Способ получения алюминия из глины, бокситов и др

Получение глинозема

Около 95% всего глинозема получают из бокситовой руды.

Бокситовая руда

Боксит (фр bauxite) (назван в честь района Бо на юге Франции) — алюминиевая руда, состоящая из гидроксидов алюминия, оксидов железа и кремния, сырье для производства глинозема и глиноземсодержащих огнеупоров. Содержание глинозема в промышленных бокситах колеблется от 40 до 60% и более. Он также используется в качестве флюса в металлургии железа.

Рисунок 1 – Бокситовые руды

Как правило, бокситы представляют собой землистую глиноподобную массу, которая может иметь полосчатую, горошковую или гладкую текстуру. При нормальных погодных условиях полевой шпат (минералы, составляющие большую часть земной коры и являющиеся алюмосиликатами) распадается с образованием глины, но в условиях жаркого климата и высокой влажности конечным продуктом распада могут быть бокситы, поскольку такая среда благоприятствует удаление щелочей и кремнезема, особенно из сиенитов или габбро. Бокситы перерабатывают в алюминий поэтапно: сначала получают оксид алюминия (глинозем), а затем металлический алюминий (электролитически в присутствии криолита).

Читайте также: Расчет трансформатора онлайн за 6 простых шагов

Наиболее важными примесями в бокситах являются Fe2O3, SiO2, TiO2. К второстепенным примесям бокситов относятся: Na2O, K2O, CaO, MgO, редкоземельные металлы, Cr, P, V, F, органика.

Обычно бокситы классифицируют:

• по цвету;
• основного минерала (чаще их смешивают);
• согласно возрасту.

Основными критериями качества алюминиевой руды являются:

1. Кремниевый модуль (Msi = Al2O3/SiO2 (мас.%)). Чем выше модуль кремния, тем лучше качество (Msi = 7);
2. Содержание железа в форме Fe2O3. Если содержание Fe2O3 составляет ок. 18% по весу, боксит считается высокожелезистым. Чем больше содержание железа, тем труднее добывать бокситы;
3. Содержание серы. Наличие большого количества серы усложняет переработку бокситов;
4. Содержание карбонатов в виде CO3(2-). Наличие большого количества карбонатов усложняет переработку бокситов.

Бокситы используются:

• в производстве глинозема;
• в производстве абразивных материалов;
• в производстве огнеупорных материалов;
• как флюс для плавки стали на открытом огне;
• для осушки газов и очистки нефти от серы;
• как краситель.

На сегодняшний день основными поставщиками бокситов являются:

• Австралия — также есть крупные месторождения Fe, Au, U, Ni, Co, Cu и др. сырье выгоднее покупать в Австралии, чем перерабатывать собственное.
• Гвинея — у России есть несколько купленных мест.
• Центральная Америка: Гайана, Ямайка, Суриман.
• Бразилия.

В Европе все месторождения исчерпаны. Бокситы поставляются из Греции, но это сырье низкого качества.

Рисунок 2 – Запасы бокситов в мире

Ниже приведены наиболее важные месторождения алюминиевых руд в России.

• Первое месторождение было открыто в 1914 году под Санкт-Петербургом, недалеко от города Тихвина. На этом месторождении построено 6 объектов. Крупнейший – Волховский алюминиевый завод. На сегодняшний день Тихвинское месторождение истощено и работает в основном на привозном сырье.
• В 1931 году было открыто уникальное Северо-Уральское месторождение богатых бокситов (СУБР). На его базе был построен в 1939 году Уральский алюминиевый завод (УАЗ). А на базе Южно-Уральского бокситового рудника (ЮБР) построен Богословский алюминиевый завод (БАЗ).
• Североонежское месторождение расположено по дороге на Кольский полуостров. Он есть в плане, но дата постройки неизвестна.
• Висловское месторождение представляет собой чисто глинистое месторождение каолитового типа. Не используется для глинозема.
• Тиманское месторождение (Республика Коми, г. Варкута). Канадцам это поле интересно, поэтому они планируют строить бизнес).

Получение глинозема из бокситовых руд

Поскольку алюминий амфотерен, его получают тремя способами:

• щелочной,
• кислота;
• электролитический.

Наиболее распространен щелочной метод (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого века и применявшийся для переработки высококачественных бокситов с небольшим содержанием (до 5—6%) кремнезема). С тех пор технические характеристики значительно улучшились. Схема производства глинозема по методу Байера представлена ​​на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема получения глинозема по методу Байера

Суть метода заключается в том, что растворы алюминия быстро разлагаются при введении в них гидроксида алюминия, а оставшийся от разложения раствор после выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169-170 °С может снова растворять оксид алюминия, содержащийся в бокситах. Этот метод состоит из следующих основных операций:

1. Производство бокситов, заключающееся в дроблении и измельчении в мельницах; мельницы снабжаются бокситом, едкой щелочью и небольшим количеством извести, улучшающей отделение Al2O3; полученная масса подается на выщелачивание;

2. Выщелачивание боксита (в последнее время применявшиеся до сих пор круглые автоклавные блоки частично заменены на трубчатые автоклавы, где выщелачивание происходит при температурах 230–250 °С (500–520 К), заключающееся в его химическом разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты оксида алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlOOH+NaOH→NaAlO2+H2O

или же

Al(OH)3+NaOH→NaAlO2+2H2O;

кремнезем в боксите взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:

SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O;

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый алюмосиликат натрия; в нерастворимый остаток переходят оксиды титана и железа, придающие остатку красный цвет; этот остаток называется красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при понижении температуры на 100 °С;

3. Отделение алюминатного раствора от красного шлама, обычно осуществляемое промывкой в ​​специальных сгустителях; в результате красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают, а затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам используют, например, как добавку к цементу. В зависимости от качества бокситов на 1 т произведенного глинозема приходится 0,6 — 1,0 т красного шлама (сухой остаток);

4. Разложение алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (разлагателями). Гидроксид алюминия Al(OH)3 извлекают из пересыщенного раствора охлаждением до 60 °С (330 К) и постоянным перемешиванием. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а образование и рост кристаллов гидроксида алюминия имеет большое значение при дальнейшей переработке, в разлагатели — затравки добавляют большое количество твердого гидроксида:

Na2OAl2O3 + 4H2O→Al(OH)3 + 2NaOH;

5. Выделение гидроксида алюминия и его классификация; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора отделяют осадок, содержащий 50–60% частиц Al(OH)3. Значительная часть гидроксида возвращается в процесс разложения в виде исходного материала, который остается в обороте в неизменном количестве. Остаток после промывки водой идет на прокаливание; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрирования в испарителях — для выщелачивания новых бокситов);

6. Дегидратация гидроксида алюминия (прокаливание); это заключительная операция производства глинозема; осуществляется в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время и в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150 — 1300°С; сырой гидроксид алюминия, который проходит через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагревании последовательно происходят следующие структурные превращения:

Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 → α-Al2O3

200°С — 950°С — 1200°С.

Конечный прокаленный глинозем содержит 30–50 % α-Al2O3 (корунд), остальное составляет γ-Al2O2.

Этим способом извлекается 85 — 87% всего производимого глинозема. Полученный оксид алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050°С 7.

Процесс извлечения

1. Как только вы принесете боксит, его нужно будет высушить. Можно расстилать газеты, вывешивать собранное раннее сырье. После этого возьмите самый обычный фен. Используйте его для сушки. Конечно, гораздо предпочтительнее использовать для этой цели серьезный сушильный агрегат. В солнечную погоду сушку можно устроить на улице. Правда, стоит помнить, что необходимо следить за тем, чтобы высохшая глина не пересыхала во что-то. Для этого поверхность можно посыпать мукой или песком, в зависимости от того, что у вас есть под рукой.

Технология плавления алюминия в домашних условиях

Суть плавки состоит из нескольких этапов:

1. Подготовка лома. В качестве сырья используется алюминиевый профиль, проволока (ее предварительно разминают пассатижами) и бывшие в употреблении детали. Кусочки должны быть небольшими. Краска, включения других металлов из них не выходят, все это будет в составе шлака.
2. Выбор контейнера, в котором можно плавить алюминий. Подойдет прочный сосуд из стали (температура плавления 1300°С) или чугуна (1100°С), используются готовые огнеупорные тигли.
3. Подготовка формы для плавки. В домашних условиях их делают самостоятельно. Процедура изготовления показана ниже.
4. Плавка лома. А пока определите источник тепла.
5. Удаление шлака, производство литья. Самый простой способ плавки – это осторожно залить жидкий алюминий в подготовленную емкость или форму, шлак остается на стенках плавильного сосуда. Чтобы он не слипся, его нужно быстро охладить.

В принципе, технология промышленного и кустарного литья ничем не отличается. Лом переплавляется в жидкое состояние. После этого расплав отделяют от шлака, разливают в подготовленные формы. После охлаждения отливка разрушается. Важно решить, что получится в результате жидкого алюминия. Даже если было принято решение расплавить металл ради эксперимента, емкость или форму для отливки все равно нужно подготовить. Затем можно будет осмотреть полученный блок, проверить его на пористость, чистоту и однородность структуры.

Первоначальная подготовка производства

Итак, с чего начать производство алюминия?

Конечно, с обустройством производственных площадей, где мы будем налаживать этот бизнес. Конечно, если мы работаем дома, речь не идет об открытии большого цеха. Производство алюминия легко может осуществляться в отдельном рабочем помещении, но лучше всего в какой-нибудь пристройке к дому или даже в постоянном гараже. Правда, обязательным условием выдачи алюминия «на гору» будет наличие в помещении стандартного источника питания на 220 вольт.

Главное здесь в другом: все необходимое дополнительно есть в свободном доступе.

• обычный сварочный аппарат;
• бокситы;
• графитовый порошок;
• металлические бочки;
• бетономешалка.

Что такое бокситы мы знаем со школьной скамьи, объяснять не надо – это не что иное, как обычная глина, содержащая от 40 до 80% алюминия. Вы можете легко выкопать его в ближайшем карьере или на берегу ближайшей реки. Купите сварочный аппарат в магазине «Инструменты», а бочки, графитовые и бетономешалки вы найдете в магазинах строительной техники и стройматериалов. Как говорится, без проблем!

Получение алюминия электролизом

Электролитическое восстановление оксида алюминия, растворенного в расплаве на основе криолита, проводят при 950–970 °С в электролизере. Ячейка состоит из ванны, облицованной угольными блоками, на дно которой подается электрический ток. Жидкий алюминий, выделяющийся на дне и выполняющий роль катода, тяжелее электролитного солевого расплава, поэтому собирается на угольном основании, из которого периодически откачивается (рис. 4). Сверху угольные аноды погружаются в электролит, который сгорает в атмосфере выделяющегося из оксида алюминия кислорода с выделением монооксида углерода (СО) или диоксида углерода (СО2). На практике применяют два типа анодов:

• самообжигающиеся аноды Цедерберга, состоящие из брикетов, так называемых «батонов» массы Цедерберга (малозольный уголь с содержанием каменноугольной смолы 25 — 35 %), залитых в алюминиевую оболочку; под воздействием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);
• обожженные или «непрерывные» аноды, изготовленные из крупных блоков углерода (например, 1900 × 600 × 500 мм, весом около 1,1 тонны).

Рисунок 4 – Схема электролизера

Сила тока электролизеров 150 000 А. В сеть они включаются последовательно, то есть получается система (серия) — длинный ряд электролизеров.

Рабочее напряжение ванны, составляющее 4 — 5 В, значительно превышает напряжение, при котором происходит разложение оксида алюминия, так как в процессе эксплуатации неизбежны потери напряжения в различных частях системы. Баланс между сырьем и энергией при получении 1 тонны алюминия показан на рисунке 5.

Рисунок 5 – Баланс между сырьем и энергией при производстве 1 тонны алюминия

В реакционном сосуде оксид алюминия сначала превращается в хлорид алюминия. Затем в герметично изолированной ванне происходит электролиз AlCl3, растворенного в расплавленных солях KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и направляется на переработку; алюминий осаждается на катоде.

Преимуществами этого метода перед существующим электролизом жидкого криолито-глиноземного расплава (Al2O3, растворенного в криолите Na3AlF6) являются: экономия энергии до 30%; возможность использования оксида алюминия, не подходящего для традиционного электролиза (например, Al2O3 с высоким содержанием кремния); заменить дорогой криолит более дешевыми солями; исчезновение опасности выброса фтора 7.

Подробности

Технологический процесс — инструкция видео

Для нагревания металла используется огнеупорная емкость (тигель). Используются изделия из таких материалов, как сталь, фарфор, корунд, чугун. В домашних условиях используют емкость из широкой железной трубы или готовый тигель. Для изготовления понадобится только болгарка и сварочный аппарат. Объем тигля может быть разным и подбирается индивидуально, прогревается равномерно. Металл должен быть измельчен и расплавлен во время теплообмена.

Температуру плавления необходимо понизить перед термообработкой для более быстрого изменения состояния металла. Для этого его измельчают на мелкие части. Часто за этим следует окисление или воспламенение. Образуется оксид алюминия, который меняет состояние при более высоких температурах. Это вещество удаляют после переплавки металла вместе с остальным шлаком.

ССЫЛКА! При плавке алюминия в домашних условиях избегайте попадания жидкости в тигель. Это связано с тем, что испарение воды может вызвать взрыв. Поэтому, прежде чем опустить металл в тигель, необходимо убедиться, что он полностью высох.

В основном плавится алюминиевая проволока. Для этого его делят на кусочки ножницами, а затем сдавливают плоскогубцами. Использование этого метода предотвращает воздействие кислорода на металл. Если вы не планируете получать качественные детали, то измельчать сырье нет необходимости.

Технологию литья, если необходимо получить расплавленный алюминий в домашних условиях, необходимо моделировать самостоятельно. Материал необходимо предварительно очистить от грязи, шлака и примесей. Крупные заготовки необходимо разделить на несколько мелких. Отливка производится по инструкции, для плавки используется наиболее удобный вариант. Шлак должен быть удален с поверхности жидкости. Расплавленный алюминий заливают в форму, которую после застывания металла необходимо разбить.

Используемые источники тепла

Для плавки алюминия в домашних условиях можно использовать:

1. Плавка алюминия в муфельной печи, которую можно сделать своими руками. Этот метод очень эффективен и позволяет быстро перевести металл в жидкую форму.
2. Вентиляционная лампа. Он может расплавить небольшое количество алюминия.
3. Газовый резак — почти не использовался.

Очаг из кирпича, каркас из металлической емкости. С одной стороны сделано отверстие бором для подачи кислорода. На металлическую трубу крепится фен, пылесос или другое подобное приспособление. Тигель помещают в очаг после того, как зажгут огонь. Для лучшей термообработки по бокам также можно положить уголь. Чтобы не терять жар, можно сделать крышку, оставив отверстие для выхода дыма. Не стоит делать печь, если металл нужно расплавить только один раз.

Плавка алюминия на газовой плите тоже имеет место быть. Обычная газовая печь способна нагреть металл до нужной температуры. Небольшие кусочки алюминия расплавятся примерно за полчаса.

Жестяная банка обычно используется в качестве тигля. Банку помещают в другую банку так, чтобы зазор между ними был около одного сантиметра. Это необходимо для равномерного распределения температуры. В большом горшке нужно сделать несколько отверстий для доступа огня. Диаметр этих отверстий должен быть 3-4 см в диаметре. В этом случае перегородку на горелке снять нельзя. Таким образом удается добиться равномерного прогрева алюминиевого короба. Банку, которая больше, накрывают крышкой, чтобы тепло не уходило.

Изготовление формы для отливки — инструкция

Если вам нужно сделать что-то простое, нет необходимости делать специальную форму, металл можно залить на стальную пластину.

Если изделие более сложное, нужна форма, которую можно изготовить из следующих материалов:

• — глина;
• — гипс;
• — жидкое стекло;
• — песок;
• — угольная зола.

Существует два способа заливки сплава в форму — открытый и закрытый.

открытый — это простой способ. Расплавленный металл сливают в обычную емкость, чашку, консервную банку и так далее. После охлаждения сплава заготовку извлекают из емкости. Если не имеет значения, какую форму будет иметь металлический предмет, алюминий остается на твердой поверхности.

Формовочные элементы используются для сложного литья, когда изделие должно соответствовать заданным параметрам. При открытом литье часто используют кремнезем. Предмет сделан из двух контейнеров с утрамбованной землей. Кусочки кремнезема прессуются и между ними помещается макет для отливки. Это приводит к четкому отпечатку желаемой детали. Модель снимается, и в форму заливается горячий алюминий. При закрытом способе литья берется речной песок и смешивается с жидким стеклом.

Для разовой отливки можно использовать гипс. Модели изготавливаются из пенопласта или керосина.

ВАЖНЫЙ! Использование этих материалов возможно только в открытом помещении с хорошим доступом воздуха.

С твердой штукатурки пенопласт не снимается, его заливают расплавленным алюминием. Продукты горения вредны для здоровья человека.

Необходимые компоненты

Вот список вещей:

• графитовый порошок
• металлическая бочка
• сварочный аппарат
• бетономешалка
• бокситовая глина

Сегодня все вышеперечисленное, за исключением боксита, легко найти на хозяйственных рынках и в хозяйственных магазинах. Так что давайте перейдем от праздного теоретизирования к применению этой технологии на практике. Правда, для начала вам нужно найти место, где вы возьмете необходимое сырье. Покатайтесь там на машине, которая может перевозить груз весом в полтонны. Это количество бокситов, которое необходимо собрать. Нет смысла брать меньше пяти центнеров. При складывании боксита учитывайте свои силы. Теперь бери собранное.

Получение рафинированного алюминия

Для алюминия рафинирование электролизом с разложением водных растворов солей невозможно. Поскольку степень чистоты технического алюминия (Al 99,5 — Al 99,8), полученного электролизом криолито-глиноземного расплава, недостаточна для некоторых целей, то еще более чистый алюминий (Al 99,99 R) получают из технического алюминия или металлических отходов путем переработка. Наиболее известным методом рафинирования является трехслойный электролиз.

Рафинирование методом трехслойного электролиза

Футерованная стальной плитой, работающей на постоянном токе (рис. 6), ванна рафинирования состоит из угольной топки с линиями электропередач и теплоизоляционной магнезитовой футеровкой. В отличие от электролиза криолито-глиноземного расплава анодом здесь обычно является расплавленный рафинированный металл (нижний слой анода). Электролит состоит из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фторидов алюминия и натрия (промежуточный слой). Алюминий, который растворяется из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой). Чистый металл действует как катод. Ток подается на катодный слой графитовым электродом.

Рисунок 6 – Схема электролизера с передним подом для рафинирования алюминия (по Фульде – Гинзбергу)

1 — расплав алюминия; 2 — электролит; 3 — высокочастотный рафинированный алюминий; 4 — графитовый катод; 5 — магнезитовая стенка; 6 — передний рог; 7 — теплоизоляционный слой; 8 — боковая изоляция; 9 — угольная топка; 10 — анодный проводник; 11 — утепление очага; 12 — железный ящик; 13 — крышка

Ванна работает при 750 — 800°С, расход электроэнергии 20 кВтч на 1 кг чистого алюминия, то есть несколько выше, чем при обычном электролизе алюминия.

Анодный металл содержит 25–35 % Cu; 7 – 12 % цинка; 6 – 9 % Si; до 5 % Fe и небольшое количество марганца, никеля, свинца и олова, остальное (40 — 55 %) — алюминий. При рафинировании все тяжелые металлы и кремний остаются в анодном слое. Наличие в электролите магния приводит к нежелательным изменениям состава электролита или к его сильному шлакообразованию. Для удаления магния магнийсодержащие шлаки обрабатывают флюсами или газообразным хлором.

В результате рафинирования получают чистый алюминий (99,99%) и продукты сегрегации (продукт Цигера), которые содержат тяжелые металлы и кремний и выделяются в виде щелочного раствора и кристаллического остатка. Щелочной раствор является отходом, а твердый остаток используется для раскисления.

Рафинированный алюминий обычно имеет следующий состав, %: Fe 0,0005 — 0,002; Скажем 0,002 — 0,005; Cu 0,0005 — 0,002; Zn 0,0005 — 0,002; след магния; Отдыхать.

Рафинированный алюминий перерабатывают в полуфабрикат заданного состава или легируют магнием (таблица 1).

Таблица 1 — Химический состав алюминия высокой чистоты и первичного алюминия по DIN 1712, лист 1

Бренд	Число	Допустимые примеси* , %
общий	включая
Сказать	Сказочный	10	Cu	Цинк	второй
199,99 руб	3.0400	0,01	0,006	0,005	0,002	0,003	0,005	0,001
А199.9Х	3.0300	0,1	0,050	0,035	0,006	0,005	0,04	0,003
А199.8Х	3.0280	0,2	0,15	0,15	0,03	0,01	0,06	0,01
А199.7Н	3.0270	0,3	0,20	0,25	0,03	0,01	0,06	0,01
А199.5Н**	3.0250	0,5	0,30	0,40	0,03	0,02	0,07	0,03
А199Н	3.0200	1,0	0,5	0,6	0,03	0,02	0,08	0,03

* Насколько это возможно определить общепринятыми методами исследования.

** Чистый алюминий для электротехники (алюминиевые проводники) поставляется в виде первичного алюминия 99,5 с содержанием не более 0,03% (Ti + Cr + V + Mn); в данном случае обозначен как E-A1, номер материала 3.0256. В остальном соответствует VDE-0202.

Рафинирование путем алюмоорганических комплексных соединений и зонной плавкой

Алюминий повышенной чистоты А1 99,99 Р может быть получен рафинированием электролизом чистого или технически чистого алюминия с использованием в качестве электролита комплексных алюминийорганических соединений алюминия. Электролиз происходит при температуре ок. 1000°C между сплошными алюминиевыми электродами и по принципу действия аналогичен рафинирующему электролизу меди. Природа электролита диктует необходимость работы без воздуха и с малой плотностью тока.

Этот вид рафинирующего электролиза, который вначале применялся только в лабораторных масштабах, уже осуществляется в небольших промышленных масштабах — в год производится несколько тонн металла. Номинальная степень чистоты получаемого металла 99,999-99,9999%. Потенциальные области применения металла такой чистоты — криогенная электротехника и электроника.

Возможно использование рассматриваемого метода рафинирования гальванопокрытием.

Еще более высокая чистота — номинально до А1 99,99999 — может быть достигнута последующей зонной плавкой металла. При переработке алюминия высокой чистоты в полуфабрикат, лист или проволоку необходимо, учитывая низкую температуру рекристаллизации металла, соблюдать особые меры предосторожности. Заметным свойством рафинированного металла является его высокая электропроводность в области криогенных температур 7.

Алюминий: «серебро» из глины

В 1855 году на Всемирной выставке в Париже рядом с продукцией Севрского фарфорового завода было несколько небольших слитков и тонких полос серебристо-белого металла.

