В присутствии какого соединения осуществляют электролиз глинозема при производстве алюминия

Обновлено: 14.05.2024

На фоне новостей о госперевороте в Гвинее, втором мировом поставщике сырья для алюминия, стоит освежить информацию о том, как производится данный металл и какие страны играют ключевую роль на этом рынке.

Производственная цепочка алюминия выглядит следующим образом:


Добыча бокситов

В мире существует несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства являются именно бокситы. Эта порода добывается преимущественно открытым способом с применением мощной карьерной техники. Около 90% мировых запасов бокситов приходится на страны тропического пояса, причем 70% — на 5 стран: Гвинею, Австралию, Вьетнам, Бразилию и Ямайку.

Крупнейшими производителями бокситов являются Австралия, Гвинея и Китай: там сосредоточено 67% всей мировой добычи.


Производство глинозема (Alumina)

Добытые бокситы дробят, обрабатывают щелочным раствором и выделяют из них глинозем — оксид алюминия Al2O3. В бокситах, как правило, содержится от 40% до 60% глинозема. Полученный глинозем выступает ключевым сырьем в процессе электролиза алюминия. Из одной тонны глинозема в среднем получают 0,5 тонны чистого алюминия.

Электролиз и выплавка первичного алюминия

Под воздействием электрического тока связь между атомами алюминия и кислорода в глиноземе распадается. Алюминий осаждается на дне специальной электролизной ванны, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ. При производстве одной тонны алюминия выделяется 280 тыс. кубометров газа.

Одной из революционных технологий в производстве алюминия является использование в электролизе инертного анода. При этом выделяемый из глинозема кислород не соединяется с углеродом и выбросов CO2 практически не образуется. В 2021 г. РУСАЛ начал тестовые поставки алюминия, произведенного с использованием такой технологии.

Крупнейшие компании–производители алюминия в мире


Изготовление конечных изделий

После электролиза остатки примесей из алюминия удаляют методом переплавки. Из готового первичного алюминия отливают слитки, которые впоследствии будут использоваться для изготовления конечных изделий.

Прямоугольные слитки называют слябами. Они применяются для проката в тонкие листы и производства алюминиевой фольги, банок для напитков, автомобильных кузовов и пр.

Цилиндрические слитки алюминия используют для экструзии — выдавливания через отверстие необходимой формы. Так производится большинство алюминиевых изделий.

При производстве изделий в алюминий могут внедряться различные добавки для производства сплавов, обладающих необходимыми качествами. В промышленности используется свыше 100 различных марок алюминиевых сплавов.


Переработка

Алюминий, в отличие от стали и некоторых других металлов, не подвержен коррозии и не теряет своих свойств в процессе использования. Изделия из него могут подвергаться переплавке и вторичной переработке в новые продукты — рециклингу.

В развитых странах доля переработки в производстве конечных изделий довольно высока и, по всем прогнозам, будет расти и дальше. По оценке информационного издания Алюминиевый вестник, в странах Евросоюза доля вторичного сырья в автопроме и строительстве достигает 90–95%, в алюминиевой банке — 74%, а в целом в упаковке — 60%.

В России собирается и перерабатывается более 600 тыс. алюминиевого лома. В литой продукции доля вторсырья составляет 59%, в экструзии — 39%, в прокате — 15%.

БКС Мир инвестиций

Инвестиции 2022: что купить. Полное руководство с прогнозами

Акция года в России 2021

Три лучшие акции Китая: кто в топе прогнозов на 2022 г.

Акция года в США 2021

Заметные и влиятельные на фондовом рынке. Персоны года 2021

Максимальная дивидендная доходность! 5 американских бумаг по итогам 2021

Акции в евро: самые доходные по итогам года, лидеры прогнозов на 2022 г.

Ключевые риски 2022


Производство первичного алюминия в слитках включает следующие этапы:

  • добыча бокситов;
  • извлечение из бокситов глинозема (оксида алюминия);
  • электролиз алюминия из глинозема;
  • обработка расплава алюминия и разливка его в слитки.


Производство первичного алюминия из бокситов [2]

Добыча бокситов и производство глинозема

Исходная руда для производства алюминия – бокситы – довольно распространена по всему миру и добывается открытым способом. Бокситы являются смесью соединений алюминия – гидроксидов алюминия, а также оксидов железа и кремния. Из бокситов, в основном методом Байера, получают глинозем. Глинозем – это технический оксид алюминия (Al2O3), порошок белого цвета.

Производство глинозема методом Байера [1]

Электролиз первичного алюминия

Металлический (первичный) алюминий выплавляют из глинозема путем электролиза методом Холла-Эру. Это происходит в электролизерах, которые представляет собой ванну с расплавленным криолитом. Этот расплавленный криолит является электролитом в этом электрохимическом процессе. Типичный электролизер имеет длину около 5-10 м. Катодом в этом электролитическом процессе является дно ванны электролизера, которое футеровано углеродными блоками.

Аноды представляют собой массивные угольные блоки, которые постепенно погружаются в криолит по мере их сгорания. Поэтому угольные аноды требуют постоянной замены, и это составляет значительную часть работы и расходов. Криолит (Na3AlF6) в процессе электролиза практически не расходуется.

Глинозем постепенно добавляют в электролизер сверху расплава, где он расплавляется. Температура в ванне электролизера составляет 950-970 °С. Капли жидкого алюминия образуются и скапливаются на дне ванны. Это и есть первичный алюминий. Расплавленный алюминий выходит из электролизера при температуре около 900 °С.

Прямой электрический ток, который подают к электролизеру, имеет обычно напряжение 4-5 вольт и силу тока около 150000 А.

На производство 1 кг алюминия требуется примерно 2 кг глинозема, 0,5 кг угля и 15 киловатт-часов электрической энергии.

Один электролизерный цех может содержать 600-700 электролизеров и иметь длину до 1 километра.


Обработка первичного алюминия

На территории электролизерного цеха обычно располагают литейное отделение, в которое по минимальным путям поступают потоки жидкого первичного алюминия из корпусов электролизеров. В литейном отделении располагаются большие отражательные печи (миксеры) с электрическим обогревом.

Обычно для повышения качества продукции устанавливают последовательно две спаренные отражательные печи. Одна печь – “отстойник” – предназначена для приема, отстаивания, усреднения температуры и химического состава металла. Другая печь – “разливочная” или “раздаточная” – предназначена для разливки различных видов продукции. Обычно эти печи являются стационарными, что в отличие от наклоняемых печей позволяет вести непрерывный процесс литья.

Жидкий алюминий выдерживают в печи в течение 30-45 минут при температуре 690—730 °С для всплывания и осаждения неметаллических включений, а также выделения газов из металла.

Примеси удаляют из алюминиевого расплава путем рафинирования. Для этого его обычно продувают хлором. Образующийся газообразный хлористый алюминий, проходя через расплав, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла в виде шлака, который механически удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии. После рафинирования чистота первичного алюминия достигает 99,5-99,85 %.

Разливка первичного алюминия в изложницы

Разливку чушек – небольших стандартизированных слитков – обычно производят в изложницы на разливочной машине конвейерного типа. Разливку металла в изложницы ведут короткой ровной струей. После заполнения изложниц с поверхности металла удаляют оксидную пленку. Эти машины оборудуют устройством для механического клеймения чушек и системой воздушного или водяного охлаждения изложниц.

Экономическая география первичного алюминия

Главными расходными материалами и ресурсами при производстве первичного алюминия являются:

  • бокситы;
  • каменный уголь (кокс) и
  • электрическая энергия.

К сожалению, эти три составляющих никогда не находятся на Земле в одном и том же месте. Поэтому для производств первичного алюминия обычно выбирают места вблизи гидроэлектрических станций с дешевой электрической энергией. Эти электростанции могут находиться в нескольких тысячах километров от источника глинозема и от рынков сбыта алюминиевых слитков.

На фоне новостей о госперевороте в Гвинее, втором мировом поставщике сырья для алюминия, стоит освежить информацию о том, как производится данный металл и какие страны играют ключевую роль на этом рынке.

Производственная цепочка алюминия выглядит следующим образом:


Добыча бокситов

В мире существует несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства являются именно бокситы. Эта порода добывается преимущественно открытым способом с применением мощной карьерной техники. Около 90% мировых запасов бокситов приходится на страны тропического пояса, причем 70% — на 5 стран: Гвинею, Австралию, Вьетнам, Бразилию и Ямайку.

Крупнейшими производителями бокситов являются Австралия, Гвинея и Китай: там сосредоточено 67% всей мировой добычи.


Производство глинозема (Alumina)

Добытые бокситы дробят, обрабатывают щелочным раствором и выделяют из них глинозем — оксид алюминия Al2O3. В бокситах, как правило, содержится от 40% до 60% глинозема. Полученный глинозем выступает ключевым сырьем в процессе электролиза алюминия. Из одной тонны глинозема в среднем получают 0,5 тонны чистого алюминия.

Электролиз и выплавка первичного алюминия

Под воздействием электрического тока связь между атомами алюминия и кислорода в глиноземе распадается. Алюминий осаждается на дне специальной электролизной ванны, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ. При производстве одной тонны алюминия выделяется 280 тыс. кубометров газа.

Одной из революционных технологий в производстве алюминия является использование в электролизе инертного анода. При этом выделяемый из глинозема кислород не соединяется с углеродом и выбросов CO2 практически не образуется. В 2021 г. РУСАЛ начал тестовые поставки алюминия, произведенного с использованием такой технологии.

Крупнейшие компании–производители алюминия в мире


Изготовление конечных изделий

После электролиза остатки примесей из алюминия удаляют методом переплавки. Из готового первичного алюминия отливают слитки, которые впоследствии будут использоваться для изготовления конечных изделий.

Прямоугольные слитки называют слябами. Они применяются для проката в тонкие листы и производства алюминиевой фольги, банок для напитков, автомобильных кузовов и пр.

Цилиндрические слитки алюминия используют для экструзии — выдавливания через отверстие необходимой формы. Так производится большинство алюминиевых изделий.

При производстве изделий в алюминий могут внедряться различные добавки для производства сплавов, обладающих необходимыми качествами. В промышленности используется свыше 100 различных марок алюминиевых сплавов.


Переработка

Алюминий, в отличие от стали и некоторых других металлов, не подвержен коррозии и не теряет своих свойств в процессе использования. Изделия из него могут подвергаться переплавке и вторичной переработке в новые продукты — рециклингу.

В развитых странах доля переработки в производстве конечных изделий довольно высока и, по всем прогнозам, будет расти и дальше. По оценке информационного издания Алюминиевый вестник, в странах Евросоюза доля вторичного сырья в автопроме и строительстве достигает 90–95%, в алюминиевой банке — 74%, а в целом в упаковке — 60%.

В России собирается и перерабатывается более 600 тыс. алюминиевого лома. В литой продукции доля вторсырья составляет 59%, в экструзии — 39%, в прокате — 15%.

БКС Мир инвестиций

Инвестиции 2022: что купить. Полное руководство с прогнозами

Акция года в России 2021

Три лучшие акции Китая: кто в топе прогнозов на 2022 г.

Акция года в США 2021

Заметные и влиятельные на фондовом рынке. Персоны года 2021

Максимальная дивидендная доходность! 5 американских бумаг по итогам 2021

Акции в евро: самые доходные по итогам года, лидеры прогнозов на 2022 г.

Ключевые риски 2022


Производство первичного алюминия в слитках включает следующие этапы:

  • добыча бокситов;
  • извлечение из бокситов глинозема (оксида алюминия);
  • электролиз алюминия из глинозема;
  • обработка расплава алюминия и разливка его в слитки.


Производство первичного алюминия из бокситов [2]

Добыча бокситов и производство глинозема

Исходная руда для производства алюминия – бокситы – довольно распространена по всему миру и добывается открытым способом. Бокситы являются смесью соединений алюминия – гидроксидов алюминия, а также оксидов железа и кремния. Из бокситов, в основном методом Байера, получают глинозем. Глинозем – это технический оксид алюминия (Al2O3), порошок белого цвета.

Производство глинозема методом Байера [1]

Электролиз первичного алюминия

Металлический (первичный) алюминий выплавляют из глинозема путем электролиза методом Холла-Эру. Это происходит в электролизерах, которые представляет собой ванну с расплавленным криолитом. Этот расплавленный криолит является электролитом в этом электрохимическом процессе. Типичный электролизер имеет длину около 5-10 м. Катодом в этом электролитическом процессе является дно ванны электролизера, которое футеровано углеродными блоками.

Аноды представляют собой массивные угольные блоки, которые постепенно погружаются в криолит по мере их сгорания. Поэтому угольные аноды требуют постоянной замены, и это составляет значительную часть работы и расходов. Криолит (Na3AlF6) в процессе электролиза практически не расходуется.

Глинозем постепенно добавляют в электролизер сверху расплава, где он расплавляется. Температура в ванне электролизера составляет 950-970 °С. Капли жидкого алюминия образуются и скапливаются на дне ванны. Это и есть первичный алюминий. Расплавленный алюминий выходит из электролизера при температуре около 900 °С.

Прямой электрический ток, который подают к электролизеру, имеет обычно напряжение 4-5 вольт и силу тока около 150000 А.

На производство 1 кг алюминия требуется примерно 2 кг глинозема, 0,5 кг угля и 15 киловатт-часов электрической энергии.

Один электролизерный цех может содержать 600-700 электролизеров и иметь длину до 1 километра.


Обработка первичного алюминия

На территории электролизерного цеха обычно располагают литейное отделение, в которое по минимальным путям поступают потоки жидкого первичного алюминия из корпусов электролизеров. В литейном отделении располагаются большие отражательные печи (миксеры) с электрическим обогревом.

Обычно для повышения качества продукции устанавливают последовательно две спаренные отражательные печи. Одна печь – “отстойник” – предназначена для приема, отстаивания, усреднения температуры и химического состава металла. Другая печь – “разливочная” или “раздаточная” – предназначена для разливки различных видов продукции. Обычно эти печи являются стационарными, что в отличие от наклоняемых печей позволяет вести непрерывный процесс литья.

Жидкий алюминий выдерживают в печи в течение 30-45 минут при температуре 690—730 °С для всплывания и осаждения неметаллических включений, а также выделения газов из металла.

Примеси удаляют из алюминиевого расплава путем рафинирования. Для этого его обычно продувают хлором. Образующийся газообразный хлористый алюминий, проходя через расплав, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла в виде шлака, который механически удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии. После рафинирования чистота первичного алюминия достигает 99,5-99,85 %.

Разливка первичного алюминия в изложницы

Разливку чушек – небольших стандартизированных слитков – обычно производят в изложницы на разливочной машине конвейерного типа. Разливку металла в изложницы ведут короткой ровной струей. После заполнения изложниц с поверхности металла удаляют оксидную пленку. Эти машины оборудуют устройством для механического клеймения чушек и системой воздушного или водяного охлаждения изложниц.

Экономическая география первичного алюминия

Главными расходными материалами и ресурсами при производстве первичного алюминия являются:

  • бокситы;
  • каменный уголь (кокс) и
  • электрическая энергия.

К сожалению, эти три составляющих никогда не находятся на Земле в одном и том же месте. Поэтому для производств первичного алюминия обычно выбирают места вблизи гидроэлектрических станций с дешевой электрической энергией. Эти электростанции могут находиться в нескольких тысячах километров от источника глинозема и от рынков сбыта алюминиевых слитков.

Читайте также: