Где добывают алюминий в России

Способы добычи и область применения алюминиевой руды

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.

Промышленные масштабы «крылатого» металла начались лишь в 20 веке. Сегодня, это один из востребованных материалов в различных отраслях от электроники до космической и авиационной промышленности.

Впервые алюминиевая руда в виде серебристого металла была получена в 1825 году в объеме всего лишь нескольких миллиграмм, и до появления массового производства этот металл был дороже золота.

Например, одна из королевских корон Швеции имела в своем составе алюминий, а Д. И. Менделеев в 1889 году получил от британцев дорогой подарок – весы из золота и алюминия.

Какое сырье необходимо для получения алюминиевой руды? Как производят один из самых необходимых в современности материалов?

Бокситовая руда – основа мирового производства алюминия

Непосредственно сам серебристый металл получают из глинозема.

Это сырье представляет собой оксид алюминия (Аl2О3), получаемый с руд:

• Бокситов;
• Алунитов;
• Нефелиновых сиенитов.

Самый распространенный источник получения исходного материала это бокситы, их и считают основной алюминиевой рудой.

Несмотря на уже более чем 130 летнюю историю открытия, понять происхождение алюминиевой руды до сих пор не удалось. Возможно, что попросту в каждом регионе сырье образовалось под воздействием определенных условий. И это создает затруднения, чтобы вывести одну универсальную теорию об образовании бокситов.

Основных гипотез происхождения алюминиевого сырья три:

1. Они образовались вследствие растворения некоторых типов известняков, как остаточный продукт.
2. Боксит получился в результате выветривания древних пород с дальнейшим их переносом и отложением.
3. Руда является результатом химических процессов разложения железных, алюминиевых и титановых солей, и выпала как осадок.

Однако, алунитовые и нефелиновые руды образовывались в отличных условиях от бокситов. Первые формировались в условиях активной гидротермальной и вулканической деятельности. Вторые — при высоких температурах магмы.

Как результат, алуниты, в основном, имеют рассыпчатую пористую структуру. В их составе имеется до 40% различных оксидных соединений алюминия. Но, кроме собственно самой алюмниеносной руды в залежах, как правило, имеются добавки, что влияет на рентабельность их добычи. Считается выгодным разрабатывать месторождение при 50-ти процентном соотношении алунитов к добавкам.

Нефелины обычно представлены кристаллическими образцами, которые кроме алюминиевого оксида содержат добавки в виде различных примесей. Зависимо от состава, такой тип руды классифицируют по типам. Самые богатые имеют в своем составе до 90% нефелинов, второсортные 40-50%, если минералы беднее этих показателей, то не считается нужным вести их разработку.

Свойства алюминиевой руды

Боксит представляет собой сложное соединение оксидов алюминия, железа и кремния (в виде различных кварцев), титана, а также с небольшой примесью натрия, циркония, хрома, фосфора и прочих.

Самым важным свойством в производстве алюминия является «вскрываемость» бокситов. То есть насколько просто будет отделить от него ненужные кремниевые добавки, чтобы получить исходное сырье для выплавки металла.

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.

Основа получения алюминия – глинозем. Чтобы он образовался, руду перемалывают в мелкий порошок, и прогревают паром, отделяя большую часть кремния. И уже эта масса будет сырьем для выплавки.

Чтобы получить 1 тонну алюминия, потребуется около 4-5 тонн бокситов, с которых после обработки образуется около 2 тонн глинозема, а уже потом можно получить металл.

Технология разработки алюминиевых залежей. Способы добычи алюминиевой руды

При незначительной глубине залегания алюминиеносных пород их добыча ведется открытым способом. Но, сам процесс срезания пластов руды будет зависеть от ее вида, и структуры.

• Кристаллические минералы (чаще бокситы, или нефелины), снимают фрезерным способом. Для этого используются карьерные комбайны. Зависимо от модели такая машина может вести срез пласта толщиной до 600 мм. Толща породы разрабатывается постепенно, образуя после прохода одного слоя полки.

Это делается для безопасного положения кабины оператора и ходовых механизмов, которые в случае непредвиденного обвала будут находиться на безопасном расстоянии.

• Рыхлые алюминиевоносные породы исключают использование фрезерной разработки. Так как их вязкость забивает режущую часть машины. Чаще всего такие типы пород могут срезать при помощи карьерных экскаваторов, которые тут же грузят руду на самосвалы, для дальнейшей транспортировки.

