составляет 150 тысяч ампер.

Аноды могут быть двух типов: обожженные из больших угольных блоков, масса которых может быть больше тонны и самообжигающиеся, состоящие из угольных брикетов в алюминиевой оболочке, которые спекаются в процессе электролиза под действием высоких температур.

производство металлов алюминий

Рабочее напряжение на ванне обычно составляет около 5 вольт. Оно учитывает и напряжение, необходимое для разложения окиси, и неизбежные потери в разветвленной сети.

Из растворенной в расплаве на основе криолита окиси алюминия жидкий металл, который тяжелее солей электролита, оседает на угольном основании ванны. Его периодически откачивают.

страна производства алюминия

Процесс производства алюминия требует больших затрат электроэнергии. Чтобы получить одну тонну алюминия из глинозема, нужно израсходовать около 13,5 тысяч кВт*ч электроэнергии постоянного тока. Поэтому еще одним условием создания крупных производственных центров является работающая рядом мощная электростанция.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Hey’s CIM Ref1.21

Strunz (8-ое издание) 1/A.03-05
Nickel-Strunz (10-ое издание) 1.AA.05
Dana (7-ое издание) 1.1.22.1
Dana (8-ое издание) 1.1.1.5

Мировые запасы

Доказанные запасы алюминиевых руд оцениваются в 30 млрд. тонн, ресурсные оценки Геологической службы США доводят эту цифру до 75 млрд. тонн.

Электрические автомобили

Электрические автомобили в настоящее время являются весьма дорогими, главным образом из-за высокой стоимости батарей. Именно поэтому важно сделать электрические автомобили как можно более энергетически эффективными. Снижение веса – это один из самых очевидных путей повышения энергетической эффективности любого автомобиля, в том числе, электрических автомобилей.

Материал, который применяют для снижения веса, является часто немного более дорогим, более тяжелые классические материалы. Установлено, что электрический автомобиль класса VW Golf может быть сделан на 184 кг легче, если применять алюминий вместо стали. Общая стоимость алюминиевого электрического автомобиля составила бы на 635 евро меньше, чем стальной электрический автомобиль.

Кроме того, анализ жизненного цикла полностью стальных и полностью алюминиевых электрических автомобилей показывает, что алюминиевые электрические автомобили за свой жизненный цикл выделяют парниковых газов на 1,5 тонны меньше, чем стальные электрические автомобили. Этот жизненный цикл включает изготовление, пробег 150000 км и утилизацию.

Альтернатива алюминиевым рудам

Ученые сходятся во мнении, что в настоящее время достойной альтернативы алюминию не существует. Возможно, в будущем удастся найти или создать еще более функциональный и относительно дешевый металл, однако на сегодняшний день алюминий — безусловный лидер.

ava.svg

Центры производства алюминия

По объемам потребления алюминия КНР занимает первое место, оставляя далеко позади находящиеся на втором месте США и обладательницу третьего места Германию.

Китай – это и страна производства алюминия, с огромным отрывом лидирующая в этой области.

В десятку лучших, кроме КНР, входят Россия, Канада, ОАЭ, Индия, США, Австралия, Норвегия, Бразилия и Бахрейн.

В России монополистом в производстве глинозема и алюминия является объединенная компания RUSAL. Она производит до 4 млн т алюминия в год и экспортирует продукцию в семьдесят стран, а присутствует на пяти континентах в семнадцати странах.

Американской компании Alcoa в России принадлежат два металлургических завода.

Крупнейший производитель алюминия в Китае – компания Chalco. В отличие от зарубежных конкурентов, все ее активы сосредоточены в родной стране.

крупное производство алюминий

Подразделение Hydro Aluminium норвежской компании Norsk Hydro владеет алюминиевыми заводами в Норвегии, Германии, Словакии, Канаде, и Австралии.

Австралийская BHP Billiton владеет производством алюминия в Австралии, Южной Африке и Южной Америке.

В Бахрейне находится Alba (Aluminium Bahrain B. S. C.) – едва ли не самое крупное производство. Алюминий этого производителя занимает более 2 % общего объема «крылатого» металла, выпускаемого в мире.

Итак, подводя итоги, можно сказать, что главными производителями алюминия являются международные компании, владеющие запасами бокситов. А сам исключительно энергоемкий процесс состоит из получения глинозема из алюминиевых руд, производства фтористых солей, к которым относится криолит, углеродистой анодной массы и угольных анодных, катодных, футеровочных материалов, и собственно электролитического производства чистого металла, которое является главной составляющей металлургии алюминия.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...