Виробництво алюмінію

З якої руди отримують алюміній і способи отримання алюмінію — ключові питання сучасної металургії. Запаси алюмінію є найбільш численними на нашій планеті, однак у чистому вигляді зустріти його неможливо, оскільки це хімічно активний матеріал, його атоми легко утворюють хімічні зв’язки з різними речовинами. Особливість отримання цього металу полягає в тому, що тут не працюють стандартні методи, такі як плавлення руди, які використовуються для багатьох інших металів.

Алюміній отримують за допомогою величезних обсягів електроенергії, і цей процес значно складніший. Саме тому заводи з виробництва алюмінію зазвичай будують поблизу потужних джерел енергії, один з оптимальних варіантів — гідроелектростанції, які найменше забруднюють навколишню атмосферу.

Основні етапи виробництва алюмінію

Увесь процес видобутку та виробництва алюмінію можна розділити на такі основні етапи:

Боксити — основна руда для отримання алюмінію

Руда, з якої отримують алюміній — це боксити, що є основною сировиною для виробництва алюмінію. З чого добувають алюміній? Боксити — це гірська порода, до складу якої входять оксид алюмінію та різноманітні мінеральні домішки. Сировина має високу якість, якщо вона містить понад 60% оксиду алюмінію.

Залежно від структури та кольору боксити можуть суттєво відрізнятися — вони можуть бути розсипчастими і пухкими або навпаки — твердими й щільними. Колір бокситів також різноманітний: коричневий, рудуватий, червоний, а якщо в них міститься залізо — більш білий. Також трапляються темно-зелені чи жовті руди з різними вкрапленнями.

Родовища алюмінію у світі та географія видобутку

Родовища алюмінію у світі розподілені нерівномірно. Переважна більшість світових запасів — близько 90% — знаходиться в субтропічних і тропічних поясах. Де добувають алюміній у найбільших обсягах? Основні регіони видобутку:

Зазвичай видобуток бокситів здійснюється із застосуванням спеціальної техніки, яка допомагає «зрізати» руду з поверхні, після чого її транспортують для подальшої переробки. Не завжди алюмінієва руда лежить просто на поверхні — існують і глибокі поклади, видобуток яких потребує будівництва спеціалізованих шахт. Одна з найглибших — шахта «Черемуховська-Глибока» в Росії, її глибина сягає 1550 метрів.

Способи отримання алюмінію: від руди до металу

Отримання глинозему — перший етап переробки

Далі відбувається етап переробки алюмінієвої руди в глинозем — білий розсипчастий порошок, що є оксидом алюмінію. Способи отримання алюмінію включають кілька основних методів переробки бокситів:

Метод Байєра

Основний метод отримання глинозему називається методом Байєра. Йому вже близько ста років, але й нині 90% усього глинозему виробляють саме таким способом. Його ключова перевага — економічність, проте він підходить лише для переробки високоякісних бокситів з низьким вмістом домішок, особливо кремнезему.

Метод спікання

Окрім методу Байєра існує й інший спосіб отримання алюмінію — так званий метод спікання. У цьому способі тверді матеріали отримують із порошкоподібних за умов максимальних температур. Боксити змішують із вапняком і содою, щоб можна було легко відокремити нерозчинні силікати. Цей метод значно дорожчий, але дозволяє переробляти боксити низької якості з високим вмістом кремнезему.

Криоліт — необхідний компонент виробництва

Саме глинозем є первинним джерелом металу при отриманні алюмінію. Але щоб створити сприятливе середовище для якісного здійснення процесу, потрібен ще один компонент — криоліт. Цей мінерал досить крихкий і легко плавиться. Природних родовищ криоліту мало, тому на виробництві найчастіше використовують його штучний аналог, отриманий шляхом взаємодії гідроксиду алюмінію з содою та плавиковою кислотою.

Електролізний процес виробництва алюмінію

Після того як видобуто боксити, отримано глинозем та підготовлено криоліт, розпочинається завершальний етап виробництва алюмінію — електроліз. Саме цех, у якому виконується цей процес, є центром усього виробництва алюмінію. Він суттєво відрізняється від звичайних металургійних цехів, де виробляють, наприклад, сталь.

Всередині розташовані прямокутні корпуси довжиною до 1 км. Тут же знаходяться електролізні ванни, з’єднані товстими кабелями з джерелом живлення. Сила струму становить 300–400 кА, а напруга — 5–6 вольт. Основна рушійна сила виробництва — електричний струм, оскільки майже всі процеси автоматизовані й людей задіяно мінімально.

Технологія електролізу

Ванна наповнюється криолітом, властивості якого дозволяють створити струмопровідне середовище при дуже високій температурі. У ваннах відбувається електроліз. Катодом є дно ванни, анодом — спеціальні вугільні блоки, занурені у розплав.

Кожні 30 хвилин автоматична система подає нову порцію сировини. Електричний струм розриває хімічний зв’язок алюмінію та кисню, у результаті чого метал осідає на дно ванни, а кисень з’єднується з вуглецем, утворюючи CO₂.

Алюміній витягують з ванни кожні 2–4 дні за допомогою вакуумних ковшів. На поверхні утворюється кірка електроліту, у ній роблять отвір і опускають трубку, через яку рідкий метал всмоктується в ковш, з якого попередньо відкачано повітря. Одна ванна дає близько однієї тонни алюмінію, ковш вміщує приблизно чотири тонни.

Екологічні аспекти виробництва

Усі електролізери оснащені системами газозбору, які відводять гази, що виділяються під час електролізу, і направляють їх на очищення. Сучасні «сухі» системи газоочистки використовують глинозем для уловлювання фтористих сполук.

Ливарний етап і отримання готової продукції

Розплавлений алюміній надходить у спеціальний ливарний цех, де він усе ще містить невелику частину домішок. Навіть мінімальні домішки можуть негативно впливати на властивості металу, тому його додатково переплавляють у спеціальній печі при температурі 800°C для їх видалення.

У результаті отриманий алюміній розливають у форми, де він застигає. Найменший злиток називається чушка, їхня вага — від 6 до 25 кг. Споживачі отримують алюміній у вигляді чушок і вже самостійно переплавляють його, надаючи потрібну форму.

Сучасні технології та перспективи розвитку

Технології виробництва алюмінію вдосконалюються з кожним днем. Робиться це для того, щоб надавати споживачеві товар найвищої якості, витрачаючи якомога менше коштів, а також щоб процес виробництва був максимально безпечним для навколишнього середовища.

Вторинна переробка алюмінію

Основна перевага алюмінію — збереження всіх своїх властивостей під час експлуатації. Завдяки цьому вироби можуть бути повторно перероблені без втрати якості. Це економить величезну кількість енергії, витраченої під час первинного виробництва.

Все про алюміній включає розуміння важливості вторинної переробки. Відходи алюмінію збирають і переробляють у всьому світі, що допомагає економити ресурси та зменшувати обсяг сміттєзвалищ. Зростання екологічної свідомості стимулює розвиток системи роздільного збору відходів.

На сьогоднішній день практично кожне виробництво прагне стати більш модернізованим з метою підвищення як рентабельності процесу, так і екологічної безпеки виробництва алюмінію.