Алюминий - один из важнейших конструкционных материалов. Благодаря своей легкости, механической прочности, высокой электропроводности, большой коррозионной устойчивости он нашел широкое применение в авиационной, автомобильной, электротехнической промышленности, других отраслях современной техники и в быту. По объему производства и потребления в мире он занимает второе место среди металлов после железа.
Сырьем для производства алюминия является глинозем , который получают из бокситов, нефелиновых руд и других высокоглиноземистых пород. Основная алюминиевая руда , обеспечивающая 98 % мирового производства глинозема, - бокситы. Россия является единственной страной в мире, где используется такое низкокачественное алюминиевое сырье, как нефелиновые руды.
Общие запасы бокситов в 29 странах мира превышают 40 млрд т, 95 % из них сосредоточено в тропическом поясе, в том числе более 50 % приходится на Гвинею, 40 - на Австралию, Венесуэлу, Бразилию, Индию, Вьетнам и Ямайку. Добывают бокситы в 24 странах в количестве 140 млн т в год, 80 % добычи приходится на Австралию, Гвинею, Ямайку, Бразилию, Китай и Индию. Ежегодное производство глинозема в странах, добывающих бокситы, превысило 52 млн т, а выплавка первичного алюминия - 24,5 млн т. За последние годы производство алюминия возросло более чем в 10 раз.
Уникальными считаются месторождения бокситов с запасами более 500 млн т, крупными и средними - 500 - 50, мелкими - менее 50 млн т.
Бокситы представляют собой остаточную или осадочную породу, состоящую из гидроксидов алюминия, оксидов и гидроксидов железа, глинистых минералов и кварца. По минеральному составу различают бокситы гиббситовые, бемитовые, диаспоровые. При этом замечено, что в молодых, не претерпевших преобразования, месторождениях преобладают гиббситовые руды, а в более древних и преобразованных они сменяются бемитовыми и диаспоровыми.
Все промышленные типы бокситовых месторождений являются экзогенными образованиями. Они подразделяются на месторождения выветривания и осадочные. Месторождения выветривания делятся на остаточные латеритные и остаточные переотложенные, а осадочные - на залегающие в терригенных формациях платформенных областей и связанные с карбонатными формациями геосинклинальных областей. Характеристика приведена в табл. 1.2.1.
Таблица 1.2.1 Главнейшие геолого-промышленные типы месторождений алюминия
|
Геолого- |
Рудоносная |
Рудные тела |
Условия залегания |
Состав руд |
Примеры |
Масштаб, |
|
1. Остаточный |
а) Современная кора |
Горизонтальные |
Приповерхностные |
Гиббсит, гематит |
Боке, Фриа (гвинея) |
Уникальные |
|
б)Древняя кора |
Крупнй горизонт. |
Залежи перекрыты |
Бемит, гиббсит, |
Висловское |
Крупные, |
|
|
2. Остаточный |
Молодые мезозойско- |
Линзообразные, |
1-3 горизонта среди |
Гиббсит, бемит, |
Месторождения |
|
|
3. Осадочный |
Терригенные, карбонат- |
Линзообразные, |
На глубинах 40-150 м |
Гиббсит, бемит, каолинит |
Тихвинская группа, |
Мелкие, |
|
4. Осадочный |
Карбонатная формация |
Линзовидные, |
Среди |
Диаспор, бемит, |
Красная шапочка и |
Крупные, средние |
Основное промышленное значение имеют латеритные месторождения (90 % мировых запасов).
В России разрабатываются бокситовые месторождения Северо-Уральского (СУБР) и Южно-Уральского (ЮУБР) бокситоносных районов (84 % добычи) и Тихвинского района (16%). В связи с недостатком сырья для обеспечения потребностей отечественной металлургии Россия ежегодно ввозит около 50 % (3,7 млн т) глинозема из Украины, Казахстана и стран дальнего зарубежья.
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.
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.
КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. Около 1900 лет назад Плиний Старший впервые назвал квасцы, применявшиеся для протравки при окраске тканей «алумен». Спустя 1500 лет швейцарский натуралист Парацельс установил, что в состав квасцов входит оксид алюминия. Впервые чистый алюминий был извлечен из боксита датским ученым Г. Эрстедом в 1825 г. В 1865 г. русский химик Н. Бекетов получил алюминий путем вытеснения его магнием из расплавленного криолита (Na 3 AlF 6). Этот способ нашел промышленное применение в Германии и Франции в конце XIX в. В середине XIX в. алюминий причислялся к редким и даже драгоценным металлам. В настоящее время по объему мирового производства алюминий уступает только железу.
ГЕОХИМИЯ. Алюминий относится к числу элементов, наиболее распространенных в земной коре. Его кларк равен 8,05 %. В природных условиях он представлен только одним изотопом 27 Al.
В эндогенных условиях алюминий концентрируется преимущественно в щелочных нефелин- и лейцитсодержащих породах, а также в некоторых разновидностях основных пород (анортозитах и др.). Значительные массы алюминия накапливаются в связи с процессами алунитизации, связанными с гидротермальной переработкой кислых вулканогенных образований. Наибольшие скопления алюминия наблюдаются в остаточных и переотложенных корах выветривания кислых, щелочных и основных пород.
В осадочном процессе глинозем растворяется и переносится только в кислых (pH < 4) или сильно щелочных (pH > 9,5) растворах. Осаждение гидрооксидов алюминия начинается при pH = 4,1. В присутствии SiO 2 растворимость Al 2 O 3 возрастает, а при наличии CO 2 снижается. Коллоидный Al 2 O 3 по сравнению с коллоидным SiO 2 менее устойчив и быстрее коагулирует. Поэтому в процессе их совместной миграции происходит разделение этих элементов. В связи с различной геохимической подвижностью соединений алюминия, железа и марганца происходит их дифференциация в прибрежной зоне седиментационных бассейнов. Ближе к берегу накапливаются бокситы, в верхней части шельфа – железные руды, а внизу шельфа – марганцевые руды. Гидрооксиды алюминия обладают значительной адсорбционной способностью. В минералах, слагающих бокситы, постоянно в переменных количествах присутствуют Fe, V, Cr, Zn, Mn, Cu, Sn, Ti, B, Mg, Zr, P и др.
МИНЕРАЛОГИЯ . Алюминий входит в состав около 250 минералов. Однако промышленное значение имеют лишь некоторые из них: диаспор и бёмит, гиббсит (гидраргиллит), нефелин, лейцит, алунит, андалузит, кианит, силлиманит и др.
Диаспор HAlO 2 (содержание Al 2 O 3 85 %) кристаллизуется в ромбической сингонии, габитус кристаллов пластинчатый, таблитчатый, игольчатый, агрегаты листоватые, скрытокристаллические, сталактитообразные. Цвет минерала белый, сероватый, с примесью Mn или Fe – серый, розовый, коричневый, блеск стеклянный до алмазного, твердость 6,5–7, удельная масса 3,36 г/см 3 .
Бёмит AlOOH – полиморфная модификация диаспора (по фамилии Бём), кристаллы пластинчатые, агрегаты скрытокристаллические, бобообразные, цвет белый, твердость 3,5–4, удельная масса ~ 3 г/см 3 . Образуется при гидротермальном изменении нефелина.
Гиббсит (гидраргиллит) Al(OH) 3 (Al 2 O 3 64,7 %) кристаллизуется в моноклинальной, реже в триклинной сингонии, кристаллы псевдогексагональные, пластинчатые и столбчатые, агрегаты фарфоровидные, землистые, натечные, червеобразные, сфероидальные конкреции, твердость 2,5–3, удельная масса 2,4 г/см 3 .
Нефелин Na (Al 2 O 3 34 %) кристаллизуется в гексагональной сингонии, кристаллы призматические, короткостолбчатые, толстотаблитчатые, бесцветный, серый, мясо-красный, блеск от стеклянного до жирного, твердость 5,5–6, удельная масса 2,6 г/см 3 .
Лейцит K (Al 2 O 3 23,5 %) – каркасный силикат, изоструктурный с анальцимом; кристаллы – тетрагонтриоктаэдры, додекаэдры. Цвет минерала белый, серый, твердость 5,5–6, удельная масса 2,5 г/см 3 .
Алунит KAl 3 (OH) 6 2 (Al 2 O 3 37 %) кристаллизуется в тригональной сингонии, кристаллы таблитчатые, ромбоэдрические или чечевицеобразные, агрегаты плотные и зернистые. Цвет минерала белый, сероватый, желтоватый, бурый, блеск стеклянный до перламутрового, твердость 3,5–4, удельная масса 2,9 г/см 3 . Встречается в коре выветривания, где обильна H 2 SO 4 .
Андалузит Al 2 O (по провинции Андалузия, Испания) – одна из трех полиморфных модификаций силиката алюминия (андалузит, кианит и силлиманит), образующаяся при наименьших давлении и температуре. Алюминий незначительно замещается Fe и Mn. Кристаллизуется в ромбической сингонии, кристаллы столбчатые, волокнистые, агрегаты зернистые и лучисто-шестоватые, цвет розовый, блеск стеклянный, твердость 6,5–7, удельная масса 3,1 г/см 3 .
Важнейшими рудами алюминия являются бокситы – горная порода, состоящая из гидрооксидов алюминия, оксидов и гидрооксидов железа и марганца, кварца, опала, алюмосиликатов и др. По минеральному составу различают бокситы диаспоровые, бёмитовые, гиббситовые, а также комплексные, состоящие из двух или трех перечисленных минералов. Аморфный глинозем, входящий в состав промышленных минералов алюминия, со временем испытывает старение, в результате чего он преобразуется в бёмит, а последний переходит в гиббсит.
ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. Алюминий благодаря своей легкости (плотность 2,7 г/см 3), высокой электропроводности, большой коррозионной устойчивости и достаточной механической прочности (особенно в сплавах с Cu, Mg, Si, Mn, Ni, Zn и др.) нашел широкое использование в различных отраслях промышленности. Основными областями применения алюминия и его сплавов являются: автомобиле-, судо-, самолето- и машиностроение; строительство (несущие конструкции); производство упаковочных материалов (контейнеры, фольга); электротехника (провода, кабель); производство предметов быта; оборонная промышленность.
РЕСУРСЫ И ЗАПАСЫ. Основным сырьем мировой алюминиевой промышленности являются бокситы. К собственно бокситам относятся глиноземистые породы, содержащие не менее 28 % Al 2 O 3 . Алюминий получают также из нефелиновых и алунитовых руд. Разработан электротехнический способ получения алюминия из силлиманитовых, андалузитовых, кианитовых кристаллических сланцев и гнейсов и других небокситовых источников глинозема. Бокситы, как правило, образуют площадные залежи, выходящие на поверхность либо лишь незначительно перекрытые, вследствие чего их обнаружение и установление промышленных характеристик месторождений представляет собой сравнительно несложную задачу.
Мировые ресурсы бокситов оцениваются в 55–75 млрд т. Около 33 % их сосредоточено в Южной и Центральной Америке, 27 % – в Африке, 17 % – в Азии, 13 % – в Австралии и Океании и лишь 10 % – в Европе и Северной Америке.
Общие запасы бокситов в мире составляют 62,2 млрд т, а запасы подтвержденные – 31,4 млрд т. В первую шестерку стран, обладающих наибольшими запасами, входят Гвинея, Австралия, Бразилия, Ямайка, Индия и Индонезия (табл. 8). Эти страны являются основными поставщиками гиббситовых бокситов на мировой рынок. Другие бокситодобывающие страны, как, например, Китай и Греция, используют бёмит-диаспоровые бокситы. Россия не обладает достаточными для внутреннего потребления запасами бокситов, а ее доля в мировом балансе этого сырья составляет менее 1 %.