Это были кусочки первого алюминия, который тогда называли «глиняным серебром». Его ценили на одном уровне с золотом и платиной. Император Франции Наполеон III и вся королевская семья использовали для обеда алюминиевые ложки. Название металлу дал немецкий химик Велер, разработавший метод получения этого металла в виде мелких гранул или зерен. Слово «алюминий» происходит от греческого «alumen», что означает «содержащий алюминий» или «квасцы». Согласно древнегреческому историку Геродоту, еще в 5 веке до н.э. (а возможно, и раньше) при окрашивании шерстяных тканей в качестве протравы использовали минерал, называемый квасцами. Квасцы были известны и русским мастерам, которые в XIII-XIX веках использовали их для окрашивания тканей и изготовления сафьяна. Алунйорд в 18 веке. Русские химики назвали глинозем.

Алюминий

является самым распространенным металлом. По содержанию в земной коре (7,45%) он занимает третье место среди всех химических элементов. Существует более 250 минералов, в том числе алюминий. Большинство алюминиевых минералов, входящих в состав горных пород, представляют собой алюмосиликаты, то есть соединения алюминия с кислородом и кремнием.

Алюмосиликатам суждено было сыграть исключительно важную роль в развитии цивилизации, но еще более важным материалом были продукты выветривания алюмосиликатов — глины. Своим происхождением они обязаны древней керамике, современному художественному и техническому фарфору, основным строительным материалом является кирпич.

Драгоценные камни также представляют собой соединения алюминия, которые содержат некоторые примеси. Основой рубина, или оксида алюминия, является корунд с небольшой примесью хрома. Сапфир — это тот же корунд, только вместо хрома в нем титан. Сине-зеленые аквамарины обязаны своим происхождением алюмосиликатам бериллия. Бирюза – алюмосиликат меди; темно-красные гранаты — кристаллы закисного алюминия; тонкие лейкосапфиры представляют собой прозрачные кристаллы безводного оксида алюминия.

Из многих алюминиевых минералов, встречающихся в природе, лишь немногие могут быть использованы для промышленного производства алюминия. Основным сырьем для производства является глинозем (глинозем), входящий в состав полезных ископаемых (бемита, диаспора, гидраргилита), глины, слюды, полевого шпата, боксита. Последний получил свое название от деревни Бокс на юге Франции, где в 1821 году были обнаружены крупные залежи буро-красного камня, по внешнему виду напоминающие глину, но не пластмассу. Анализ породы показал, что в ней содержится до 60 % глинозема с примесью оксидов железа и кремния и других веществ.

Первые алюминиевые изделия, появившиеся во Франции в середине 60-х годов прошлого века, ценились так высоко, что почти не находили потребителя. Стоимость 1 кг алюминия превышала 1000 золотых рублей. Но в конце 60-х годов, после того как французский химик Девиль организовал производство металлического алюминия из хлористого алюминия, оно сократилось почти в 10 раз.

Однако метод Девиля, основанный на вытеснении алюминия расплавленным «металлическим» натрием, был дорог, сложен и не позволял получить чистый металл. Поиски более совершенных методов получения алюминия привели исследователей к использованию в качестве сырья гренландского криолита, который с 1854 года в больших количествах стал завозиться в Европу. Поскольку минерал представляет собой двойную соль (алюминия и фторида натрия), можно было надеяться получить металлический алюминий путем восстановления криолита, как и хлорида алюминия, металлическим натрием.

Наиболее эффективный способ получения алюминия из криолита предложил русский ученый Н. Н. Бекетов, тогда профессор Харьковского университета. Через два года после объявления Бекетова алюминиевые заводы во Франции и Германии начали работать по его методу.

Советский Союз располагает богатейшими месторождениями бокситов на Урале, в Башкирской АССР и в Казахстане. Еще в 1882 г. А. Е. Бренн открыл месторождения бокситов в районе реки Воложба, недалеко от г. Тихвина (ныне Ленинградская область). Царские чиновники не вняли посланию Бренна, и алюминий продолжали ввозить из-за границы. Лишь в 1915 г в связи с резко возросшим спросом на алюминий для военных целей в стране началась усиленная разведка алюминиевых руд. Военное ведомство даже объявило крупное денежное вознаграждение (50 тысяч рублей) тому, «кто укажет местонахождение бокситов». На призыв правительства откликнулись геологи, краеведы, изыскатели. Через год инженер П. Н. Тимофеев установил наличие в Тихвинской области значительного месторождения бокситов, ставших в советские годы основной рудной базой алюминиевой промышленности. В 1931 г у г. Серова на Северном Урале были обнаружены бокситы даже лучшего качества, чем тихвинские, а несколько позднее крупные месторождения глиноземистых бокситов были открыты и в других районах Урала.

В конце 1916 г. В. А. Аршинов предложил использовать нефелиновую руду, которой наша страна чрезвычайно богата, для производства алюминия. Крупнейшие месторождения нефелина расположены в Хибинском массиве (Кольский полуостров), в Красноярском крае и Кемеровской области.

Первое выделение алюминия из нефелиновой руды произошло на Хибинском месторождении, разведанном в 1921 г геологической экспедицией под руководством академика А. Е. Ферсмана. Производство было организовано следующим образом. Гранатометы снаряжались 21 кг порошкообразной «ледяной породы» и 3 кг чистого магния. Тигли плотно закрывали и помещали в коксовую печь, где нагревали до белого каления. Через полтора часа тигли вынимали из печи и охлаждали. Кусочки алюминия, отделенные от затвердевшей массы, переплавляли в слитки в небольшом графитовом тигле.

Изучая процессы вытеснения металлов из их солей, Бекетов заметил, что алюминий полностью вытесняется из криолита металлическим магнием. «Глина (алюминий) восстанавливается магнием, — писал он в докторской диссертации, — из его фтористого соединения (из криолита, искусственно приготовленного мною), в чем я убедился на специальном опыте».

Эти наблюдения легли в основу создания промышленного метода производства алюминия, который используется в Европе уже более 25 лет. Только в 90-х годах прошлого века, после того как К.И. Байер предложил получать алюминий из более дешевого глинозема в Петербурге в Тентелевском химическом институте, метод Бекетова утратил свое промышленное значение.

Разрабатывая метод получения чистого гидрата глинозема для протравных ситцевых тканей, Байер сделал два важных открытия, которые впоследствии легли в основу его метода получения алюминия. Он заметил, что раствор алюмината натрия в присутствии затравки свежеосажденного гидрата оксида алюминия самопроизвольно разлагается с выделением оксида алюминия, и что оксид алюминия можно извлечь из бокситов, обрабатывая их щелочью под давлением. Метод Байера для получения чистого оксида алюминия используется до сих пор.

Через пять лет после того, как компания Bayer опубликовала свои патенты, инженер Д. А. Пеняков запатентовал еще один способ получения глинозема из бокситов. Дорогостоящие щелочи — соду и едкий натр — он заменил глауберовой солью. Смесь тонкоизмельченного боксита, глауберовой соли и угля подвергали спеканию в трубчатой ​​вращающейся печи при 1200°С. Выделившийся при спекании смеси диоксид серы использовали для получения новых порций глауберовой соли и соляной кислоты из поваренной соли.

Метод Пенякова не нашел применения в России, но сразу же был использован за границей. В Бельгии был построен глиноземный завод, проработавший до 1914 года, когда он был разрушен немецкими войсками, оккупировавшими страну.

Особенно ценный вклад в развитие алюминиевого производства внесли русские ученые В. П. Ильинский и П. П. Федотьев, создавшие теорию электрометаллургии алюминия, теорию процессов, происходящих при извлечении этого металла из руды с помощью электрического тока. В 1912 г вышла книга Федотьева «Экспериментальные исследования по электрометаллургии алюминия», которая сразу же была переведена на многие иностранные языки и стала настольной книгой для металлургов всего мира.

Разработанные русскими учеными промышленные способы производства алюминия не могли найти практического применения в царской России, хотя правительство с самого начала первой мировой войны всячески поощряло разведку алюминиевых руд и пыталось организовать алюминиевую промышленность. Но этому мешало отсутствие необходимого количества электроэнергии — основы электрометаллургии алюминия. Помешали этому начинанию и иностранные компании, которые продавали алюминий в Россию и не хотели терять прибыль.

Только при советской власти были созданы условия для развития отечественной алюминиевой промышленности. Решающую роль здесь сыграл план электрификации страны (ГОЭЛРО), разработанный В. И. Лениным. В 1925 году первенец этого плана, Волховская ГЭС, дала электроэнергию и через несколько лет стала энергетической базой Волховского алюминиевого завода. Прошло еще семь лет, и Днепрогэс начал поставлять электроэнергию второму в Союзе алюминиевому заводу — Днепровскому. В конце 1934 года на Урале началось строительство крупного алюминиевого завода.

В 1940 г было принято решение об интенсификации развития алюминиевой промышленности, предусматривалось строительство глиноземных и алюминиевых заводов на Урале, в Кузбассе, Закавказье, Мурманской области и Карелии.

Алюминиевый завод сильно отличается от обычных металлургических предприятий, где из железной руды добывают железную руду и переплавляют в сталь. Сердцем алюминиевого завода является электролизный цех. Вдоль широких пролетов в несколько рядов были установлены большие железные ящики на каменном фундаменте — электролизной ванне. Внутри они облицованы графитовыми или углеродными пластинами, которые действуют как катоды. Сверху в ванны опускают массивные угольные пластины — аноды. Электролизные ванны заполняются глиноземом с добавлением небольшого количества криолита, понижающего температуру плавления. При включении питания криолит начинает плавиться и растворять оксид алюминия.

Электролиз проводят при температуре ок. 1000°С. На аноде выделяется кислород, который окисляет уголь до монооксида углерода. На дне ванны, на катоде, собирается расплавленный алюминий. Каждая ванна производит несколько сотен килограммов металла в сутки.

В 1960-е годы советские металлурги одержали небывалую победу: Волховский алюминиевый завод впервые начал производить алюминий из нефелина. А совсем недавно был введен в эксплуатацию крупнейший в мире Ачинский завод, построенный на базе Кильшалтырского нефелинового месторождения.

Отходы, образующиеся при флотации апатитовых руд и их переработке в удобрения, называются нефелиновыми хвостами. Прежде чем из хвостов можно будет получить алюминий, их необходимо обогатить, чтобы получить концентрат, содержащий не менее 30% глинозема. Из нефелинового концентрата можно получить вдвое больше алюминия, чем из боксита, но извлечь металл из концентрата гораздо труднее, чем из боксита. Здесь на помощь металлургам пришли высокая температура и химические реакции.

Нефелиновый концентрат измельчают на мелкие кусочки и смешивают с дробленым известняком. Увлажненную водой смесь измельчают в мельницах и полученную шламовую массу загружают во вращающуюся печь — длинный (60-180 м) железный барабан. Масса поступает в барабан с холодного конца, а с другого конца к нему движется струя мелкодисперсного горящего угля, температура которого достигает 1300-1500°С. Сначала испаряется вода, затем известняк распадается на оксид кальция и двуокись углерода; последний высасывается из духовки.

Молекулы извести реагируют с молекулами нефелина и разрушают их. Образуется нагар — плотная масса, в основном состоящая из силиката кальция и алюминатов натрия и калия. Они жадно сочетаются с молекулами кремнезема. При этом оксид алюминия реагирует с оксидами калия и натрия и превращается в алюминаты этих металлов.

Жмых охлаждают до 100°С и перемалывают на мельницах в порошок, который затем разливают в большие сосуды и заливают содовым раствором. Алюминаты натрия и калия растворяются в соде, а силикат кальция остается на дне сосуда. Растворы алюмината отделяют от осадка в специальных устройствах. Осадок промывают и отправляют в цех, где из него делают цемент.

Очищенные растворы алюминатов перекачивают в карбонизаторы и обрабатывают углекислым газом. Выпадает гидрат глинозема — белый воздушный порошок, а в растворе остаются поташ и сода. Гидрат оксида алюминия прокаливают во вращающихся печах, где он теряет воду и превращается в глинозем. Сода и поташ снова используются для растворения соединений алюминия в нефелине.

Извлечение оксида алюминия из нефелиновых хвостов расширяет сырьевую базу производства металлов. В нашей стране запасы нефелиновой руды во много раз превышают запасы бокситов.

Изготовление алюминия в домашних условиях

Нынешние времена удивительны, в том числе и тем, что благодаря Интернету огромное количество новшеств и мини-технологий распространилось по миру практически мгновенно, производя повсюду большое количество домашних мастеров, налаживая у себя дома всевозможные производства.

Причем не ограничивается только размножением «индиго» детей влюбленными парами в придуманных этими самодельными чудо-кроватями чудо-кроватях.

Где там! Самые продвинутые умельцы умудряются делать гаджеты в домашних условиях, собирать в мае полный урожай яблок в своем саду и даже добывать тонны цветных металлов!

Некоторыми новинками таких домашних поделок мы тоже решили поделиться с читателями в этой статье. Например, речь о том, как открыть алюминиевый Эльдорадо, не отходя от кассы, то есть не выходя из дома.

Первоначальная подготовка производства

Итак, с чего начать производство алюминия?

Конечно, с обустройством производственных площадей, где мы будем налаживать этот бизнес. Конечно, если мы работаем дома, речь не идет об открытии большого цеха. Производство алюминия легко может осуществляться в отдельном рабочем помещении, но лучше всего в какой-нибудь пристройке к дому или даже в постоянном гараже. Правда, обязательным условием выдачи алюминия «на гору» будет наличие в помещении стандартного источника питания на 220 вольт.

Главное здесь в другом: все необходимое дополнительно есть в свободном доступе.

Это:

• обычный сварочный аппарат;
• бокситы;
• графитовый порошок;
• металлические бочки;
• бетономешалка.

Что такое бокситы мы знаем со школьной скамьи, объяснять не надо – это не что иное, как обычная глина, содержащая от 40 до 80% алюминия. Вы можете легко выкопать его в ближайшем карьере или на берегу ближайшей реки. Купите сварочный аппарат в магазине «Инструменты», а бочки, графитовые и бетономешалки вы найдете в магазинах строительной техники и стройматериалов. Как говорится, без проблем!

Ну, в принципе, теперь мы готовы открыть производство драгметалла. Что еще нам нужно? Только один: