Меню

Алюминиевая руда как полезное ископаемое

Добыча алюминия: добыча алюминиевой руды и получение металла

На сегодняшний день алюминий — один из самых популярных металлов, который используется как во многих отраслях промышленности, так и в повседневной жизни каждого человека. Удивительно, что этот металл, всего полтора века назад считавшийся дороже золота, занял прочную позицию на рынке и продолжает быть очень востребованным.

Различия по насыщенности

Алюминиевая руда представляет собой горную породу, из которой добывают металл. Алюминий не существует в чистом виде в природе, это химический элемент, который можно найти во многих соединениях, но различной насыщенности. По причине наибольшей рентабельности в настоящее время добыча алюминия производится из бокситов, алунитов и нефелинов.

Наибольшую концентрацию оксида алюминия содержат бокситы (50 % и более). Они являются главным источником глинозема, то есть основного сырья, из которого производится алюминий.

На втором месте по концентрации алюминия в составе находятся алуниты, которые содержат до 40 % глинозема.

На третьей позиции обосновались нефелины. Они представляют собой щелочное образование, которое содержит до 25 % глинозема.

Все остальные соединения содержат глинозем в меньшей концентрации, и нерентабельны в процессе добычи алюминия.

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.

Технология разработки алюминиевых залежей

Наиболее важную роль в получении алюминия играют бокситы, в которых наибольшая концентрация глинозема. Сам по себе боксит — это сложная горная порода, и его добыча опирается на нескольких основных способов:

  • открытый — считается основным и наиболее популярным методом, который используется, если алюминиевая руда залегает неглубоко (чаще всего это именно бокситы);
  • подземный (иначе — шахтный) способ. Этот метод извлечения алюминиевой руды схож по принципу с добычей каменного угля в шахтах (отсюда название).

При выборе метода обработки месторождения алюминиевой руды учитываются такие факторы, как тип месторождения, а также геологические условия его залегания (например, горизонтальное или наклонное).

Процесс срезания пластов алюминиеносных пород земли зависит также во многом от их вида и структуры. Ниже представлены два наиболее распространенных метода:

  1. Срезка фрезерным способом, когда на помощь приходят карьерные комбайны. Благодаря этим машинам (различным также по своим свойствам в зависимости от модели) происходит срез пласта, толщина которого может достигать 600 мм. Алюминиевые породы обрабатываются таким образом постепенно. После снятия каждого слоя образуются так называемые «полки».
  2. Альтернативой фрезерной разработки алюминиевой руды, в особенности рыхлой, является работа карьерных экскаваторов. Этот способ применяется, если необходимо сразу погрузить руду на самосвалы с целью дальнейшей транспортировки.

Способы добычи алюминиевой руды

Прямо из руды добыть алюминий невозможно, он слишком быстро окисляется. По этой причине ценный металл получают в несколько стадий:

  1. Добывание глинозема (окись алюминия) из алюминиевых руд с последующей транспортировкой при помощи самосвалов на обогатительные комбинаты.
  2. Получение алюминия из глинозема — самая сложная и трудоемкая часть процесса:
  • минералы измельчают при помощи дробильных аппаратов;
  • затем спекают в печах;
  • впоследствии происходит выщелачивание при помощи крепких щелочей — период обработки сырья. Стоит отметить, что добывание глинозема может осуществляться различными способами: кислотным, электролитическим и щелочным. Наиболее популярный метод именно щелочной, его использовали еще в 18 в.;
  • декомпозиция, т. е. процесс, в котором полученная алюминатная пульпа попадает на сепарацию, где жидкая составляющая выпаривается;
  • рафинирование алюминия, иначе — очищение от лишних щелочей;
  • прокаливание в печах — завершающий этап.

В результате сложнейших операций получается сухой глинозем. Из этого сырья получают чистый алюминий при помощи гидролизной обработки.

Для того чтобы получить 1 тонну чистого алюминия, необходимо добыть 2 тонны глинозема. Такое количество глинозема будет содержаться примерно в 4–4,5 тоннах боксита. Количество алунитов или нефелитов должно быть, соответственно, еще больше. Легко сделать вывод, что добыча и производство алюминия — это непростой, энергоемкий и затратный процесс.

Читайте также:  При каких болезнях полезен отвар шиповника

Применение алюминиевой руды

Современный мир трудно представить себе без алюминия. Спектр его применения очень широк, и мы иногда не представляем себе, насколько важен этот метал в нашей жизни.

Алюминий широко применяется в машино- и автостроении, авиации, строительстве, стекольной промышленности, а также при производстве электротехники и других мелких товаров народного потребления (например, фольга).

Особенно интересным фактом является то, что алюминий присутствует в нашей жизни также в качестве пищевой добавки под кодом Е173. В качестве пищевого красителя эта добавка разрешена в ряде стран, в том числе и в России. Наиболее часто данный краситель используется в кондитерской отрасли благодаря тому, что он придает изделиям красивый серебристый оттенок. Тем не менее, это небезопасная добавка, и врачи настоятельно рекомендуют потреблять ее очень умеренно и с осторожностью.

Алюминиевая руда имеет богатый состав, и кроме алюминия из нее извлекают другие химические элементы. В основном это цветные металлы, которые в дальнейшем используются для улучшения качества стали, а также титан, ванадий, хром и др.

Извлеченный глинозем также полезен в черной металлургии, где он используется в качестве флюсов.

Во время плавления руды, извлеченной из бокситов, в электропечах получается еще один материал, который называется электрокорундом. Он особенно ценен благодаря своей твердости (уступает только алмазу) и востребован в качестве абразива.

Во время процесса получения алюминия образуются также отходы, которые носят название красный шлам. В их составе элемент скандий, особенно востребованный во многих отраслях как тяжелой (автомобильная, ракетостроительная), так и легкой (производство электроприводов, спортивного оборудования) промышленности.

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.

Источник

Алюминий: свойства, производство и применение

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, обладающий достаточно низким удельным весом и хорошо поддающийся плавке и механическим воздействиям. По уровню распространённости в природе он занимает третье место, среди всех химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева; среди металлов – первое.

  • Высокая тепло- и электропроводность.
  • Стойкость к понижению температуры.
  • Плотность – 2712 кг/м 3 .
  • Температура плавления: 658 0 C– технический металл; 660 0 C– чистый металл.
  • Пластичен. Из него можно получать тонкий лист и фольгу.
  • Хорошо поддаётся сварке.
  • Обладает хорошей светоотражающей способностью.
  • Алюминий – высоко активен.
  • На воздухе образует оксидную плёнку, которая в дальнейшем обеспечивает защиту от коррозии, и не даёт возможности вступать в реакцию с рядом окислителей.
  • При нормальных условиях вступает в реакции с бромом и хлором.
  • При повышении температуры образует соединения с азотом, йодом, кислородом, серой, фосфором, углеродом.
  • Хорошо взаимодействует со щелочами.
  • Образует множество сплавов с металлами.

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.

Читайте также:  Витамины полезные для работы сердца

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 950 0 C 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.

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.

Читайте также:  Медицинская сестра комнаты здорового ребенка вакансии

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:

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.

Месторождения в России и мире

50 месторождений алюминиевых руд расположено на территории России. Крупнейшие из них расположены в Архангельской, Белгородской, Ленинградской и Свердловской областях, а также в республике Коми.

Мировые бокситные месторождения располагаются в 7 регионах мира:

  • Африка – Гвинея и ряд стран в центре и на западе континента.
  • Южная Америка – Бразилия, Венесуэла, Гайана и Суринам.
  • Карибские острова – Ямайка.
  • Европа – Греция и ряд регионов России.
  • Азия – Индия, Китай, Турция.
  • Австралия.

Мировые запасы

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

Страны, добывающие алюминий.

В 2018 году общемировая выплавка алюминия достигла 60 миллионов тонн, распределившись по странам следующим образом:

  • Китай – 33 млн. тонн.
  • Россия – 3,71 млн. тонн.
  • Индия – 3,68 млн. тонн.
  • Канада – 2,9 млн. тонн.
  • ОАЭ – 2,6 млн. тонн.
  • Австралия – 1,6 млн. тонн.
  • Норвегия – 1,35 млн. тонн.
  • Бахрейн – 0,995 млн. тонн.
  • Саудовская Аравия – 0,916 млн. тонн.
  • США – 0,89 млн. тонн.

Алюминий занимает лидирующее положение среди производимых на планете цветных металлов, уступая в общем металлургическом списке лишь стали.

Источник