К уникальным относятся месторождения с запасами бокситов более 500 млн т, к крупным – 500–50 млн т, средним – 50–15 млн т и мелким – менее 15 млн т.
ДОБЫЧА И ПРОИЗВОДСТВО. Мировая добыча бокситов в 1995–2000 гг. составляла 110–120 млн т. Главными продуцентами бокситов были Австралия, Гвинея, Ямайка, Бразилия и Китай. Объем добычи этого вида минерального сырья в России составлял около 4–5 млн т, в то время как в Австралии 43 млн т. В Австралии крупнейшей горнорудной компанией является « Alcan Aluminium ».
В России разработку и добычу бокситов ведут на месторождениях Урала ОАО «Севуралбокситруда» (СУБР) и ОАО «Южно-Уральские бокситовые рудники» (ЮБР) , где разведанные запасы могут обеспечить работу рудников на протяжении 25–40 лет. Добыча бокситов осуществляется шахтным методом с больших глубин.
Производство глинозема в мире из различных источников минерального сырья в 1995–2000 гг. составило 43–45 млн т. В Австралии, являющейся несомненным мировым лидером, основные производители глинозема – компании « Alcoa » , « Reynolds Metals » и « Comalco » .
МЕТАЛЛОГЕНИЯ И ЭПОХИ РУДООБРАЗОВАНИЯ. Наиболее благоприятные условия для образования бокситовых месторождений возникали на ранней стадии геосинклинального этапа, когда формировались геосинклинальные месторождения глиноземного минерального сырья, а также на платформенном этапе, когда появились латеритные и осадочные месторождения.
И некоторые другие элементы. Однако далеко не все из этих элементов в настоящее время извлекаются из алюминиевых руд и используют для нужд народного хозяйства.
Наиболее полно используют апатито-нефелиновую породу, из которой получают удобрения, глинозем, соду, поташ, и некоторые другие продукты; отвалов почти нет.
При переработке бокситов по способу Байера или спеканием в отвале еще остается много красного шлама, рациональное использование которого заслуживает большого внимания.
Ранее говорилось о том, что для получения 1 т алюминия необходимо затратить много электроэнергии, составляющей пятую часть себестоимости алюминия. В табл. 55 приведена калькуляция себестоимости 1 т алюминия. Из данных, приведенных в таблице, следует, что важнейшими составляющими себестоимости являются сырье и основные материалы, причем на долю глинозема падает почти половина всех расходов. Следовательно, снижение себестоимости алюминия должно в первую очередь идти в направлении уменьшения расходов на производство глинозема.
Теоретически на 1т алюминия необходимо затратить 1,89 т глинозема. Превышение этой величины при фактическом расходе является следствием потерь главным образом от распыления. Эти потери можно уменьшить на 0,5-0,6% путем автоматизации загрузки глинозема в ванны. Снижение себестоимости глинозема можно достичь сокращением потерь на всех стадиях его производства, особенно в отвальном шламе, при транспортировке алюминатных растворов и , а также во время кальцинации глинозема; за счет экономии, полученной от лучшего использования отработанного пара (из самоиспарителей) и полного использования тепла отходящих газов. Это особенно важно для автоклавного способа, расходы на пар в котором значительны.
Внедрение непрерывного выщелачивания и выкручивания на; передовых глиноземных заводах позволило автоматизировать многие операции, что способствовало снижению расхода пара, электроэнергии, повышению производительности труда и снижению себестоимости алюминия. Однако в этом направлении можно сделать еще многое. Не отказываясь от дальнейших поисков высокосортных бокситов, переход на которые резко сократит стоимость глинозема, следует искать пути комплексного использования железистых бокситов и красных шламов в черной металлургии. В качестве примера может служить комплексное использование апатито-нефелиновых пород.
Расходы на фтористые соли составляют 8%. Снизить их можно путем тщательного отвода газов от электролитных ванн улавливания из них фтористых соединений. Анодные газы, отсасываемые из ванны, содержат до 40мг/м 3 фтора, около 100мг/м 3 смолы и 90мг/м 3 пыли (AlF 3 , Al 2 O 3 , Na 3 AlF 6). Эти газы нельзя выбрасывать в атмосферу, так как они содержат ценные , кроме того, они ядовиты. Их необходимо очищать от ценной пыли, а также обезвреживать во избежание отравления атмосферы цеха и близлежащих к заводу районов. В целях очистки газы промывают слабыми растворами соды в башенных газоочистителях (скрубберах).
При совершенной организации процессов очистки и обезвреживания создается возможность вернуть в производство часть фтористых солей (до 50%) и тем самым снизить себестоимость алюминия на 3-5%.
Значительное снижение себестоимости алюминия может быть достигнуто за счет применения более дешевых источников электроэнергии и быстрого повсеместного внедрения более экономичных полупроводниковых преобразователей тока(особенно, кремниевых), а также за счет сокращения расхода электроэнергии непосредственно на . Последнее может быть достигнуто путем конструирования более совершенных ванн с меньшей потерей напряжения во всех или в отдельных их элементах, а также путем подбора более электропроводных электролитов (сопротивление криолита слишком велико и огромное количество электроэнергии переходит в избыточное тепло, которое пока невозможно рационально использовать). И не случайно, что ванны с обожженными анодами начинают находить все большее и большее применение, так как расход электроэнергии на этих ваннах значительно ниже.
Большую роль в снижении расхода электроэнергии играет обслуживающий персонал электролизных цехов. Поддержание нормального межполюсного расстояния, содержание в чистоте электрических контактов в различных местах ванны, снижение количества и продолжительности анодных эффектов, поддержание нормальной температуры электролита, внимательное наблюдение за составом электролита дают возможность значительно снизить расход электроэнергии.
Передовые бригады электролизных цехов алюминиевых заводов изучив теоретические основы процесса и особенности обслуживаемых ими ванн, тщательно наблюдая за ходом процесса, имеют возможность увеличить количество получаемого металла на единицу расходуемой электроэнергии при отличном его качестве и, следовательно, повысить эффективность производства алюминия.
Важнейшим фактором снижения себестоимости и повышения производительности труда является механизация трудоемких процессов в электролизных цехах алюминиевых заводов. В этой области на отечественных алюминиевых заводах за последние десятилетия достигнуты значительные успехи: механизировано извлечение алюминия из ванн; внедрены производительные и удобные механизмы для пробивки корки электролита и извлечения и забивки штырей. Однако нужно и можно в большей степени механизировать и автоматизировать процессы на алюминиевых заводах. Этому способствует дальнейшее увеличение мощности электролизеров, переход от периодических процессов к непрерывным.
В последние годы комплексное использование алюминиевых руд улучшилось в связи с тем, что некоторые алюминиевые заводы приступили к извлечению из отходов окислов ванадия и металлического галлия.
Был открыт в 1875 г. спектральным методом. За четыре года, до этого Д. И. Менделеев с большой точностью предсказал его основные свойства (назвав экаалюминием). имеет серебристо-белый цвет и низкую температуру плавления (+30° С). Небольшой кусочек галлия может быть расплавлен на ладони. Наряду с этим температура кипения галлия довольно высока (2230°С), поэтому его используют для высокотемпературных термометров. Такие термометры с кварцевыми трубками применимы до 1300° С. По твердости галлий близок к свинцу. Плотность твердого галлия 5,9 г/см 3 , жидкого 6,09 г/см 3 .
Галлий рассеян в природе, богатые им неизвестны. Он встречается в сотых и тысячных долях процента в алюминиевых рудах, цинковых обманках и золе некоторых углей. Смолы газовых заводов иногда содержат до 0 ,75% галлия.
По ядовитости галлий значительно превосходит и , поэтому все работы по его извлечению следует проводить, соблюдая тщательную гигиену.
В сухом воздухе при обычных температурах галлий почти не окисляется: при нагревании он энергично соединяется с кислородом, образуя белый окисел Ga 2 О 3 . Наряду с этим окислом галлия при определенных условиях образуются и другие его (GaO и Ga 2 О). Гидроокись галлия Ga(OH) 3 амфотерна и поэтому легко растворима в кислотах и щелочах, с которыми образует галлаты, близкие по свойствам к алюминатам. В связи с этим при получении глинозема из алюминиевых руд галлий вместе с алюминием переходит в растворы в затем сопутствует ему во всех последующих операциях. Некоторая повышенная концентрация галлия наблюдается в анодном сплаве при электролитическом рафинировании алюминия, в оборотных алюминатных растворах при производстве глинозема по способу Байера и в маточных растворах, остающихся после неполной карбонизации алюминатных растворов.
Поэтому, не нарушая схемы переделов, в глиноземных и рафинировочных цехах алюминиевых заводов, можно организовать извлечение галлия. Оборотные алюминатные растворы для извлечения галлия можно периодически карбонизировать в два приема. Вначале при медленной карбонизации осаждают примерно 90% алюминия и отфильтровывают раствор, который затем карбонизируют повторно для того, чтобы осадить в виде гидроокисей галлий и оставшийся еще в растворе . Полученный таким путем осадок может содержать до 1,0% Ga 2 О 3 .
Значительную часть алюминия можно осадить из алюминатного маточного оборотного раствора в виде фтористых солей. Для этого в алюминатный раствор, содержащий галлий, примешивают плавиковую кислоту. При рН<2,5 из раствора осаждается значительная часть алюминия в виде фторида и криолита (Na 3 AlF 6). Галлий и часть алюминия остаются в растворе.
При нейтрализации кислого раствора содой до рН = 6, осаждаются галлий и .
Дальнейшего отделения алюминия от галлия можно дос тичь, обрабатывая алюминиево-галлиевые гидратные осадки в автоклаве известковым молоком, содержащим небольшое количество едкого натра; при этом галлий переходит в раствор, а основная часть алюминия остается в осадке. Затем галлий осаждают из раствора углекислым газом. Полученный осадок содержит до 25% Ga 2 О 3 .Этот осадок растворяют в едком натре при каустическом отношении 1,7 и обрабатывают Na 2 Sдля очистки от тяжелых металлов, особенно от свинца. Очищенный и осветленный раствор подвергают электролизу при 60-75° С, напряжении 3-5 В и постоянном перемешивании электролита. Катоды и аноды должны быть сделаны из нержавеющей стали.
Известны и другие способы концентрации окиси галлия из алюминатных растворов. Так, из остающегося после электролитического рафинирования алюминия по трехслойному методу анодного сплава, содержащего 0,1-0,3% галлия, последний может быть выделен путем обработки сплава горячим раствором щелочи. При этом и галлий переходят в раствор, а и остаются в осадке.
Для получения чистых соединений галлия используют способность хлорида галлия растворяться в эфире.
Если в алюминиевых рудах присутствует , он будет постоянно накапливаться в алюминатных растворах и при содержании более 0,5 г/л V 2 O 5 выпадать с гидратом алюминия при карбонизации в осадок и загрязнять алюминий. Для очистки от ванадия маточные растворы упаривают до плотности 1,33 г/см 3 и охлаждают до 30° С, при этом выпадает шлам, содержащий более 5% V 2 O 5 , наряду с содой и другими щелочными соединениями фосфора и мышьяка, из которых он может быть выделен сначала сложной гидрохимической переработкой, а затем электролизом водного раствора.
Расплавление алюминия из-за его большой теплоемкости и скрытой теплоты плавления (392Дж/г) требует больших расходов энергии. Поэтому заслуживает распространения опыт электролизных заводов, начавших получение ленты и катанки непосредственно из жидкого алюминия (без разливки в слитки). Кроме того, большой экономический эффект может дать получение из жидкого алюминия в литейных цехах электролизных заводов различных сплавов массового потребления, а
Галлий история открытия элемента Об элементе с атомным номером 31 большинство читателей помнят только, что это один из трех элементов,...