Транспортирование сырья — это отдельная часть всего процесса. Обычно обогатительные комбинаты по возможности стараются возводить неподалеку от разработок. Это позволяет использовать ленточные транспортеры для подачи руды на обогащение. Но, чаще изъятое сырье перевозят самосвалами.
Следующий этап, обогащение и подготовка породы для получения глинозема.

• Руду при помощи ленточного транспортера перемещают в цех подготовки сырья, где может использоваться насколько дробильных аппаратов, измельчающих минералы поочередно до фракции приблизительно в 110 мм.
• Второй участок подготовительного цеха осуществляет подачу подготовленной руды, и дополнительных добавок на дальнейшую переработку.
• Следующий этап подготовки, это спекание породы в печах.

Также на этом этапе, возможна обработка сырья выщелачиванием крепкими щелочами. Результатом становится жидкий алюминатный раствор (гидрометаллургическая обработка).

• Алюминатный раствор проходит стадию декомпозиции. На данном этапе получают алюминатную пульпу, которую в свою очередь отправляют на сепарацию, и выпаривание жидкой составляющей.
• После чего данную массу очищают от ненужных щелочей, и направляют на прокалку в печах. В результате такой цепочки образуется сухой глинозем необходимый для получения алюминия путем гидролизной обработки.

Сложный технологический процесс требует большого количества топлива, и известняка, а также электроэнергии. Это является основным фактором расположения алюминиевых комбинатов – возле хорошей транспортной развязки, и нахождения рядом залежей необходимых ресурсов.

Однако существует и шахтный способ извлечения, когда порода из пластов вырубается по принципу добычи каменного угля. После чего руду отправляют на подобные производства по обогащению, и извлечению алюминия.

Страны лидеры по добыче алюминиевых руд

Jсновные месторождения алюминия сосредоточены в регионах с тропическим климатом, а большая часть 73% залежей приходятся на всего 5 стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. Из них самые богатые запасы имеет Гвинея более 5 млрд. тонн (28%от мировой доли).

Если разделить запасы и объемы по добыче, то можно получить следующую картину:

• 1-е место – Африка (Гвинея).
• 2-е место – Америка.
• 3-е место – Азия.
• 4-е место – Австралия.
• 5-е – Европа.

Пятерка лидеров стран по добыче алюминиевой руды представлена в таблице

Месторождения и производство алюминия

Второй по масштабам применения металл после железа и его сплавов

Алюминий (Al) — мягкий, легкий и пластичный металл серебристо-белого цвета. Элемент таблицы Менделеева с атомным номером 13 и третий по распространенности химический элемент в земной коре, уступающий лишь кремнию и кислороду. Самый распространенный металл.

Из традиционных алюминиевых руд — бокситов — в Красноярском крае имеются 2 месторождения: Чадобецкое в Богучанском районе и Татарское в Мотыгинском районе с незначительными разведанными запасами. В нераспределённом фонде недр находится крупное Горячегорское тералито-сиенитовое месторождение — его руды требуют обогащения для переработки в глинозём. При этом в Красноярске расположен второй в мире по величине производитель алюминия — Красноярский алюминиевый завод, входящий в структуру «РУСАЛа». КрАЗ является основной площадкой для опытной эксплуатации и внедрения инновационных разработок «РУСАЛа». На долю завода приходится около 24% российского и 2,4% мирового производства алюминия. Производственный комплекс состоит из 25 корпусов электролиза, 3 литейных отделений, отделения производства анодной массы. Продукция завода: первичный алюминий, алюминиевые сплавы (в слитках, мелкой и Т-образной чушке), алюминий высокой чистоты. Программа по снижению выбросов парниковых газов на КрАЗе включена в перечень утвержденных проектов, осуществляемых в соответствии с Киотским протоколом. Основным поставщиком сырья для завода выступает Ачинский глиноземный комбинат.

Кроме того, в поселке Таежный Богучанского района в рамках Богучанского энергометаллургического объединения строится Богучанский алюминиевый завод.

Алюминий является легким металлом серебристо-белого цвета с температурой плавления 658—660 °C. Является слабым парамагнетиком. Обладает высокой пластичностью, прокатывается в фольгу. Обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью и светоотражательной способностью.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны дюралюминий — сплав с медью и магнием, и силумин — сплав с кремнием. Благодаря покрытию тонкой и прочной, беспористой оксидной пленкой, не дающей металлу реагировать на классические окислители, алюминий практически не подвержен коррозии, что высоко ценится в современной промышленности.

При разрушении оксидной пленки он выступает как активный металл-восстановитель . Легко реагирует с простыми веществами: щелочами, водой (после удаления пленки), растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах. Восстанавливает металлы из их оксидов, что является одним из способов применения алюминия в металлургии.

Происхождение и месторождения

Концентрация алюминия в земной коре оценивается примерно в 8 % по отношению к общей массе, но благодаря своей высокой химической активности алюминий встречается практически исключительно в виде соединений. Наиболее распространенными минералами, используемыми в промышленном производстве алюминия, являются нефелины и бокситы. Также часто встречаются бериллы, каолиниты, полевые шпаты, корунды, алуниты, используемые в иных целях.

В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы , накапливающие алюминий в своих органах: некоторые плауны, моллюски.

Лидером производства алюминия в мировых масштабах считается Китай. За ним на втором месте идет Россия, затем Канада, США, Австралия, Бразилия, Индия и Норвегия. Монополистом по производству алюминия в России является компания «РУСАЛ», добывающая около 16 % всего глинозема в мире и производящая порядка 13 % мирового объема алюминия.

Применение

Алюминий и его сплавы широко используются в качестве конструкционного материала, из него изготавливают посуду и упаковочные материалы, используют в авиационной и авиакосмической промышленности, в электротехнике, для изготовления проводов и их экранирования, в микроэлектронике, в тепловом оборудовании и криогенной технике, при производстве стройматериалов, зеркал, в химической промышленности и пиротехнике. Сплав алюминия и циркония широко применяют в ядерном реакторостроении.

Алюминием покрывают стали и сплавы для придания антикоррозийных свойств и стойкости к окалине, применяют в металлургии, стекловарении, из алюминия и его сплавов чеканят монеты, делают бижутерию. Кроме того, алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего, также алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

Глава II РУДЫ АЛЮМИНИЯ

Распространение алюминия в природе

Глава II РУДЫ АЛЮМИНИЯ

Алюминий—один из наиболее распространенных в природе элементов: по содержанию в земной коре (7,45 %) он уступает только кислороду и кремнию.

Вследствие высокой химической активности алюминий в природе встречается только в связанном виде. Число минералов, содержащих алюминий, очень велико: по данным академика А. Е. Ферсмана, таких минералов насчитывается около 250. Ниже приведены наиболее важные из этих минералов с указанием содержания в них Аl2O3, %:

Из содержащих алюминий минералов наиболее распространены в природе алюмосиликаты: полевые шпаты (ортоклаз, альбит), нефелин, минералы группы силлиманита, лейцит и др. Эти алюмосиликаты имеют первичное происхождение и являются главной составляющей многих вулканических пород. Первичное происхождение имеют также химические соединения оксида алюминия с оксидами других металлов (шпинели) и корунд. Прозрачные разновидности корунда, окрашенные оксидами других металлов или бесцветные, являются драгоценными камнями (рубин, сапфир, лейкосапфир).

Под воздействием изменений температуры, кислых и щелочных растворов, углекислоты происходит разрушение горных пород первичного происхождения. В результате такого разрушения образовались многочисленные вторичные породы, которые характеризуются более высоким содержанием оксида алюминия. В составе этих вторичных пород алюминий находится в виде гпдроксидов (бокситы), каолинита (глины, каолины, глинистые сланцы), алунита (алунитовые породы). Из алюминиевой руды, как правило, сначала получают оксид алюминия (глинозем). Далеко не все горные породы, содержащие алюминий, можно использовать для получения глинозема. При оценке качества алюминиевой руды учитывают целый ряд факторов: химический и минералогический состав руды, возможность извлечения из нее глинозема известными способами, а также условия залегания руды, удаленность месторождения от путей сообщения, наличие источников топлива, воды и многие другие. В настоящее время в качестве алюминиевых руд используют бокситы, нефелиновые и алунитовые породы, каолины, кианитовые породы. Возможным сырьем для получения глинозема также являются серицыты, высокоглиноземистые золы, образующиеся при сжигании углей, металлургические шлаки, отходы обогащения углей.

§ 4. Характеристика бокситов и их месторождений

Бокситы—важнейшая алюминиевая руда. На долю бокситов приходится основная часть мирового производства глинозема.
Алюминиевая промышленность зарубежных стран практически полностью работает только на бокситах. В пашен стране наряду с бокситами для производства глинозема в значительных количествах используются нефелиновые и алунитовые руды.

