Алюминий - это металл, покрытый матово-серебристой оксидной плёнкой, свойства которого определяют его популярность: мягкость, лёгкость, пластичность, высокая прочность, устойчивость к коррозии, электропроводность и отсутствие токсичности. В современных высоких технологиях применению алюминия отведено ведущее место как конструкционному, многофункциональному материалу.
Наибольшую ценность для промышленности в качестве источника алюминия представляет природное сырьё — алюминиевая руда , составляющая горной породы в виде бокситов, алунитов и нефелина.
Разновидности глинозёмсодержащих руд
Известно более 200 минералов, в состав которых входит алюминий.
Сырьевым источником считают только такую горную породу, которая может соответствовать следующим требованиям:
- Природное сырьё должно иметь высокое содержание окислов алюминия;
- Месторождение должно соответствовать экономической целесообразности его промышленной разработки.
- Горная порода должна содержать алюминиевое сырьё в форме, подлежащей извлечению в чистом виде известными способами.
Особенность природной горной породы боксита
Сырьевым источником могут служить природные залежи бокситов, нефелинов, алунитов, глин, и каолинов. Наиболее насыщены соединениями алюминия бокситы. Глины и каолины представляют самые распространённые породы со значительным содержанием в них глинозёма. Залежи этих минералов находятся на поверхности земли.
Алюминиевая руда в природе существует только в виде бинарного соединения металла с кислородом. Добывают это соединение из природных горных руд в виде бокситов, состоящих из окислов нескольких химических элементов: алюминия, калия, натрия, магния, железа, титана, кремния, фосфора.
В зависимости от месторождения бокситы в своём составе имеют от 28 до 80% глинозёма. Это основное сырьё для получения уникального металла. Качество бокситов как сырья алюминия зависит от содержания в нём глинозёма. Этим определяются физические свойства бокситов:
- Минерал представляет скрыто кристаллическую структуру или пребывает в аморфном состоянии. Многие минералы имеют затвердевшие формы гидрогелей простого или комплексного состава.
- Цвет бокситов в различных точках добычи колеблется от почти белого до красных тёмных цветов. Есть месторождения с чёрной окраской минерала.
- Плотность алюминий содержащих минералов зависит от их химического состава и составляет около 3 500 кг/м3.
- Химический состав и структура бокситов определяет твёрдые свойства минерала. Самые прочные минералы отличаются твёрдостью в 6 единиц по шкале, принятой в минералогии.
- Как природное ископаемое боксит имеет ряд примесей, чаще всего это окислы железа, кальция, магния, марганца, примеси титановых и фосфорных соединений.
Бокситы, каолины, глины в своём составе содержат примеси других соединений, которые при переработке сырья выделяются в отдельные производства.
Только в России используют месторождения с залежами пород, в составе которых глинозём составляет более низкую концентрацию.
С недавних пор глинозём стали получать из нефелинов, которые помимо глинозёма содержат окиси таких металлов, как калий, натрий, кремний и, не менее ценный, квасцовый камень, алунит.
Способы переработки алюминий содержащих ископаемых
Технология получения чистого глинозёма из алюминиевой руды не изменилась со времён открытия этого металла. Совершенствуется его производственное оборудование, позволяющее получать чистый алюминий. Основные производственные стадии получения чистого металла:
- Добыча руды из разработанных месторождений.
- Первичная обработка от пустых пород с целью повышения концентрации глинозёма – процесс обогащения.
- Получение чистого глинозёма, электролитическое восстановление алюминия из его окислов.
Производственный процесс завершается получением металла с концентрацией 99,99%.
Добыча и обогащение глинозёма
Глинозём или алюминиевые окислы, в чистом виде в природе не существует. Его извлекают из алюминиевых руд, используя гидрохимические методы.
Залежи алюминиевой руды в месторождениях обычно взрывают , обеспечивая площадку для её добычи на глубине примерно 20 метров, откуда её выбирают и запускают в процесс дальнейшей обработки;
- Используя специальное оборудование (грохоты, классификаторы), руду дробят и сортируют, отбрасывая пустую породу (хвосты). На этом этапе обогащения глинозёма пользуются способами промывки и грохочения, как наиболее выгодными экономически.
- Осевшую на дне обогатительной установки очищенную руду смешивают с разогретой массой едкого натра в автоклаве.
- Смесь пропускают через систему сосудов из высокопрочной стали. Сосуды оснащены паровой рубашкой, поддерживающей необходимую температуру. Давление пара поддерживается на уровне 1,5-3,5 Мпа до полного перехода алюминиевых соединений, из обогащённой породы в алюминат натрия в перегретом растворе едкого натрия.
- После охлаждения жидкость проходит стадию фильтрации в результате которой происходит отделение твёрдого осадка и получение пересыщенного чистого раствора алюмината. При добавлении в полученный раствор остатков гидроокиси алюминия от предыдущего цикла, разложение ускоряется.
- Для окончательной осушки гидрата окиси алюминия применяют процедуру прокаливания.
Электролитическое производство чистого алюминия
Чистый алюминий получают, используя непрерывный процесс в результате которого прокалённый алюминий вступает в стадию электролитического восстановления .
Современные электролизёры представляют устройство, состоящее следующих частей:
- Из стального кожуха, футерованного угольными блоками и плитами. В процессе работы на поверхности корпуса ванны образуется плотная плёнка из застывшего электролита, предохраняющая футеровку от разрушения расплавом электролита.
- Слой расплавленного алюминия на дне ванны, толщиной 10–20 см, служит катодом в этой установке.
- Ток в алюминиевый расплав подводится через угольные блоки и встроенные стальные стержни.
- Аноды, подвешенные на железную раму с помощью стальных штырей, обеспечены тягами, соединёнными с подъёмным механизмом. По мере сгорания анод опускается вниз, а стержни применяют в качестве элемента для подвода тока.
- В цехах электролизёры устанавливают последовательно в несколько рядов (два или четыре ряда).
Дополнительная очистка алюминия рафинированием
Если алюминий, извлечённый из электролизёров, не соответствует конечным требованиям, его подвергают дополнительной очистке рафинированием.
В промышленности этот процесс проводят в особенном электролизёре, в котором содержится три жидких слоя:
- Нижний – рафинируемый алюминий с добавкой примерно 35% меди , служит анодом. Медь присутствует для утяжеления алюминиевого слоя, в анодном сплаве медь не растворяется, его плотность должна превышать 3000 кг/м3.
- Средний слой представляет смесь фторидов и хлоридов бария, кальция, алюминия с температурой плавления около 730оС.
- Верхний слой – чистый рафинированный алюминиевый расплав, который растворяется в анодном слое и поднимается вверх. Он служит в этой схеме катодом. Подвод тока осуществляется графитовым электродом.
В процессе электролиза примеси остаются в анодном слое и электролите. Выход чистого алюминия составляет 95–98%. Разработке алюминий содержащих месторождений, отведено ведущее место в народном хозяйстве, благодаря свойствам алюминия, который в настоящее время занимает второе место после железа в современной промышленности.
В современной промышленности алюминиевая руда является наиболее востребованным сырьем. Стремительное развитие науки и техники позволило расширить сферы его применения. Что представляет собой алюминиевая руда и где ее добывают – описано в этой статье.
Промышленное значение алюминия
Алюминий считается наиболее распространенным металлом. По количеству залежей в земной коре он занимает третье место. Алюминий известен всем также как элемент в таблице Менделеева, который относится к легким металлам.
Алюминиевая руда – это природное сырье, из которого получают этот металл. В основном его добывают из бокситов, которые содержат оксиды алюминия (глинозем) в наибольшем количестве – от 28 до 80%. Другие породы – алунитовые, нефелиновые и нефелин-апатитовые также используются в качестве сырья для получения алюминия, но они имеют худшее качество и содержат значительно меньше глинозема.
В цветной металлургии алюминий занимает первое место. Дело в том, что благодаря своим характеристикам он применяется во многих отраслях промышленности. Так, этот металл используют в транспортном машиностроении, упаковочном производстве, строительстве, для изготовления различных потребительских товаров. Также алюминий широко применяется в электротехнике.
Чтобы понять, какое значение имеет алюминий для человечества, достаточно присмотреться к бытовым вещам, которые мы повседневно используем. Очень многие бытовые предметы изготовлены из алюминия: это детали для электроприборов (холодильника, стиральной машины и т. д.), посуда, спортивный инвентарь, сувениры, элементы интерьера. Алюминий часто применяется для производства разных видов тары и упаковки. Например, консервных банок или одноразовых емкостей из фольги.
Типы алюминиевых руд
Алюминий содержится более чем в 250 минералах. Из них самыми ценными для промышленности являются боксит, нефелин и алунит. Остановимся на них более подробно.
Бокситная руда
В природе алюминий в чистом виде не встречается. В основном его получают из алюминиевой руды – боксита. Это минерал, который по большей части состоит из гидроксидов алюминия, а также из оксидов железа и кремния. Из-за большого содержания глинозема (от 40 до 60%) бокситы используются в качестве сырья для получения алюминия.
Физические свойства алюминиевой руды:
- непрозрачный минерал красного и серого цвета различных оттенков;
- твердость самых прочных образцов составляет 6 по минералогической шкале;
- плотность бокситов в зависимости от химического состава колеблется в пределах 2900-3500 кг/м³.
Месторождения бокситовой руды сосредоточены в экваториальном и тропическом поясе земли. Более древние залежи находятся на территории России.
Как образовывается бокситная алюминиевая руда
Бокситы образуются из одноводного гидрата глинозема, бемита и диаспора, трехводного гидрата – гидраргиллита и сопутствующих минералов гидроокиси и окиси железа.
В зависимости от состава природообразующих элементов различают три группы бокситных руд:
- Моногидратные бокситы – содержат глинозем в одноводной форме.
- Тригидратные – такие минералы состоят из глинозема в трехводной форме.
- Смешанные – эта группа включает в сочетании предыдущие алюминиевые руды.
