1. Характеристика алюминия
Алюминий - химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1 (Приложение 1).
Алюминий - серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см3) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 oC. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой - оксидом алюминия. Оксид алюминия (Al2O3) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]
Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:
2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2.
Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 - белое, полупрозрачное, студенистое вещество.
Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем. Меньшую электропроводность алюминия (3,7·107 См/м) по сравнению с медью (5,84·107 См/м), для сохранения одинакового электрического сопротивления, компенсируют увеличением площади сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является образование на его поверхности прочной диэлектрической оксидной плёнки, затрудняющей пайку и за счет ухудшения контактного сопротивления вызывающей повышенное нагревание в местах электрических соединений, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на надёжности электрического контакта и состоянии изоляции. Поэтому, в частности, 7-я редакция Правил устройства электроустановок, принятая в 2002 г., запрещает использовать алюминиевые проводники сечением менее 16 мм?.
Таким образом алюминию характерны следующие физические свойства: малая плотность, прочность в сплавах, коррозионная стойкость, высокая электропроводимость, пластичность, нетоксичность, высокая теплопроводимость, что делает этот металл широко востребованным в различных областях техники.
?
2. Нахождение алюминия в природе. Важнейшие месторождения алюминия
В земной коре содержится 7% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия - боксит содержит 28-60% глинозема - оксида алюминия Al2O3. Алюминий в ходит в состав около 250 различных минералов. Самыми распространенными являются полевые шпаты, нефелины, бокситы, глины, в состав которых входит оксид алюминия являющиеся алюмосиликатами.
Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978г. в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий - в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть - восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl > 2Al + AlCl3 . В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.
В мире основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие от 32 до 60% глинозема (оксид алюминия А1203). К важным алюминиевым рудам относят также алуниты и нефелины.
Крупнейшие производители промышленных бокситов — страны, в которых сосредоточены основные запасы. Так, в 1998 г. в Австралии было добыто 45 млн. т, в Гвинее — 1 6,5 млн. т и в Бразилии — 1 2,5 млн. т, что составило 59% от мировой добычи (около 1 25 млн. т).
По мировым меркам, Россия обладает незначительными запасами промышленных бокситов — около 400 млн. т, что составляет менее 0,7% мировых запасов. При этом большинство отечественных месторождений на сегодняшний день уже в значительной степени выработаны. Кроме того, российские месторождения содержат в основном не бокситы, а нефелины, а они — худшее сырье для производства глинозема. Да и значительная часть запасов российских бокситов со сравнительно небольшим содержанием алюминия, по западным меркам, не относится к категории промышленных.
Крупнейший производитель сырья, содержащего алюминий в России - Северо-Уральские бокситовые рудники. Они до последнего времени обеспечивали Россию лучшим сырьем при достаточно высоком уровне добычи. Основные запасы рудников находятся в районе Североуральска на глубине более полукилометра. В настоящее время старые шахты практически выработаны. Бокситы добываются с глубины 700—800 м и имеют очень высокую себестоимость.
Близки к исчерпанию и месторождения Южно-Уральской и Тихвинской групп.
Ввиду слабости собственной сырьевой базы российские производители алюминия в значительной мере ориентируются на привозной глинозем. Но уповать на стабильность поставок глинозема из-за рубежа не приходится. Традиционные поставщики глинозема в Россию — Украина и Казахстан — намерены расширять собственные производства алюминия и, следовательно, у них будет меньше «свободного» сырья для экспорта в Россию. Аналогичная ситуация и в дальнем зарубежье: Австралия, крупнейший в мире экспортер бокситов, тоже постепенно увеличивает собственное производство алюминия, сокращая тем самым возможности поставки сырья на мировой рынок.
В условиях, когда растущий экспорт алюминия из России вызывает недовольство западных конкурентов, некоторые из них могут предпринять (и предпринимают) меры, направленные на сокращение производства на российских заводах. Они, в частности, могут воздействовать на российских производителей путем ограничения экспорта сырья в Россию. Осуществить такое ограничение вполне реально, имея в виду, что рынок глинозема весьма высоко монополизирован. Одна только американская корпорация Alcoaпроизводит почти 13 млн. т глинозема (четверть мирового выпуска), а контролирует чуть ли не половину. В условиях, когда российская алюминиевая промышленность импортирует почти 2/3 необходимого ей сырья, проблема ресурсозависимости становится чрезвычайно важной.
Одним из решений задачи обеспечения ресурсами российских производителей алюминия является разработка новых отечественных месторождений. Наиболее перспективно на сегодняшний день Средне-Тиманское месторождение низкокачественных бокситов в Республике Коми. Общие запасы на Тимане, по различным оценкам, составляют от 260 до 360 млн. т. Одним из достоинств месторождения является то, что его разработку можно вести открытым способом, а это снижает себестоимость добычи на 15 20% по сравнению с шахтными разработками. Главным препятствием для освоения месторождения является полное отсутствие инфраструктуры. Так, кроме обустройства самого рудника, необходимо построить авто- и железную дороги. В настоящее время главными сторонниками освоения Тимана являются руководители Свердловской обл., где находятся основные потребители бокситов (Богословский и Уральский алюминиевые заводы с суммарным годовым выпуском в 230 тыс. т алюминия), и Республики Коми, на территории которой расположено месторождение. По их мнению, ввод в строй только первой очереди нового рудника позволит добывать 3 млн. т бокситов в год, которых заводам хватит для производства 1,2 млн. т глинозема (600 тыс. т алюминия).
Между тем очевидно, что разработка одного Средне-Тиманского месторождения не решит проблему обеспечения отечественным глиноземом I всех российских производителей. Ныне в России добывается около 8,5 млн. т бокситов и нефелинов в год, что обеспечивает производство около 2,4 млн. т глинозема. Для выпуска 3 млн. т алюминия необходимо обеспечить добычу еще по меньшей мере 1 2 млн. т промышленных бокситов, а также построить соответствующие производства глинозема. Таким образом, в ближайшее время импорт бокситов и глинозема неизбежен.
?
3. История открытия и получения алюминия
Документально зафиксированное открытие алюминия произошло в 1825 году. Впервые этот металл получил датский физик Ганс Христиан Эрстед, когда выделил его при действии амальгамы калия на безводный хлорид алюминия (полученный при пропускании хлора через раскаленную смесь оксида алюминия с углем). Отогнав ртуть, Эрстед получил алюминий, правда, загрязненный примесями. В 1827 немецкий химик Фридрих Вёлер получил алюминий в виде порошка восстановлением гексафторалюмината калием. Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарльзом Мартином Холлом. (С 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, а за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28000т. этого металла).
Процесс производства первичного алюминия состоит из трех основных фаз. Сначала осуществляется добыча необходимого сырья - бокситов, нефелинов и алунитов. Затем происходит химическая обработка руды, в результате которой получается глинозем (А1203). Из глинозема электролитическим методом получают собственно алюминий. Обычно для производства 1 т алюминия необходимо примерно 2 т глинозема. Количество бокситов, необходимое для того, чтобы в итоге произвести тонну алюминия, сильно зависит от содержания в них оксида алюминия. Так, западным компаниям обычно требуется 4—5 т бокситов, тогда как отечественного сырья может потребоваться около 7—8 т. Наиболее сложна и энергоемка последняя фаза производства первичного алюминия. Современные заводы при производстве тонны алюминия потребляют в среднем 1 3,5 МВт-ч электроэнергии2, средний расход анодной массы составляет 500-530 кг, используется также дорогостоящий фтористый алюминий1.
Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.
Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.
Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 oC), поэтому требуется слишком много энергии.
Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите - минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.
?
4. История развития производства алюминия в России
Промышленное производство алюминия в России началось вначале 30х годов XX века. Для организации промышленного производства алюминия требовалось сырье и дешевая электроэнергия. В то время в России было известно лишь Тихвинское месторождение бокситов. В 1928 - 1930 годы в Санкт-Петербурге были проведены исследования по отработке технологии переработки этих бокситов на глинозем и по выбору оптимальной конструкции электролизера для первых алюминиевых заводов. Результаты этих работ были заложены в основу для проектирования Волховского алюминиевого завода.
Важнейшее значение для организации отечественного производства алюминия имело принятие и реализация плана ГОЭЛРО, что позволило обеспечить дешевой электроэнергией строящиеся заводы. В 1931г. образованы отраслевой институт алюминиевой и магниевой промышленности (ВАМИ) и в последующие годы Всероссийского института легких сплавов (ВИЛС).
Первая промышленная партия алюминия была получена на Волховском алюминиевом заводе 14 мая 1932 г. Этот день считается днем рождения алюминиевой промышленности России.
В 1933г. был пущен в эксплуатацию Днепровский алюминиевый завод на Украине.
В 1938г. на базе Тихвинского месторождения бокситов построен Бокситогорский глиноземный завод.
В 1931г. на Урале были открыты месторождения бокситов в совокупности образующих Северо-Уральский бокситовый район, который в дальнейшем стал сырьевой базой алюминиевой промышленности Урала.
В 1939г. состоялся пуск Уральского алюминиевого завода мощностью 70 тыс. т глинозема и 25 тыс. т алюминия.
В годы Великой Отечественной войны, для обеспечения возросших потребностей оборонной промышленности, было принято решение об увеличении мощностей по производству алюминия на Уральском заводе, а также о строительстве Богословского и Новокузнецкого алюминиевых заводов.
В июле 1942 г. мощности Уральского завода по производству алюминия были увеличены в два раза.
7 января 1943 г. страна получила первый сибирский алюминий на Новокузнецком алюминиевом заводе.
Первый глинозем на Богословском заводе получен 3 мая 1943г., в 1944г. начал выдавать продукцию Каменск - Уральский металлургический завод, а в день Победы - 9 мая 1945г., Богословский завод выплавил свой первый алюминий.
В послевоенный период алюминиевая промышленность России продолжала интенсивно развиваться за счет ввода новых и расширения действующих мощностей.
В пятидесятые годы введены в эксплуатацию: Кандалакшский, Надвоицкий и Волгоградский алюминиевые заводы, Белокалит винское металлургическое производственное объединение и Самарский металлургический завод, специализирующиеся на выпуске полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, а так же Пикалевский глиноземный завод – комплексное предприятие по переработке Кольских нефелиновых концентратов.
В шестидесятые и семидесятые годы в непосредственной близости от источников дешевой электроэнергии, крупнейших ГЭС, были построены Иркутский, Красноярский и Братский алюминиевые заводы.
В этот же период были введены в эксплуатацию Красноярский металлургический завод, Павлодарский алюминиевый завод, Ачинский глиноземный комбинат и «Дмитровский опытный завод алюминиевой консервной ленты».
В 1983г. и в 1985г. вступили в строй Николаевский глиноземный и Саянский алюминиевые заводы, оснащенные современными технологиями и оборудованием.
В 1995г. начал выдавать продукцию завод «Саянская фольга».
В настоящее время алюминиевая промышленность России является крупнейшим в мире производителем и экспортером алюминия.
В 1996г. в отрасли начались структурные преобразования по созданию интегрированных компаний.
В настоящее время в отрасли действуют три алюминиевые компании: «РУСАЛ – Управляющая компания», «СУАЛ – холдинг» и Алко Россия.
?
5. Новые технологии в производстве алюминия
В последние годы многие аналитики сферы производства легких металлов и сплавов пророчат России звание «алюминиевой сверхдержавы»: современные тенденции на мировом рынке ведут к повышенному спросу на российский металл. У отечественных предприятий действительно есть реальный шанс выйти в лидеры мировой алюминиевой промышленности — при условии, что будет решен вопрос сырья и модернизированы производственные линии.
Если с первой проблемой справиться пока сложно (хотя слияние СУАЛа и РУСАЛа открывает определенные перспективы), то в отношении совершенствования производства российские предприятия идут вперед ударными темпами. Помимо исследовательских и конструкторских подразделений крупных заводов, в стране действуют целые научные центры, такие как ОАО «СибВАМИ», которые занимаются разработкой новейших методик в области производства первичного и вторичного алюминия и его сплавов.
Модернизация производственных линий и увеличение производительности многих отечественных предприятий стали возможными благодаря разработкам Сибирского научно-исследовательского, конструкторского и проектного института алюминиевой и электродной промышленности (СибВАМИ). За последние несколько лет эта организация разработала и успешно внедрила несколько уникальных технологий, способствующих повышению эффективности производства алюминия не только в России, но и за рубежом.
К числу разработок СибВАМИ относятся новая технология производства анодной массы методом сухого смешивания и брикетирования, создание автоматических плавильно-литейных комплексов, а также ряд методик по переработке первичного алюминия. Некоторые инновации института стали поистине революционными для российских предприятий.
По данным аналитиков компании РУСАЛ, около 80% российского алюминия производится с помощью электролизеров Содерберга с самообжигающимися анодами. Технология Содерберга была предложена в 1920-х годах норвежскими исследователями и была принята российскими металлургами как более экономичная и эффективная методика по сравнению с используемой ранее системой Холла-Эру. Самообжигающиеся аноды позволили снизить себестоимость алюминия на 5,2% и практически исключить «человеческий фактор» в процессе электролиза. Однако растущий спрос на алюминий и необходимость увеличить объемы производства выявили недостатки самообжигающихся анодов. Расход электроэнергии и углерода в установках Содерберга довольно высок, как и уровень выделения вредных веществ при производстве. Впрочем, приверженцы данной технологии (а это довольно широкий круг отечественных и зарубежных предприятий) отмечают высокий потенциал самообжигающихся анодов при усовершенствовании отдельных ее элементов. Поэтому модернизация отечественных алюминиевых предприятий касается, в основном, снижения энергозатрат, решения экологических проблем и повышения производительности установок Содерберга.
Совершенствование технологии Содерберга ведется сразу в нескольких российских компаниях. Например, лидер отечественной алюминиевой промышленности компания РУСАЛ (которая входит в так называемый «клуб Содерберга», объединяющий крупнейшие заводы мира) с 2004 года реализует программу модернизации производства за счет внедрения новых моделей электролизеров (РА-300 и РА-400). Эти агрегаты позволяют освоить технологию «сухого» анода и относятся к числу «зеленых» инноваций: их установка на заводе в Хакасии позволила на 50% уменьшить выброс вредных веществ. Новые электролизеры значительно повлияли и на продуктивность завода: в среднем линия РА-300 производит до 2412 кг алюминия в сутки (показатели РА-400 немного выше). Руководство РУСАЛ отмечает, что благодаря внедрению новых технологий в области само обжигающихся анодов производительность завода в ближайшие пять лет может заметно возрасти.
В рамках программы по модернизации в некоторых российских предприятиях широко внедряется еще одна технология — обожженные аноды — ставшая для отечественных металлургов неплохой перспективой развития производства. Концепция обожженных анодов была принята в качестве основной руководством холдинга СУАЛ: переход на новую технологию полным ходом идет на заводе «ИркАЗ», одном из самых крупных заводов компании. По мнению специалистов СУАЛ, обожженные аноды, хоть и дорогая, но более эффективная технология по сравнению с электролизерами Содерберга: при ее использовании загрязнение атмосферы сводится к минимуму, а производительность предприятия значительно повышается.
Экспериментальные линии электролизеров с обожженными анодами были установлены в цехах Уральского алюминиевого завода группы СУАЛ. Первые несколько месяцев испытаний показали высокие результаты по эффективности и экологической безопасности — технология обожженных анодов легла в основу нового проекта СУАЛ по вводу в эксплуатацию новейшей модернизированной линии электролизеров «ИркАЗ-5». По расчетам аналитиков, инвестированные в этот довольно амбициозный проект 400 миллионов долларов должны окупиться в течение нескольких лет после запуска линии: ее теоретическая мощность составляет около 166,5 тысяч тонн алюминия в год — это почти две трети нынешних объемов производства.
Новые технологии производства алюминия в России — это шаг в будущее, шаг к завоеванию абсолютного превосходства на мировом рынке «самолетного металла».