Бокситы являются сложной горной породой, алюминий в которых находится в виде гидроксидов—диаспора и бемита (одноводные оксиды), гиббсита или гидраргиллита (трехводный оксид). Наряду с гидроксидами часть алюминия может находиться в бокситах в виде корунда, каолинита и других минералов. Кроме того, в состав боксита в виде различных химических соединений входят железо, кремний, титан и другие элементы. Железо может находиться в бокситах в виде гематита Fе₂Оз, гетита 2Fе₂₃.Н₂О, сидерита FеСО₃, пирита FeS₂, шамозита 4FеО.А1₂O₃.3SiO₂.4Н₂O и ряда других соединений. Кремний присутствует в бокситах в виде кварца, опала, халцедона (различные модификации SiO₂), каолинита, шамозита и некоторых других минералов. Основные титановые минералы в бокситах: анатаз и рутил TiO₂ и ильменит FeO.TiO₂. В бокситах могут присутствовать также карбонаты кальция СаСО₃ и магния MgCO₃, органические соединения, соединения серы, фосфора, хрома и других элементов. Сера присутствует в бокситах в основном в виде пирита и его коллоидной разновидности — мельннковнта, фосфор — в виде апатита ЗCа₃(РO₄)₂.СаF₂. В небольших количествах в бокситах часто присутствуют соединения редких элементов: ванадия, галлия, циркония, ниобия и др. Всего в составе бокситов в виде различных соединений обнаружено 42 химических элемента.

Химический состав бокситов, а также их физические свойства весьма различны. В них содержится Аl₂О₃ 35—70%, SiO₂—от десятых долей до 25%, Fе₂О₃ 2—40%, TiO₂—от следов до 11 %. Содержание ряда элементов в бокситах измеряется сотыми и даже тысячными долями процента, например ванадия 0,025—0,15%, галлия 0,001—0,007%.

Характерным свойством бокситов является чрезвычайная дисперсность их составных частей, нередко приближающаяся к дисперсности коллоидов. По внешнему виду бокситы часто похожи на глину, цвет их — от белого до темно-красного (чаще всего красный с различными оттенками). Структура бокситов может быть плотной и пористой. Плотность их от 1,2 до 3,5 г/см 3 , твердость от 2 до 7 (по шкале Мооса).

Различают каменистые, рыхлые и глинистые бокситы, которые отличаются не только своими физическими свойствами, но и химическим и минералогическим составом. Каменистые бокситы являются, как правило, высокожелезистыми; содержание оксида кремния в них обычно невелико. Рыхлые бокситы отличаются от каменистых в основном более высоким содержанием каолинита при уменьшенном количестве гидроксида алюминия. Глинистые бокситы характеризуются высоким содержанием каолинита и низким содержанием оксидов железа.

В зависимости от того, в какой минералогической форме гидроксиды алюминия находятся в бокситах, они делятся на диаспоровые, бемитовые, гиббситовые и смешанные. В смешанных бокситах одновременно присутствуют две формы гидроксида алюминия (диаспор-бемитовые, гиббсит-бемитовые бокситы).

Наибольшее влияние на качество бокситов оказывает содержание в них оксидов алюминия и кремния. Отношение содержания
Аl₂О₃ в боксите к содержанию SiO₂ (по массе) называют кремневым модулем боксита. Чем больше величина кремневого модуля тем выше качество боксита.

По ГОСТ 972—84 в зависимости от вида потребления бокситы
подразделяются на 7 марок:

Преимущественная область применения

ЭБ-1 и ЭБ-2 Производство электрокорунда

ЦБ-1 Производство глиноземистого цемента
ЦБ-2 Производство цемента
ОБ Производство огнеупоров

ГБ Производство глинозема

МБ Мартеновское производство стали

По физико-химическим показателям бокситы должны соответствовать нормам, приведенным ниже:

Комплексный показатель качества боксита, перерабатываемого на глинозем (марка ГБ), зависит от технологической схемы его переработки и от содержания в нем А1₂O₃, SiO₂ и других составляющих, которые оказывают влияние на эффективность переработки. Методика определения показателя качества боксита марки ГБ будет рассмотрена ниже. Чем больше величина этого показателя, тем выше качество боксита. Для бокситов, которые используются в других отраслях промышленности, комплексный показатель качества находят из выражения: Б=[А1₂O₃]_б—2[SiO₂]_б, где [А1₂O₃]_б и [SiO₂]_б—содержание соответственно А1₂O₃ и SiO₂ в боксите, % (по массе). Некоторые отрасли промышленности предъявляют дополнительные требования к бокситам по содержанию серы, фосфора, оксидов кальция и железа.