Месторождения сырья образуются вследствие выветривания кислых, щелочных, а иногда и основных пород или в результате постепенного осаждения на морском и озерном дне большого количества глинозема.
Алунитовые руды
Этот тип залежей содержит до 40% оксида алюминия. Алунитовая руда образовывается в водном бассейне и прибрежных зонах в условиях интенсивной гидротермальной и вулканической деятельности. Пример таких залежей – Заглинское озеро на Малом Кавказе.
Порода пористая. Преимущественно состоит из каолинитов и гидрослюдов. Промышленный интерес представляют руда с содержанием алунита более 50%.
Нефелин
Это алюминиевая руда магматического происхождения. Она представляет собой полнокристаллическую щелочную породу. В зависимости от состава и технологических особенностей переработки выделяют несколько сортов нефелиновой руды:
- первый сорт – 60–90% нефелина; он содержит более 25% глинозема; переработка осуществляется методом спекания;
- второй сорт – 40–60% нефелина, количество глинозема немного ниже – 22–25%; во время переработки требуется обогащение;
- третий сорт – нефелиновые минералы, которые не представляют никакой промышленной ценности.
Мировая добыча алюминиевых руд
Впервые алюминиевую руду добыли в первой половине XIX века на юго-востоке Франции, возле местечка Бокс. Отсюда и походит название бокситов. Сначала эта отрасль промышленности развивалась медленными темпами. Но когда человечество оценило, какая алюминиевая руда полезная для производства, сферы применения алюминия существенно расширились. Многие страны начали поиски на своих территориях месторождения залежей. Таким образом, мировая добыча алюминиевых руд стала постепенно возрастать. Подтверждением этого факта являются цифры. Так, если в 1913 году общемировой объем добытой руды составлял 540 тыс. тонн, то в 2014 году – более 180 млн тонн.
Также постепенно росло количество стран, добывающих алюминиевую руду. На сегодняшний день их насчитывается около 30. Но на протяжении последних 100 лет ведущие страны и регионы постоянно менялись. Так, в начале XX века мировыми лидерами по добыче алюминиевой руды и ее производстве были Северная Америка и Западная Европа. На эти два региона приходилось около 98% общемировой добычи. Через несколько десятков лет по количественным показателям алюминиевой промышленности лидерами стали страны Восточной Европы, Латинская Америка и Советский Союз. И уже в 1950–1960-х годах лидером по размеру добычи стала Латинская Америка. А в 1980–1990-х гг. произошел стремительный прорыв в алюминиевой промышленности Австралии и Африки. В современной мировой тенденции основными странами-лидерами по добыче алюминия являются Австралия, Бразилия, Китай, Гвинея, Ямайка, Индия, Россия, Суринам, Венесуэла и Греция.
Месторождения руды в России
По объему добычи алюминиевых руд Россия занимает седьмое место в мировом рейтинге. Хотя месторождения алюминиевых руд в России обеспечивают страну металлом в большом количестве, его недостаточно, чтобы полностью обеспечить промышленность. Поэтому государство вынуждено покупать боксит в других странах.
Всего на территории России расположено 50 месторождений руды. В это число входят как места, где ведется добыча минерала, так и еще не разработанные залежи.
Большая часть запасов руды находится в европейской части страны. Здесь они расположены в Свердловской, Архангельской, Белгородской области, в республике Коми. Все эти регионы содержат 70% всех разведанных запасов руды страны.
Алюминиевые руды в России добываются до сих пор в старых бокситовых месторождениях. К таким районам относится Радынское месторождение в Ленинградской области. Также из-за дефицита сырья Россия использует другие алюминиевые руды, месторождения которых отличаются худшим качеством минеральных залежей. Но они все же пригодны для промышленных целей. Так, в России добывают в большом количестве нефелиновые руды, которые также позволяют получить алюминий.
Французский город Ле-Бо-де-Прованс, расположенный на юге страны, прославился тем, что дал имя минералу бокситу. Именно там в 1821 г. горный инженер Пьер Бертье обнаружил залежи неизвестной руды. Понадобилось еще 40 лет исследований и испытаний, чтобы открыть возможности новой породы и признать ее перспективной для промышленного производства алюминия, в те года превышавшего по цене золото.
Характеристика и происхождение
Бокситы - это первичная алюминиевая руда. Практически весь алюминий, который когда-либо производился в мире, преобразован из них. Эта порода является композиционным сырьем, отличающимся сложной и неоднородной структурой.
В качестве основных компонентов она включают оксиды и гидроксиды алюминия. Рудообразующими минералами также служат оксиды железа. А среди примесей наиболее часто встречаются:
- кремний (представленный кварцем, каолинитом и опалом);
- титан (в виде рутила);
- соединения кальция и магния;
- редкоземельные элементы;
- слюда;
- в малых количествах галлий, хром, ванадий, цирконий, ниобий, фосфор, калий, натрий и пирит.
По происхождению бокситы бывают латеритными и карстовыми (осадочными). Первые, высококачественные, образовались в климате влажных тропиков как результат глубокого химического преобразования силикатных пород (так называемой латеризации). Вторые отличаются более низким качеством, они - продукт выветривания, переноса и отложения глинистых слоев в новых местах.
Бокситы различаются по:
- Физическому состоянию (каменистые, землистые, пористые, рыхлые, глинообразные).
- Структуре (в виде обломков и горошин).
- Текстурным особенностям (с однородным или слоистым составом).
- Плотности (варьируется от 1800 до 3200 кг/м³).
Химические и физические свойства
Химические свойства бокситов имеют широкий диапазон, связанный с переменной композицией материала. Однако качество добытых минералов определяется в первую очередь соотношением содержания глинозема и кремнезема. Чем больше количество первого и меньше - второго, тем значительнее промышленная ценность. Важной химической особенностью горные инженеры считают так называемую «вскрываемость», то есть то, насколько легко удается извлекать из рудного материала оксиды алюминия.
Несмотря на то, что бокситы не имеют постоянного состава, их физические свойства сводятся к таким показателям:
| 1 | Цвет | коричневый, оранжевый, кирпичный, розовый, красный; реже серый, желтый, белый и черный |
| 2 | Прожилки | как правило, белые, но иногда их могут окрасить примеси железа |
| 3 | Блеск | Тусклый и землистый |
| 4 | Прозрачность | Непрозрачный |
| 5 | Удельный вес | 2-2,5 кг/см³ |
| 6 | Твердость | 1-3 по минералогической шкале Мооса (для сравнения - у алмаза 10). Из-за этой мягкости бокситы напоминают глину. Но в отличие от последней, при добавлении воды не образуют однородную пластичную массу |
Интересно, что физический статус никак не связан с полезностью и ценностью бокситов. Это объясняется тем, что они перерабатывается в другой материал, свойства которого существенно отличаются от исходной породы.
Мировые запасы и добыча
Несмотря на то, что спрос на алюминий постоянно увеличивается, запасов его первичной руды достаточно для удовлетворения этой потребности в течение еще нескольких столетий, но не менее, чем на 100 лет производства.
Геологическая служба США обнародовала данные, согласно которых мировые ресурсы бокситов составляют 55-75 млрд. тонн. Причем большинство из них сосредоточено в Африке (32%). На долю Океании приходится 23%, Карибского бассейна и Южной Америки 21%, азиатского континента 18%, прочих регионов 6%.
Оптимизм вселяет и внедрение процесса утилизации алюминия, что замедлит исчерпание природных запасов первичной алюминиевой руды (а заодно сэкономит и потребление электроэнергии).
Десятка стран-лидеров по добыче бокситов, представленная все той же Геологической службой США, в 2016 г. выглядела так.
| 1 | Австралия | 82 000 |
| 2 | Китай | 65 000 |
| 3 | Бразилия | 34 500 |
| 4 | Индия | 25 000 |
| 5 | Гвинея | 19 700 |
| 6 | Ямайка | 8 500 |
| 7 | Россия | 5 400 |
| 8 | Казахстан | 4 600 |
| 9 | Саудовская Аравия | 4 000 |
| 10 | Греция | 1 800 |
Очень перспективно заявляет о себе Вьетнам, окончивший 2016 г. с показателем в 1,500 тыс. метрических тонн. А вот Малайзия, бывшая в 2015 г. третьей, резко сократила разработки бокситов из-за ожидания строгих природоохранных законов и сегодня занимает 15 место в мировом рейтинге.
Бокситы добываются, как правило, в карьерах, открытым способом. Для получения рабочей площадки слой руды взрывается на 20-сантиметровой глубине, а затем выбирается. Куски минерала измельчают и сортируют: пустая порода (так называемые «хвосты») смывается потоком промывочной воды, а фрагменты плотной руды остаются на дне обогатительной установки.
Наиболее древние залежи бокситов в России относятся к докембрийской эпохе. Они располагаются в Восточных Саянах (Боксонское месторождение). Более молодую алюминиевую руду, времен среднего и верхнего девона, находят на Северном и Южном Урале, в Архангельской, Ленинградской и Белгородской областях.
Промышленное применение
Добытые бокситы делятся соответственно их последующему коммерческому применению на металлургические, абразивные, химические, цементные, огнеупорные и т.д.
Основное их применение, на которое идет 85% мировой разработки, - служить в качестве сырья для производства глинозема (оксида алюминия).
Технологическая цепочка выглядит так: боксит нагревают с едким натром, затем фильтруют, осаждают твердый остаток и прокаливают его. Данный продукт - безводный глинозем, предпоследнее превращение в цикле получения алюминия.
После чего остается погрузить его в ванну расплавленного природного или синтетического криолита и путем электролитического восстановления выделить сам металл.
Первым в 1860 г. эту технологию открыл французский химик Анри Сент-Клер Девиль. Она заменила дорогостоящий процесс, при котором алюминий производился в вакууме из калия и натрия.
Следующая важная область использования бокситов - применение в качестве абразивов.
Если прокалить глинозем, то в результате получается синтетический корунд - очень твердый материал, имеющий коэффициент 9 по шкале Мооса. Его измельчают, разделяют и далее вводят в состав наждачной бумаги и разнообразных полировальных порошков и суспензий.
Спеченный, раздробленный в порошок и сплавленный в круглые гранулы боксит является также отличным пескоструйным абразивом. Он идеален для обработки поверхностей, а за счет сферической формы уменьшает износ пескоструйного оборудования.
Еще одно важное назначение бокситов - участвовать в качестве проппанта (материала, не позволяющего сомкнуться специально созданным разломам) в процессе добычи нефти способом гидроразрыва пласта. В этом случае частички обработанной бокситовой породы проявляют устойчивость к гидравлическому давлению и позволяют трещинам оставаться открытыми столь долго, сколько необходимо для выхода нефти.
Незаменимы бокситы и для создания огнеупорной продукции. Обожженный глинозем выдерживает температуру до 1780 С. Это свойство используется как для выработки кирпичей и бетона, так и создания оборудования для металлургической промышленности, специального стекла и даже огнестойкой одежды.
Заключение
Химики и технологи постоянно ищут для бокситов адекватные заменители, которые бы не уступали по своим свойствам. Исследования позволили выяснить, что для производства глиноземов могут быть использованы глинистые материалы, зола электростанций и горючие сланцы.
Однако стоимость всей технологической цепочки в разы выше. Хорошо себя проявил карбид кремния в качестве абразива и синтетический муллит в качестве огнеупора. Ученые надеются, что до времени полного исчерпания природных ресурсов бокситов равнозначная замена будет найдена.
В современной промышленности алюминиевая руда является наиболее востребованным сырьем. Стремительное развитие науки и техники позволило расширить сферы его применения. Что представляет собой алюминиевая руда и где ее добывают - описано в этой статье.
Промышленное значение алюминия
Алюминий считается наиболее распространенным металлом. По количеству залежей в земной коре он занимает третье место. Алюминий известен всем также как элемент в таблице Менделеева, который относится к легким металлам.
Алюминиевая руда - это природное сырье, из которого получают В основном его добывают из бокситов, которые содержат оксиды алюминия (глинозем) в наибольшем количестве - от 28 до 80%. Другие породы - алунитовые, нефелиновые и нефелин-апатитовые также используются в качестве сырья для получения алюминия, но они имеют худшее качество и содержат значительно меньше глинозема.
В цветной металлургии алюминий занимает первое место. Дело в том, что благодаря своим характеристикам он применяется во многих отраслях промышленности. Так, этот металл используют в транспортном машиностроении, упаковочном производстве, строительстве, для изготовления различных потребительских товаров. Также алюминий широко применяется в электротехнике.
Чтобы понять, какое значение имеет алюминий для человечества, достаточно присмотреться к бытовым вещам, которые мы повседневно используем. Очень многие бытовые предметы изготовлены из алюминия: это детали для электроприборов (холодильника, стиральной машины и т. д.), посуда, спортивный инвентарь, сувениры, элементы интерьера. Алюминий часто применяется для производства разных видов тары и упаковки. Например, консервных банок или одноразовых емкостей из фольги.
Типы алюминиевых руд
Алюминий содержится более чем в 250 минералах. Из них самыми ценными для промышленности являются боксит, нефелин и алунит. Остановимся на них более подробно.
Бокситная руда
В природе алюминий в чистом виде не встречается. В основном его получают из алюминиевой руды - боксита. Это минерал, который по большей части состоит из гидроксидов алюминия, а также из оксидов железа и кремния. Из-за большого содержания глинозема (от 40 до 60%) бокситы используются в качестве сырья для получения алюминия.
Физические свойства алюминиевой руды:
- непрозрачный минерал красного и серого цвета различных оттенков;
- твердость самых прочных образцов составляет 6 по минералогической шкале;
- плотность бокситов в зависимости от химического состава колеблется в пределах 2900-3500 кг/м³.
Месторождения бокситовой руды сосредоточены в экваториальном и тропическом поясе земли. Более древние залежи находятся на территории России.
Как образовывается бокситная алюминиевая руда
Бокситы образуются из одноводного гидрата глинозема, бемита и диаспора, трехводного гидрата - гидраргиллита и сопутствующих минералов гидроокиси и окиси железа.
В зависимости от состава природообразующих элементов различают три группы бокситных руд:
- Моногидратные бокситы - содержат глинозем в одноводной форме.
- Тригидратные - такие минералы состоят из глинозема в трехводной форме.
- Смешанные - эта группа включает в сочетании предыдущие алюминиевые руды.
Месторождения сырья образуются вследствие выветривания кислых, щелочных, а иногда и основных пород или в результате постепенного осаждения на морском и озерном дне большого количества глинозема.
Алунитовые руды
Этот тип залежей содержит до 40% оксида алюминия. Алунитовая руда образовывается в водном бассейне и прибрежных зонах в условиях интенсивной гидротермальной и вулканической деятельности. Пример таких залежей - Заглинское озеро на Малом Кавказе.
Порода пористая. Преимущественно состоит из каолинитов и гидрослюдов. Промышленный интерес представляют руда с содержанием алунита более 50%.
Нефелин
Это алюминиевая руда магматического происхождения. Она представляет собой полнокристаллическую щелочную породу. В зависимости от состава и технологических особенностей переработки выделяют несколько сортов нефелиновой руды:
- первый сорт - 60-90% нефелина; он содержит более 25% глинозема; переработка осуществляется методом спекания;
- второй сорт - 40-60% нефелина, количество глинозема немного ниже - 22-25%; во время переработки требуется обогащение;
- третий сорт - нефелиновые минералы, которые не представляют никакой промышленной ценности.
Мировая добыча алюминиевых руд
Впервые алюминиевую руду добыли в первой половине XIX века на юго-востоке Франции, возле местечка Бокс. Отсюда и походит название бокситов. Сначала эта развивалась медленными темпами. Но когда человечество оценило, какая алюминиевая руда полезная для производства, сферы применения алюминия существенно расширились. Многие страны начали поиски на своих территориях месторождения залежей. Таким образом, мировая добыча алюминиевых руд стала постепенно возрастать. Подтверждением этого факта являются цифры. Так, если в 1913 году общемировой объем добытой руды составлял 540 тыс. тонн, то в 2014 году - более 180 млн тонн.
Также постепенно росло количество стран, добывающих алюминиевую руду. На сегодняшний день их насчитывается около 30. Но на протяжении последних 100 лет ведущие страны и регионы постоянно менялись. Так, в начале XX века мировыми лидерами по добыче алюминиевой руды и ее производстве были Северная Америка и Западная Европа. На эти два региона приходилось около 98% общемировой добычи. Через несколько десятков лет по количественным показателям алюминиевой промышленности лидерами стали Латинская Америка и Советский Союз. И уже в 1950-1960-х годах лидером по размеру добычи стала Латинская Америка. А в 1980-1990-х гг. произошел стремительный прорыв в алюминиевой и Африки. В современной мировой тенденции основными странами-лидерами по добыче алюминия являются Австралия, Бразилия, Китай, Гвинея, Ямайка, Индия, Россия, Суринам, Венесуэла и Греция.
Месторождения руды в России
По объему добычи алюминиевых руд Россия занимает седьмое место в мировом рейтинге. Хотя месторождения алюминиевых руд в России обеспечивают страну металлом в большом количестве, его недостаточно, чтобы полностью обеспечить промышленность. Поэтому государство вынуждено покупать боксит в других странах.
Всего на территории России расположено 50 месторождений руды. В это число входят как места, где ведется добыча минерала, так и еще не разработанные залежи.
Большая часть запасов руды находится в европейской части страны. Здесь они расположены в Свердловской, Архангельской, Белгородской области, в республике Коми. Все эти регионы содержат 70% всех разведанных запасов руды страны.
Алюминиевые руды в России добываются до сих пор в старых бокситовых месторождениях. К таким районам относится Радынское месторождение в Ленинградской области. Также из-за дефицита сырья Россия использует другие алюминиевые руды, месторождения которых отличаются худшим качеством минеральных залежей. Но они все же пригодны для промышленных целей. Так, в России добывают в большом количестве нефелиновые руды, которые также позволяют получить алюминий.
Алюминий - это металл, покрытый матово-серебристой оксидной плёнкой, свойства которого определяют его популярность: мягкость, лёгкость, пластичность, высокая прочность, устойчивость к коррозии, электропроводность и отсутствие токсичности. В современных высоких технологиях применению алюминия отведено ведущее место как конструкционному, многофункциональному материалу.
Наибольшую ценность для промышленности в качестве источника алюминия представляет природное сырьё - алюминиевая руда , составляющая горной породы в виде бокситов, алунитов и нефелина.
Разновидности глинозёмсодержащих руд
Известно более 200 минералов, в состав которых входит алюминий.
Сырьевым источником считают только такую горную породу, которая может соответствовать следующим требованиям:
Особенность природной горной породы боксита
Сырьевым источником могут служить природные залежи бокситов, нефелинов, алунитов, глин, и каолинов. Наиболее насыщены соединениями алюминия бокситы. Глины и каолины представляют самые распространённые породы со значительным содержанием в них глинозёма. Залежи этих минералов находятся на поверхности земли.
Алюминиевая руда в природе существует только в виде бинарного соединения металла с кислородом. Добывают это соединение из природных горных руд в виде бокситов, состоящих из окислов нескольких химических элементов: алюминия, калия, натрия, магния, железа, титана, кремния, фосфора.
В зависимости от месторождения бокситы в своём составе имеют от 28 до 80% глинозёма. Это основное сырьё для получения уникального металла. Качество бокситов как сырья алюминия зависит от содержания в нём глинозёма. Этим определяются физические свойства бокситов:
Бокситы, каолины, глины в своём составе содержат примеси других соединений, которые при переработке сырья выделяются в отдельные производства.
Только в России используют месторождения с залежами пород, в составе которых глинозём составляет более низкую концентрацию.
С недавних пор глинозём стали получать из нефелинов, которые помимо глинозёма содержат окиси таких металлов, как калий, натрий, кремний и, не менее ценный, квасцовый камень, алунит.
Способы переработки алюминий содержащих ископаемых
Технология получения чистого глинозёма из алюминиевой руды не изменилась со времён открытия этого металла. Совершенствуется его производственное оборудование, позволяющее получать чистый алюминий. Основные производственные стадии получения чистого металла:
- Добыча руды из разработанных месторождений.
- Первичная обработка от пустых пород с целью повышения концентрации глинозёма – процесс обогащения.
- Получение чистого глинозёма, электролитическое восстановление алюминия из его окислов.
Производственный процесс завершается получением металла с концентрацией 99,99%.
Добыча и обогащение глинозёма
Глинозём или алюминиевые окислы, в чистом виде в природе не существует. Его извлекают из алюминиевых руд, используя гидрохимические методы.
Залежи алюминиевой руды в месторождениях обычно взрывают , обеспечивая площадку для её добычи на глубине примерно 20 метров, откуда её выбирают и запускают в процесс дальнейшей обработки;
- Используя специальное оборудование (грохоты, классификаторы), руду дробят и сортируют, отбрасывая пустую породу (хвосты). На этом этапе обогащения глинозёма пользуются способами промывки и грохочения, как наиболее выгодными экономически.
- Осевшую на дне обогатительной установки очищенную руду смешивают с разогретой массой едкого натра в автоклаве.
- Смесь пропускают через систему сосудов из высокопрочной стали. Сосуды оснащены паровой рубашкой, поддерживающей необходимую температуру. Давление пара поддерживается на уровне 1,5-3,5 Мпа до полного перехода алюминиевых соединений, из обогащённой породы в алюминат натрия в перегретом растворе едкого натрия.
- После охлаждения жидкость проходит стадию фильтрации в результате которой происходит отделение твёрдого осадка и получение пересыщенного чистого раствора алюмината. При добавлении в полученный раствор остатков гидроокиси алюминия от предыдущего цикла, разложение ускоряется.
- Для окончательной осушки гидрата окиси алюминия применяют процедуру прокаливания.
Электролитическое производство чистого алюминия
Чистый алюминий получают, используя непрерывный процесс в результате которого прокалённый алюминий вступает в стадию электролитического восстановления .
Современные электролизёры представляют устройство, состоящее следующих частей:
Дополнительная очистка алюминия рафинированием
Если алюминий, извлечённый из электролизёров, не соответствует конечным требованиям, его подвергают дополнительной очистке рафинированием.
В промышленности этот процесс проводят в особенном электролизёре, в котором содержится три жидких слоя:
В процессе электролиза примеси остаются в анодном слое и электролите. Выход чистого алюминия составляет 95–98%. Разработке алюминий содержащих месторождений, отведено ведущее место в народном хозяйстве, благодаря свойствам алюминия, который в настоящее время занимает второе место после железа в современной промышленности.
Алюминий является одним из самых популярных и востребованных металлов. В какой только отрасли его не добавляют к составу тех или иных предметов. Начиная от приборостроения и заканчивая авиацией. Свойства этого легкого, гибкого и неподатливого для коррозии металла пришлись по вкусу весьма многим отраслям производства.
Сам алюминий (довольно активный металл) в чистом виде в природе практически не встречается и его добывают из глинозема, химическая формула которого – Al 2 O 3 . А вот прямым путем к получению глинозема является, в свою очередь, алюминиевая руда.
Различия по насыщенности
В основе своей достойными упоминания являются лишь три вида руд, с которыми нужно работать, если вы занимаетесь добычей алюминия. Да, данный химический элемент очень и очень распространен, и его можно найти также в других соединениях (их насчитывают около двух с половиной сотен). Однако, наиболее рентабельной, в силу весьма высокой концентрации, добыча будет именно из бокситов, алунитов и нефелинов.
Нефелины являются щелочным образованием, появившимся вследствие высокой температуры магмы. Из одной единицы данной руды выйдет до 25% глинозема, как основного сырья. Однако, эта руда алюминия считается наиболее бедной для добытчиков. Все соединения, содержащие в себе глинозем в еще меньших количествах, чем имеют нефелины – заведомо признаны нерентабельными.
Алуниты образовались при вулканической, а также гидротермальной активностях. Они в себе содержат до 40% такого необходимого глинозема, являясь «золотой серединой» в нашей троице руд.
И первое место, с рекордным содержанием оксида алюминия в виде пятидесяти процентов и более, получают бокситы! Они по праву считаются основным источником глинозема. Однако, касаемо их происхождения ученые до сих пор не могут прийти к единственно верному решению.
То ли они перекочевали с изначального места происхождения и отложились после того, как выветрились древние породы, то ли получились осадком после того, как растворились некоторые известняки, или же вообще стали итогом распада солей железа, алюминия и титана, выпав осадком. В общем, происхождение все еще неизвестно. Но то, что бокситы – самые доходные, это уже точно.
Способы добывания алюминия
Добывают необходимые руды двумя способами.
В плане открытого способа добычи в месторождениях алюминия заветного Al 2 O 3 , три основных руды делятся на две группы.
Бокситы и нефелины, как структуры с более высокой плотностью, срезаются фрезерным методом с помощью карьерного комбайна. Конечно, все зависит от производителя и модели машины, но, в среднем, она способна снимать до 60 сантиметров породы за раз. После полного прохода одного слоя делается так называемая полка. Такой метод способствует безопасному нахождению на своем месте оператора комбайна. В случае обвала и ходовая часть, и кабина с оператором будут находиться в безопасности.
Во второй группе находятся алуниты, которые, в силу рыхлости, добывают карьерные экскаваторы с последующей выгрузкой на самосвалы.
Радикально другим способом является пробивание шахты. Здесь принцип добычи идет таким же, как и в угольном промысле. Кстати, самой глубокой шахтой алюминия в России является та, что расположена на Урале. Глубина шахты составляет 1550м.!
Обработка полученной руды
Далее, вне зависимости от выбранного способа добычи, полученные полезные ископаемые отправляются в цеха для переработки, где специальные дробильные аппараты разобьют минералы на фракции, размером примерно под 110 миллиметров.
Следующим этапом идет получение дополнительных хим. добавок и транспортировка к дальнейшему этапу, которым является спекание породы в печах.
Пройдя декомпозицию и получив на выходе из нее алюминатную пульпу, мы отправим пульпу на разделение и осушение ее от жидкости.
На финальном этапе то, что получилось, подвергается очистке от щелочей и снова отправляется в печи. В этот раз – на прокалку. Финалом всех действий станет тот самый сухой глинозем, который нужен для получения алюминия через гидролиз.
Пусть пробивание шахты и считается более тяжелым способом, но оно несет меньший вред окружающей среде, чем открытый способ. Если вы за экологию – вы знаете, что выбрать.
Добыча алюминия в мире
В данном пункте можно сказать, что показатели по взаимодействиям с алюминием во всем мире разделяются на два списка. В первом списке окажутся страны, которые владеют наибольшими природными запасами алюминия, но, возможно, не все из этих богатств успевают обрабатывать. А во втором списке как раз находятся мировые лидеры по непосредственной добыче алюминиевой руды.
Итак, в плане природных (хоть и не везде, пока что, реализованных) богатств ситуация обстоит так:
- Гвинея
- Бразилия
- Ямайка
- Австралия
- Индия
Эти страны, можно сказать, обладают подавляющим большинством Al 2 O 3 в мире. На их долю приходится 73 процента в сумме. Остальные запасы разбросаны по всему земному шару не в таких щедрых количествах. Гвинея, что расположена в Африке, в глобальном смысле – крупнейшее месторождение алюминиевых руд в мире. Она «отхватила» 28%, что даже больше четверти от общемировых залежей данного полезного ископаемого.
А вот так обстоят дела с процессами добычи алюминиевой руды:
- Китай – на первом месте и добывает 86,5 млн. тонн;
- Австралия – страна диковинных животных со своими 81,7млн. тонн на втором месте;
- Бразилия – 30,7 млн. тонн;
- Гвинея, будучи лидером по запасам, в плане добычи лишь на четвертом месте – 19,7 млн. тонн;
- Индия – 14,9 млн. тонн.
Также к данному списку можно добавить Ямайку, способную добыть 9,7 млн. тонн и Россию, с ее показателем в 6,6 млн. тонн.
Алюминий в России
Касаемо добычи алюминия в России, похвастаться определенными показателями могут лишь Ленинградская область и, конечно же, Урал, как истинная кладовая полезных ископаемых. Основной способ добычи – шахтный. Им добывают четыре пятых всей руды страны. В общей сложности, на территории Федерации имеется более четырех десятков месторождений нефелинов и бокситов, ресурса которых точно хватит даже нашим праправнукам.
Однако, Россия также занимается и ввозом глинозема из других стран. Все потому, что местные вещества (к примеру, месторождение Красная Шапочка в Свердловской области) содержат в себе лишь половину глинозема. Тогда как китайские или итальянские породы насыщенны Al 2 O 3 на шестьдесят и более процентов.
Оглядываясь на некоторые сложности с добычей алюминия в России, имеет смысл задуматься о производстве вторичного алюминия, как это сделали Великобритания, Германия, США, Франция и Япония.
Применение алюминия
Как мы уже оговаривали в начале статьи, спектр применения алюминия и его соединений крайне широк. Даже на этапах извлечения из породы он крайне полезен. В самой руде, например, находятся в малом количестве и другие металлы, вроде ванадия, титана и хрома, полезные для процессов легировании стали. На этапе глинозема тоже есть польза, ведь глинозем используется в черной металлургии в роли флюса.
Сам металл используют в производстве теплового оборудования, криогенной технике, участвует в создании ряда сплавов в металлургии, присутствует в стекольной промышленности, ракетной технике, авиации и даже в пищевой промышленности, как добавка Е173.
Так что, наверняка ясно только одно. В течение еще многих лет потребность человечества в алюминии, как и в его соединениях, не угаснет. Что, соответственно, говорит исключительно о росте объемов его добычи.
