Производство алюминия

Общие сведения о алюминии

Алюминий (Aluminium) - химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается латинскими буквами Al . Это серебристо-белый металл, легкий (Плотность= 2,7 г/см3) , легкоплавкий (tпл = 660,4 °С ), пластичный, легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2,3 раза больше чем у меди) Алюминий находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al2O3) составляет основу глинозема. Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы: · боксит - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)3 и оксидов других металлов - алюминиевая руда; · алунит - (Na,K)2SO4 * Al2(SO4)3 * 4Al(OH)3 ; · нефелин - (Na,K)2O * Al2O3 * 2SiO2 ; · корунд - Al2O3 - прозрачные кристаллы; · полевой шпат (ортоклаз) - K2O * Al2O3 * 6SiO2 ; · каолинит - Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O - важнейшая составляющая часть глины и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.

И хотя содержание его в земной коре 8,8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4,65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.

Особенности восстановления активных металлов

Большинство металлов добывают из их соединений с помощью восстановительных процессов. Так, способы получения железа, олова, свинца, меди и других металлов средней активности основаны на восстановлении руд углеродом при высоких температурах. Для получения металлов высокой активности, такие способы неприменимы из-за большой скорости окисления этих металлов кислородом, содержащимся в реакционной газовой смеси. Промышленное производство многих активных металлов на электролизе расплавленных сред. Электролизу подвергается либо соль металла, либо его окисел, растворенный в солевом расплаве. Состав расплава подбирают таким, чтобы в нем не было катионов, разряжающихся при меньшем напряжении, чем катион получаемого металла.

Свойства и получение активных металлов

Электролиз расплавленных солей - сравнительно молодой металлургический процесс. Его разработка и промышленное освоение стали возможными лишь при уровне науки и техники, достигнутом только во второй половине ХIХ века. Поэтому история применения металлов, восстанавливаемых электролизом расплавов, насчитывает не более ста лет (если не принимать во внимание малые количества металлов, получаемых ранее в лабораториях ученых).

Завод по производству алюминия

Производство этих металлов росло и продолжает расти очень быстро. Алюминия сейчас производят в мире больше, чем меди или цинка, магния - почти столько же, сколько олова или никеля. По масштабам производства наиболее применяемые в наше время металлы располагаются в такой последовательности: железо, алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово, магний, титан. Но уже в ближайшие годы произойдут изменения в этом ряду, так как по темпам развития производства магний, и особенно титан, значительно опережают стоящие впереди металлы. Только железо, по-видимому, надолго сохранит место главного металла человечества. Несмотря на быстрое развитие алюминиевой промышленности, разница между выпуском алюминия и железа еще очень велика.

Руды алюминия

По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов (7,45%), а вместе с кислородом и кремнием составляет 82,58% массы земной коры. Он входит в состав около 250 минералов, 40% которых относится к алюмосиликатам. Алюминиевой рудой называют горную породу с высоким содержанием окиси алюминия в доступной для извлечения форме, образующую крупные залежи. Ниже приведены основные рудообразующие минералы алюминия, содержащие , %:

Диаспор, бемит 85,0Гиббсит (гидраргиллит) 65,4Кианит, силлиманит 63,2Алунит 37,0Нефелин 33,2Каолинит 39,5 Наибольшее значение для производства глинозема имеют руды: бокситы, нефелины, алуниты, кианиты и каолины. Бокситы - горная порода, состоящая из гидроокисей алюминия, окислов железа, кремния и титана с примесями других соединений минерального и органического происхождения. В зависимости от того, какие гидроокиси алюминия преобладают, бокситы подразделяются на моногидратные (бемитовые и диаспоровые) и тригидратные (гиббситовые). Нефелины менее богаты окисью алюминия, чем бокситы, но содержат щелочи и, что позволяет вести комплексную переработку этого сырья. Важнейшие месторождения нефелиновых руд - Кукисвумгорское на Кольском полуострове, Кия-Шалтырское в Кемеровской области и Ужурское в Красноярском крае. Алуниты благодаря содержащимся в них сернокислым солям представляют собой ценное комплексное сырье, при переработке которого получают глинозем, серную кислоту, сульфаты калия и алюминия, квасцы и некоторые другие продукты.

Производство глинозема

Свойства глинозема. Алюминий образует с кислородом три окиси . В субокиси он одновалентен, в - трехваленте, а в AlO проявляет смешанную валентность. Субсоединения и могут быть получены при высоких температурах восстановлением или термическим разложением но практического значения эти процессы пока не имеют. Сырьем для производства алюминия служит глинозем - порошкообразная окись алюминия, состоящая из двух разновидностей (модификаций) окисла: (альфа-глинозем) и (гамма-глинозем). Альфа-окись алюминия - наиболее устойчивая форма, встречается в природе в виде минерала корунда. Он имеет прочную структуру, большую твердость и химическую стойкость: температура плавления корунда (20546)С. Гамма-глинозем получается при обезвоживании гидроокиси алюминия, хорошо взаимодействует с растворами щелочей и кислот, обладает высокой гигроскопичностью. Даже нагретый до 1000С гамма глинозем удерживает около 1% воды, и лишь продолжительная выдержка при 1200С полностью его обезвоживает. Гамма-глинозем при этом превращается в корунд

Способ Байера

Производство глинозема по способу Байера состоит в обработке боксита щелочным раствором при высокой температуре, получении алюминатного раствора и нерастворимого осадка - красного шлама, отделения этого осадка от раствора и выделении из раствора гидроокиси алюминия в присутствии затравки - свежеосажденной. Сущность процесса Байера можно выразить следующей обратимой химической реакцией.

При протекании реакции слева направо идет процесс извлечения глинозема в алюминий