По происхождению месторождения бокситов подразделяют на остаточные и осадочные. Бокситы остаточных месторождений образовались в результате выветривания алюмосиликатов; залежи таких месторождений расположены на материнских породах. Бокситы осадочных месторождений образовались из продуктов химического и механического выветривания алюмосиликатных пород, перенесенных реками и грунтовыми водами на новое место.

Большая часть мировых запасов бокситов сосредоточена в остаточных месторождениях. Это—основные месторождения Африки, полуострова Индостан, Центральной и Южной Америки, Австралии. Большинство месторождений Советского Союза, европейских стран, Ямайки и Китая относятся к осадочному типу.

Разведанные запасы бокситов в нашей стране относительно невелики и качество их в основном невысокое. Кроме того, часть месторождений находится в районах, трудных для освоения, и непригодна для разработки более эффективным открытым способом. Наиболее важным является Североуральское месторождение бокситов в Свердловской области. Североуральскне бокситы — диаспор-бемитовые и диаспоровые; основная масса их характеризуется высоким содержанием А1₂O₃ (52—54 %) и низким содержанием кремнезема (3—5%); содержание Fе₂О₃ в этих бокситах 21—28%. Добыча бокситов ведется подземным (шахтным) способом с глубины до 700 м. Содержание оксида углерода (IV) —СОа в добываемых бокситах (2,5—3,5%) и серы (около 1 %) высокое, что снижает их качество. С понижением горизонта добычи содержание СO₂ в бокситах, а также серы возрастает. Железо находится в бокситах в виде гематита, шамозита и пирита. Основным носителем кремнезема служит шамозит; СО₂ присутствует в бокситах в виде карбонатов кальция, железа и магния, а сера —в основном—в виде иприта.

Ряд месторождений бокситов бемит-диаспорового типа открыт на Южном Урале в Челябинской области и Башкирской АССР.

Южноуральские бокситы характеризуются повышенным содержанием кремнезема и оксида углерода (IV), а также высокой твердостью. Их добывают также подземным способом. Добываемые бокситы в среднем содержат, % (по массе): А1₂O₃ 50—53; SiO₂ 5—10 и Fе₂О₃ 21—22.

В Северном Казахстане (в районе Тургайского прогиба) известен ряд месторождений гиббситовых бокситов: Амангельдинское, Краснооктябрьское, Белинское, Аятское и др. Тургайские бокситы в основном относятся к среднежелезнстому типу, имеют относительно высокое содержание каолинита н низкий кремневый модуль. Тургайскне бокситы добывают открытым способом. В основной массе бокситов в среднем содержится 42—44 % А1₂O₃, 9—11 % SiO₂ и 16—20 % Fе₂О₃ при кремневом модуле 4—5. Оксид углерода (IV) в бокситах распределен очень неравномерно и находится в них главным образом в виде сидерита. Наиболее высокое содержание СO₂ в боксите Краснооктябрьского месторождения —в среднем 2,6%, самое низкое в Амангельдииском месторождении—в среднем 0,2 %.

В Ленинградской области находится Тихвинское месторождение гиббсит-бемитовых бокситов. Химический состав н физические свойства тихвинских бокситов весьма разнообразны, но в целом качество их невысокое. В настоящее время запасы тихвинских бокситов в основном исчерпаны. В Архангельской области в районе Северной Онеги ведется разработка месторождения гиббсит-бемитовых бокситов. Североонежские бокситы характеризуются высоким содержанием глинозема (51—56%), небольшим содержанием оксида железа (6—9 %), но имеют низкий средний кремневый модуль — около трех. Североонежскне бокситы в отличие от бокситов других месторождении содержат относительно много хрома (0,5—0,8%.Сг20з); кремнезем (16—20%) находится в боксите в основном в виде каолинита. Бокситы добывают открытым способом.

Из не эксплуатируемых, но перспективных месторождений бокситов следует отметить Висловское месторождение гиббсит-бемитового типа в Белгородской области и ряд месторождений в Коми АССР. Бокситы Внсловского месторождения содержат 49—52 % А1₂O₃, 21—24 % Fe₂O₃ н имеют кремневый модуль 5—8. В висловских бокситах значительная часть оксида алюминия находится в виде плохо растворимого в щелочных растворах шамозита, что является основной особенностью этих бокситов. Железо и кремний боксита также в основной своей части входят в состав шамозита. В Тиманском районе Коми АССР обнаружено несколько месторождений бокситов каолинит-бемитового и каолинит-гиббсит-бемитового типов. Наибольший интерес представляют высокожелезистые бокситы, содержащие 45—50 % А1₂O₃, 25—30 % Fe₂O₃ при кремневом модуле от 3 до 7.

Зарубежная алюминиевая промышленность в основном работает на высококачественных бокситах гиббситового типа. Лишь в отдельных странах (Франция, Греция и др.) имеются заводы, работающие на бемитовых бокситах. Крупные месторождения бокситов находятся в Австралии, на африканском континенте (Гвинея, Гана), в странах Южной Америки (Суринам, Гайана, на Ямайке, Бразилия). В Азии большие запасы бокситов имеются
в Индии, Индонезии, Китае, Малайзии. На европейском континенте крупные месторождения бокситов имеются во Франции, Венгрии, Югославии и Греции.

В табл. 1 приведена качественная характеристика бокситов крупных месторождений различных стран. Такие страны Европы, как ФРГ, Норвегия, Швеция и Англия, бладающие сравнительно развитой алюминиевой промышленностью, собственных месторождений бокситов почти не имеют и используют npивозное сырье (глинозем и бокситы). Соединенные Штаты значительную часть перерабатываемых бокситов ввозят из других стран; Канада, имеющая развитую алюминиевую промышленность, собственных бокситов не имеет экспортирует сырье (бокситы и глинозем) из многих стран Америки и Африки.

Таблица 1. Качественная характеристика бокситов

Боксит является основной рудой для производства алюминия. Образование залежей связано с процессом выветривания и переноса материала, в котором помимо гидроокислов алюминия находятся и другие химические элементы. Технология извлечения металла предусматривает экономически выгодный процесс промышленного производства без образования отходов.

Характеристика рудного минерала

Название минерального сырья для добычи алюминия происходит от названия местности во Франции, где впервые были обнаружены залежи. Боксит состоит из гидроокислов алюминия, в качестве примесей в нем находятся глинистые минералы, окислы и гидроокислы железа.

По внешнему виду боксит является каменистой, а реже — глиноподобной, породой — однородной или слоистой по текстуре. В зависимости от формы залегания в земной коре она бывают плотной или пористой. По структуре различают минералы:

• обломочные — конгломератовые, гравелиты, песчаниковые, пелитовые;
• конкреционные — бобовые, оолитовые.

Основная масса породы в виде включений содержит оолитовые образования окислов железа или глинозема. Бокситовая руда обычно бурого или кирпичного цвета, но встречаются залежи белого, красного, серого, желтого оттенков.

Главными минералами для образования руды являются:

Различают бокситы платформенные, геосинклинальные и океанических островов. Месторождения алюминиевой руды образовались в результате переноса продуктов выветривания горных пород с последующим их отложением и образованием осадка.

Промышленные бокситы содержат 28-60% глинозема. При использовании руды соотношение последнего к кремнию не должно быть ниже 2-2,5.

Месторождения и добыча сырья

Основным сырьем промышленного производства алюминия в РФ являются бокситы, нефелиновые руды и их концентраты, сосредоточенные на Кольском полуострове.

Месторождения бокситов в России характеризуются низким качеством сырья и сложными горно-геологическими условиями добычи. В пределах государства находится 44 разведанных месторождения, среди которых эксплуатируется только четверть.

Основная добыча бокситов производится АО «Севуралбокситруда». Несмотря на запасы рудного сырья, обеспеченность перерабатывающих предприятий неравномерна. В течение 15 лет наблюдается дефицит нефелинов и бокситов, что обусловливает импорт глинозема.

Мировые запасы бокситов сосредоточены в 18 странах, находящихся в тропической и субтропической зонах. Местонахождение бокситов высшего качества приурочено к участкам выветривания алюмосиликатных горных пород во влажных условиях. Именно в этих зонах находится основная часть общемирового запаса сырья.

Самые крупные запасы сосредоточены в Гвинее. По добыче рудного сырья в мире первенство принадлежит Австралии. В Бразилии находится 6 млрд тонн запасов, во Вьетнаме — 3 млрд тонн, запасы бокситов Индии, отличающиеся высоким качеством, составляют 2,5 млрд тонн, Индонезии — 2 млрд тонн. В недрах этих стран сосредоточена основная масса руды.

Бокситы добывают открытым и подземным способом. Технологический процесс переработки сырья зависит от его химического состава и предусматривает поэтапное выполнение работ.

На первой стадии под воздействием химических реагентов образуется глинозем, а на второй — из него путем электролиза из расплава фтористых солей извлекают металлический компонент.

Для образования глинозема используют несколько методов:

• спекание;
• гидрохимический;
• комбинированный.

Применение методик зависит от концентрации алюминия в руде. Боксит низкого качества перерабатывают сложным способом. Полученную в результате спекания шихту из соды известняка и боксита выщелачивают раствором. Образованную в результате химической обработки гидроокись металла отделяют и подвергают фильтрации.

Применение минерального ресурса

Применение боксита в разных отраслях промышленного производства обусловлено универсальностью сырья по его минеральному составу и физическим свойствам. Бокситы являются рудой, из которой извлекают алюминий и глинозем.

Использование боксита в черной металлургии в качестве флюса при выплавке мартеновской стали улучшает технические характеристики продукции.

При изготовлении электрокорунда используются свойства боксита образовывать сверхстойкий, огнеупорный материал (синтетический корунд) в результате плавки в электрических печах с участием антрацита в качестве восстановителя и железных опилок.

Минерал боксит с незначительным содержанием железа применяется при изготовлении огнеупорных, быстротвердеющих цементов. Кроме алюминия из рудного сырья извлекают железо, титан, галлий, цирконий, хром, ниобий и TR (редкоземельные элементы).

Бокситы используют для производства красок, абразивов, сорбентов. Руда с невысоким содержанием железа применяется при изготовлении огнеупорных составов.

Производство алюминия

«В природе ничто не возникает мгновенно и ничто не появляется в свете в совершенно готовом виде».

Александр Герцен
русский публицист, писатель

Производство металла делится на три основных этапа: добыча бокситов – алюминийсодержащей руды, их переработка в глинозем – оксид алюминия, и, наконец, получение чистого металла с использованием процесса электролиза – распада оксида алюминия на составные части под воздействием электрического тока. Из 4-5 тонн бокситов получается 2 тонны глинозема, из которого производят 1 тонну алюминия.

В мире существуют несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства этого металла являются именно бокситы. Это горная порода, состоящая, в основном, из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50% оксида алюминия.

Бокситы могут сильно отличаться друг от друга. По структуре они бывают твердые и плотные либо рыхлые и рассыпчатые. По цвету – как правило, кирпично-красные, рыжеватые или коричневые из-за примеси оксида железа. При небольшом содержании железа бокситы имеют белый или серый цвет. Но иногда встречаются руды желтого, темно-зеленого цвета и даже пестрые – с голубыми, красно-фиолетовыми или черными прожилками.

Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – из них 73% приходится на пять стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. В Гвинее бокситов больше всего – 5,3 миллиарда тонн (28,4%), при этом они высокого качества, содержат минимальное количество примесей и залегают практически на поверхности.

Следующим этапом является производственной цепочки является переработка бокситов в глинозем – это оксид алюминия Al₂O₃, который представляет собой белый рассыпчатый порошок. Основным способом получения глинозема в мире является метод Байера, открытый более ста лет назад, но актуальный до сих пор – около 90% глинозема в мире производятся именно так. Этот способ весьма экономичен, но использовать его можно только при переработке высококачественных бокситов со сравнительно низким содержанием примесей – в первую очередь кремнезема.

Метод Байера основан на следующем: кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав боксита, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щёлочи, NaOH) высокой концентрации, а при понижении температуры и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Посторонние, входящие в состав боксита (так называемый балласт), не переходят при этом в растворимую форму или перекристаллизовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Поэтому после растворения гидроокиси алюминия балласт легко может быть отделен – он называется красный шлам.

Это густая масса красно-бурого цвета, состоящая из соединений кремния, железа, титана и других элементов. Его складируют на тщательно изолированных территориях – шламохранилищах. Их обустраивают таким образом, чтобы содержащиеся в отходах щёлочи не проникали в грунтовые воды. Как только хранилище отрабатывает свой потенциал, территорию можно вернуть в первоначальный вид, покрыв её песком, золой или дёрном и посадив определённые виды деревьев и трав. На полное восстановление могут уйти годы, но в итоге местность возвращается в изначальное состояние.

Многие специалисты не считают красный шлам отходом, так как он может служить сырьем для переработки. Например, из него извлекают скандий для дальнейшего производства алюминиево-скандиевых сплавов. Скандий придает таким сплавом особую прочность, сферы использования – автомобиле- и ракетостроение, спортивная экипировка, производство электропроводов.

Также красный шлам может использоваться для производства чугуна, бетона, получения редкоземельных металлов.

У глинозема нет срока годности, но хранить его непросто, так как при малейшей он возможности активно впитывает влагу – поэтому производители предпочитают как можно быстрее отправлять его на алюминиевое производство. Сначала глинозем складывают в штабели весом до 30 тысяч тонн – получается своеобразный слоеный пирог высотой до 10-12 метров. Потом пирог «нарезают» и грузят для отправки в железнодорожные вагоны – в среднем, в один вагон от 60 до 75 тонн (зависит от вида самого вагона).

Существует еще один, гораздо менее распространенный способ получения глинозема – метод спекания. Его суть заключается в получения твердых материалов из порошкообразных при повышенной температуре. Бокситы спекают с содой и известняком – они связывают кремнезем в нерастворимые в воде силикаты, которые легко отделить от глинозема. Этот способ требует больших затрат, чем способ Байера, но в то же время дает возможность перерабатывать бокситы с высоким содержанием вредных примесей кремнезема.

Глинозем выступает непосредственным источником металла в процессе производства алюминия. Но для создания среды, в которой этот процесс будет происходить, необходим еще один компонент – криолит.

Это редкий минерал из группы природных фторидов состава Na3AlF6. Обычно он образует бесцветные, белые или дымчато-серые кристаллические скопления со стеклянным блеском, иногда – почти черные или красновато-коричневые. Криолит хрупкий и легко плавится.

Природных месторождений этого минерала крайне мало, поэтому в промышленности используется искусственный криолит. В современной металлургии его получают взаимодействием плавиковой кислоты с гидроксидом алюминия и содой.

Ток для производства алюминия

Для запуска двигателя автомобильный аккумулятор должен обеспечить электрический ток в 300-350 А в течение 30 секунд. То есть в 1000 раз меньше, чем нужно одному электролизеру для постоянной работы.

В каждой ванне происходит процесс электролиза алюминия. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, который создает электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С. Роль катода выполняет дно ванны, а анода – погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра, со стороны они выглядят как впечатляющих размеров молот.

Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается – алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ.

Примерно раз в 2-4 суток алюминий извлекают из ванны при помощи вакуумных ковшей. В застывшей на поверхности ванны корке электролита пробивают отверстие, в которое опускают трубу. Жидкий алюминий по ней засасывается в ковш, из которого предварительно откачан воздух. В среднем, из одной ванны откачивается около 1 тонны металла, а в один ковш вмещается около 4 тонн расплавленного алюминия. Далее этот ковш отправляется в литейное производство.

При производстве каждой тонны алюминия выделяется 280 000 м 3 газов. Поэтому каждый электролизер независимо от его конструкции оснащен системой газосбора, которая улавливает выделяющиеся при электролизе газы и направляет их в систему газоочистки. Современные «сухие» системы газоочистки для улавливания вредных фтористых соединений используют ни что иное, а глинозем. Поэтому перед тем как использоваться для производства алюминия, глинозем на самом деле сначала участвует в очистке газов, которые образовались в процессе производства металла ранее. Вот такой замкнутый цикл.

Для процесса электролиза алюминия требуется огромное количество электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые и не загрязняющие окружающую среду источники этой энергии. Чаще всего для этого используются гидроэлектростанции – они обладают достаточной мощностью и не имеют выбросов в атмосферу. Например, в России 95% алюминиевого мощностей обеспечены гидрогенерацией. Однако есть в места в мире, где угольная генерация пока доминирует – в частности, в Китае на нее приходится 93% производства алюминия. В результате для производства 1 тонны алюминия с использованием гидрогенерации в атмосферу выделяется чуть более 4 тонн углекислого газа, а при использовании угольной генерации – в пять раз больше – 21,6 тонны.