Производство алюминия в России

Металлургическая промышленность с каждым годом наращивает производство алюминия и сплавов, на его основе. Это связанно с постоянным повышением спроса на металл, вследствие его свойств, например: легкость, прочность, высокая коррозийная стойкость, высокая электропроводимость. Обладая такими ценными качествами, алюминий широко используется в самых различных сферах: машиностроение, строительство здании и сооружении, производство товаров для дома и спорта, электротехническая промышленность и другие.

Одним из крупнейших производителей алюминия в Российской федерации, является компания «РУСАЛ».

РУСАЛ — ведущая компания мировой алюминиевой отрасли, крупнейший производитель алюминия с низким углеродным следом. Для выпуска более 90% алюминия компании используется электроэнергия из возобновляемых источников, а внедрение инновационных и энергосберегающих технологий позволяет снижать выбросы парниковых газов на всех производственных этапах. Это позволило РУСАЛу одному из первых в мире начать производство «зеленого» металла, который компания выпустила на рынок под брендом ALLOW.

Алюминий находится в главной подгруппе третьей группы периодической системы. Это р-элемент, на внешнем энергетическом уровне атом Al имеет три электрона: ...3s23p1. Графическая электронная формула последнего энергетического уровня:

В основном состоянии алюминий проявляет валентность I; при переходе одного s-электрона на 3р-подуровень его валентность в возбужденном состоянии равна трем:

В соединениях характерная степень окисления алюминия +3.

Нахождение в природе. Алюминий — самый распространенный металл в природе: его массовая доля в земной коре составляет 7,45%. Ввиду своей высокой активности алюминий встречается в природе только в виде соединений. Важнейшие природные соединения — алюмосиликаты, бокситы, корунд, криолит, глинозем.

Алюмосиликаты являются наиболее распространенными в земной коре соединениями, содержащими оксиды алюминия, кремния, щелочных и щелочноземельных металлов. К ним относятся нефелин Na2O⋅Al2O3⋅2SiO2 и боксит Аl2O3⋅nН2O (основное сырье для получения алюминия). В природе встречаются также криолит Na3AlF6 и глинозем Аl2O3. Кристаллический оксид алюминия называется корундом. Это очень твердый минерал, по твердости среди природных минералов занимает второе место после алмаза. Корунд также встречается в природе в виде драгоценных камней: рубина (красный цвет ему придает примесь оксидов хрома (II) и (III)) и сапфира (синего цвета за счет примеси оксидов титана и железа).

Бокситы — самое распространенное, но не единственное сырье для производства глинозема. Глинозем получают также из нефелина — алюмосиликата натрия и калия. В природе он встречается вместе с апатитом, минералом из группы солей кальция с фосфором, образуя апатито-нефелиновые породы.

Нефелиновые руды Na(K)2OAl2O3 ∙2SiO2 содержат 21,0–33,7% оксида алюминия (Аl2О3), 40–48% оксида кремния (SiO2) и 10–22% оксида натрия (Na2О), который на 10–20% может замещаться оксидом калия (К2О). В качестве примесей могут также присутствовать оксиды кальция, галлия, железа и др.

Россия— единственная в мире использует нефелины в качестве сырья для алюминиевой промышленности, из них выпускается до 15% отечественного алюминия.

По распространённости в земной коре занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14%.

Физические и химические свойства сплавов алюминия послужили поводом к широкому использованию их в качестве конструкционных материалов, снижающих общий вес конструкции без ухудшения прочностных качеств.

Физические свойства. Алюминий не имеет каких-либо уникальных физических свойств, но их сочетание делает металл одним из самых широко востребованных. Твердость чистого алюминия по шкале Мооса равняется трем, что значительно ниже, чем у большинства металлов. Данный факт является практически единственным препятствием для использования чистого металла

Если внимательно рассмотреть таблицу физических свойств алюминия, то можно выделить такие качества, как:

• Малую плотность (2.7 г/см3);

• Высокую пластичность;

• Низкое удельное электрическое сопротивление (0,027 Ом•мм2/м);

• Высокую теплопроводность (203.5 Вт/(м•К));

• Высокую светоотражательная способность;

• Низкую температуру плавления (660°С).

Такие физические свойства алюминия, как высокая пластичность, низкая температура плавления, отличные литейные качества, позволяют использовать данный металл в чистом виде и в составе сплавов на его основе для производства изделий любой самой сложной конфигурации.

Процесс Эру-Холла является главным в производстве алюминия и состоит в следующем: электрический ток, приходящий с тяжёлой ошиновки, проходит тело анода, через анодные штыри, далее ток проходит через контакт подошвы анода с электролитом, через электролит проходит в металл, а после через уголь-ную падину, по блюмсам, отводится дальше по ошиновке на последовательно подключенный электролизер. Весь этот процесс происходит в ваннах (электролизерах), прямоугольной формы, при температуре примерно 960°. В ванне находятся: в верхнем слое, электролит (криолитоглинозёмный расплав), формирующий рабочее пространство, ниже — расплавленный алюминий, который осаждается на падине электролизера, в следствии растворения глинозема в электролите. Производство алюминия один из самых энергоёмких процессов, примерно половина энергии расходуется с потерей тепла в атмосферу.

В России используются различные типы электролизеров с обожженными анодами, величина тока, подводимого к электролизеру, определяется конструкцией. В цепь (серию) включаются 140–300 электролизеров, последовательно расположенных соединяемых ошиновкой. Напряжение на ванне меняется в зависимости от конструкции и срока службы. Для электролизеров Содерберга с боковым токоподводом сила тока составляет

70–90 кА, с верхним токоподводом 120–170 кА. Современные электролизеры с обожженными анодами работают при силе тока 300–420 кА.

Устройство электролизера. Электролизер включает следующие основные блоки: катодное устройство; анодный узел; систему подвода тока (ошиновка); систему газоотсоса.

Основными показателями, эффективности работы электролизёра, являются: производительность ванны, выход по току и удельный расход электроэнергии. Производительность ванны определяется из закона Фарадея и рассчитывается от количества электричества, которое проходит через ванну, а также выхода по току:

Al q – электрохимический эквивалент алюминия равен 0,335575452 г/(А·ч);

I – сила тока, A;

τ – время, в течении которого происходит процесс электролиза, час.

Выходом по току называют отношение количества металла, фактически

полученного при электролизе, к его количеству, теоретически ожидаемому согласно закону Фарадея (за одинаковое время):

m(пр) – масса, полученная практическим путём, определяемая взвешиванием;

m(т) – масса металла, полученная теоретическим путем.

Количество электроэнергии затраченной на производство одной единицы

массы металла, называется – удельный расход электроэнергий W (Вт·ч/г):

η – выход по току;

Uср – среднее напряжение на электролизере, В.

Алюминий, который производится путем электролиза из глинозема, называют первичным алюминием. В первичный алюминий может добавляться небольшое количество чистого технологического лома. Содержание алюминия в первичном алюминии составляет не менее 99,7% Первичный алюминий является, как правило, исходным материалом для производства такого вида алюминиевой продукции, как алюминиевые полуфабрикаты — листы, полосы, трубы, профили и т. п. Он является также исходным материалом для литейных сплавов, которые применяются для изготовления особо ответственных изделий, таких как колесные диски и компоненты автомобильных шасси.

В литейном цехе производителя первичного алюминия жидкий алюминий подвергают различным видам обработки с тем, чтобы он мог соответствовать установленным техническим требованиям:

• Легирование, то есть добавление легирующих элементов в чистом виде или в виде лигатур, чтобы получить заданный химический состав. Лигатуры могут содержать до 65% легирующих элементов

• Очистка — применение флюсов или фильтров

• Дегазация

• Разливка в слитки (или, иногда, в фасонные отливки)

Алюминиевая промышленность по масштабам производства и потребления занимает первое место среди подотраслей цветной металлургии. По этим же показателям она второй по важности металлургический сегмент и уступает лишь стали. Меняется уклад экономики, образ жизни, социализируется общество — алюминий соответствует данным тенденциям развития.