Минералы из алюминия. Сырье и основные материалы

Кларк алюминия 8,05%. Он встречается в повышенных количествах в щелочных породах, в анортозитах, в бокситах, и каолинах, а также в алунитовых породах, возникающих преимущественно при гидротермальной переработке кислых вулканитов и высокоглиноземистых кристаллических . Глинозем переносится в кислых и сильнощелочных растворах. Характерна ассоциация с алюминием , иногда , .

Промышленные минералы алюминия: бемит и диаспор, гидраргиллит (гиббсит), алунит, нефелин, лейцит, андалузит, кианит (дистен) и силлиманит, каолинит, диккит и накрит, кальсилит, анортит, давсонит.

Первые три минерала входят в состав наиболее важных в настоящее время руд алюминия - бокситов . К бокситам относят высокоглиноземистые породы, содержащие не менее 28% AlO 3 при отношении Al 2 O 3:SiO 2 более 2,6. Среди бокситов выделяют гидраргиллитовые (тригидратные), моногидратные (диаспоровые, бёмитовые и диаспор-бёмитовые) и смешанные. Залежи бокситов сопровождаются высокоглиноземистыми породами, содержащими менее Al 2 O 3 , чем бокситы.

В наиболее глиноземистых аллитах отношение Al 2 O 3:SiO 2 , т. е. кремниевый модуль меньше 2,6; еще меньше этот модуль (около 1) у сиаллитов, состав которых в основном каолиновый. В России и некоторых других странах алюминий получают не только из бокситов, но и из нефелина и алунита, в Польше в порядке эксперимента - из золы бурых . Разработана технология извлечения алюминия из лейцитовых пород, кианита, каолинита. В некоторых странах (в том числе США, Норвегия) с этой целью использовали анортозиты. Возможно получение алюминия из высокоглиноземистых металлургических шлаков, например оолитовых железных руд.

Температура плавления алюминия 660 °С, плотность 2,7 г/см3, он устойчив к коррозии, хорошо проводит электрический ток, обладает высокой теплопроводностью. Алюминий широко применяют в авиации автомобилестроении, судостроении и др. Его в больших количествах используют в электротехнике (в том числе в производстве алюминиевой проволоки), для изготовления предметов быта.

Ведущие страны по добыче бокситов и производству алюминия - Австралия, Ямайка, Суринам, Гайана, Греция, Гвинея, США, , Франция, Гана, Бразилия, Малайзия и Индонезия. Крупными запасами бокситов располагают также Мали, Камерун и некоторые другие страны. Ведущие по производству алюминия -Россия, Венгрия и Югославия. Канада, Япония, и Норвегия, являясь крупными производителями алюминия, получают его в основном из импортируемых бокситов.

Сырье и основные материалы

В предыдущей главе показано, что при производстве алюминия электролитическим способом расходуются только глинозем и углерод анода. Среда (электролит), в которой идет процесс электролиза, состоит из криолита 3NaF * A1F 3 , фторидов алюминия A1F 3 , натрия NaF, кальция CaF 2 , магния MgF 2 и др., суммарный расход которых не превышает 50-70 кг/т алюминия. Расход же глинозема на производство 1 т алюминия составляет около 2 т, и в связи с этим он является основным сырьем.

В чистом виде глинозема в природе нет, его получают из различных руд гидрохимическими способами. Представляет практический интерес кратко знакомиться с состоянием мировой базы для производства глинозема.

Алюминий широко представлен в земной коре различными соединœениями, которые делятся по количеству видов примерно ил две равные группы:

первичные минœералы, образующиеся при кристаллизации магмы. Главная роль в этой группе принадлежит алюмосиликатам - ортоклаз, альбит, лейцит и нефелин. Меньшее распространение имеют силикаты алюминия - дистен, силлиманит, андалузит, шпинœели и свободный оксид алюминия - корунд; вторичные соединœения алюминия, образующиеся под воздействием выветривания в земной коре, характеризуются 1)олее высоким содержанием оксида алюминия. Среди них широко распространены гидросиликаты алюминия, а также гидроксиды и оксигидроксиды алюминия - гиббсит, бемит и диаспор, которые являются важнейшей составной частью базовых промышленных алюминиевых руд - бокситов. К этой же группе относится и алунит.

Боксит - сложная горная порода, состоящая из оксидов и гидроксидов Al, Fe, Si и Ti, а в качестве примесей присутствуют карбонаты кальция и магния, гидросиликаты (хлориты), сульфиды и сульфаты (в основном желœеза) и органические соединœения. В природе мономинœеральные бокситы чрезвычайно редки, гораздо чаще встречаются руды смешанного типа: гиббсит-бемитовые или бемит-диаспоровые.

Качество бокситов определяется содержанием в них А1 2 О 3 и SiO 2 , для чего используют кремниевый модуль μ Si - массовое отношение содержания А1 2 О 3 к SiO 2 , ᴛ.ᴇ. чем выше модуль, тем лучше качество боксита. Разведанные запасы бокситов превышают 50 млрд т, что обеспечивает сырьем алюминиевую промышленность на многие годы. Основные месторождения остаточного типа расположены в тропическом и субтропическом поясах земли (табл. 3.1).

Основной особенностью этих месторождений является преобладание гиббситовых рудных тел с высоким кремниевым модулем, небольшая глубина залегания, позволяющая вести их добычу открытым способом, а также возможность обогащения отмывкой, что предопределяет высокую экономичность их переработки.

Залежи бокситов осадочного типа состоят из нескольких слоев, различающихся по модулю, а глиноземсодержащие соединœения зачастую находятся в виде трудно перерабатываемого диаспора. Такие месторождения разрабатываются шахтным способом, и их обогащение затруднено. К сожалению, к этому типу относится большинство месторождений нашей страны.

Наиболее высококачественные отечественные бокситы домываются на Урале в Северо- и Южно-Уральских бокситовых рудниках (СУБР и ЮУБР) и перерабатываются в глиноземных цехах Уральского и Богословского алюминиевых заводов. Οʜᴎ добываются в сложных горно-геологических условиях на глубинœе до 1 км и относятся к трудновскрываемому диаспоровому типу. В этой связи себестоимость их добычи и переработки значительно выше, чем на многих зарубежных заводах.

Тургайские (Северный Казахстан) каолинит-гиббеитовые бокситы, имеющие низкий кремниевый модуль и высокое содержание сидерита FeCO 3 , являются основной сырьевой базой Павлодарского алюминиевого завода.

В Архангельской области ведется открытая выработка Северо-Онежских гиббсит-бемитовых бокситов с низким модулем и большим содержанием хрома, что исключает их переработку на глинозем по наиболее экономичному способу Байера.

Наиболее перспективными считаются Висловское (ᴦ. Белгород) и Средне-Тиманское (Республика Коми) месторождения бокситовых руд, которые бывают относительно легко переработаны. Сегодня активно ведутся работы по освоению месторождения бокситов в Республике Коми.

Нефелиновые руды, содержащие в качестве основной составляющей нефелин (Na,К) 2 О‣‣‣А1 2 О 3 ‣‣‣2SiO 2 , имеют большое значение для отечественной промышленности и перерабатываются на Пикалевском (ПОГ), Бокситогорском (БГЗ), Ачинском (АГК) глиноземных заводах.

При переработке нефелиновых руд и концентратов наряду с глиноземом получают поташ и соду, а из отходов глиноземного производства - цемент. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, нефелиновое сырье представляет собой комплексный продукт, но его переработка осуществляется по сложным технологическим схемам внедрение которых требует значительных капитальных вложений.

Добыча бокситов, производство глинозема и алюминия являются последовательными стадиями единого технологического процесса, но объём добычи бокситов, производство глинозема и алюминия по регионам не совпадают, о чем свидетельствуют данные за 1996 ᴦ.

Алюминиевая промышленность России, производящаяся около 3 млн т алюминия в год и занимающая второе место в мире после США, не располагает достаточными ресурсами высококачественных бокситов и мощностей по их переработке. Сегодня пять глиноземных заводов России обеспечивают около 40 % потребности отечественных алюминиевых заводов, в связи с этим часть глинозема приходится завозить из-за рубежа.

Глинозем, используемый для производства алюминия, должен быстро растворяться в электролите, содержать минимально возможное количество оксидов желœеза, кремния и других более электроположительных, чем алюминий, элементов, так как, выделяясь на катоде вместе с алюминием, они ухудшают его качество. Нежелательно присутствие в глиноземе оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов, поскольку они, вступают во взаимодействие с A1F 3 , разлагают и изменяют состав электролита͵ что вызывает крайне важно сть его корректировки. Вместе с тем, оксид калия, проникая в угольную футеровку, снижает срок службы ванны.

При наличии оксида натрия Na 2 O в глиноземе происходит реакция

2A1F 3 + 3Na 2 O = 6NaF + А1 2 О 3 .

С увеличением содержания оксида натрия возрастает расход фторида алюминия.

Крайне нежелательно присутствие влаги в глиноземе, так как при взаимодействии воды с криолитом и фторидом алюминия образуется фтористый водород HF:

2Na 3 AlF 6 + ЗН 2 О = А1 2 О 3 + 6NaF + 6HF ;

2A1F 3 + ЗН 2 О = А1 2 О 3 + 6HF ,

что приводит к дополнительному расходу фторидов. Как следует из этих реакций, из каждых 18 г воды, попавших в электролит, образуется 56 г HF.

У безводного оксида алюминия, каким является глинозем, известны и хорошо изучены две разновидности. Первая из них - а-А1 2 О 3 , или корунд, - единственная форма безводного оксида алюминия, встречающаяся в естественных условиях. Все виды гидратов оксида алюминия при нагревании до 1200 °С превращаются в а-А1 2 О 3 .

Вторая полиморфная разновидность безводного оксида алюминия, открытая в 1925 ᴦ., у-А1 2 О 3 (гамма-глинозем) в природе не встречается. При нагревании выше 900 °С онначинает превращаться в а-А1 2 О 3 , и при температуре 1200 °С данный процесс завершается. Гамма-глинозем гигроскопичен, в связи с этим его содержание в техническом глиноземе лимитируется.

Физико-химические свойства глинозема зависят от исходного сырья и технологии его получения. Большое значение имеет удельная поверхность глинозема, которая увеличивается с уменьшением содержания а-А1 2 О 3 . Снижение этого показателя приводит к ухудшению улавливания фтора при сухой очистке отходящих анодных газов.

За рубежом используют упрощенную классификацию глинозема по физическим свойствам, согласно которой он разделœен на три группы: пылевидный (европейский, или мучнистый), песчаный (или американский) и недопрокаленный (или промежуточный), разработанный специально для использования в установках сухой очистки газов.

Большинство заводов США, Канады, Западной Европы используют песчаный глинозем, а отечественный ближе к недопрокаленному. Физические свойства глинозема влияют на такие показатели электролиза, как расход электроэнергии, глинозема, анода и фторидов, запыленность атмосферы в рабочей зоне, качество улавливания фтора при сухой газочистке и пр.
Размещено на реф.рф
Установлено, что скорость растворения у-глинозема существенно выше скорости растворения а-А1 2 О 3 , однако при погружении у-А1 2 О 3 в электролит он практически мгновенно переходит в а-А1 2 О 3 . Фазовый состав глинозема не оказывает заметного влияния на скорость его растворения, а повышение температуры электролита с 1010 до 1080 °С увенчивает скорость растворения примерно в 7 раз. Зарубежными исследователями установлено, что песчаный глинозем с содержанием 5 % а-А1 2 О 3 образует твердую, недопрокаленый - слабую корку, а мучнистый - не образует ее вовсœе.

Основные минералы и руды алюминия - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Основные минералы и руды алюминия" 2017, 2018.

Кусок чистого алюминия

Очень редкий минерал семейства меди-купалита подкласса металлов и интерметаллидов класса самородных элементов. Преимущественно в виде микроскопических выделений сплошного мелкозернистого строения. Может образовывать пластинчатые или чешуйчатые кристаллы до 1 мм., отмечены нитевидные кристаллы длиной до 0,5 мм. при толщине нитей несколько мкм. Лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кубическая гранецентрированная структура. 4 оранжевых атома

Кристаллическая решетка алюминия - гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10 -10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10 -10 м, а атомный объем 9,999×10 -6 м 3 /г-атом.
Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки. Алюминий обладает большой химической активностью, энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10 -5 см), но прочной пленкой оксида алюминия А1 2 0 3 , которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

СВОЙСТВА

Самородный алюминий. Поле зрения 5 x 4 мм. Азербайджан, Гобустанский район, Каспийское море, Хере-Зиря или остров Булла

Алюминий - мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью, парамагнетик. Температура плавления 660°C. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см 3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия.) 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.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

По распространённости в земной коре Земли 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%.
Современный метод получения, процесс Холла-Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al 2 O 3 в расплаве криолита Na 3 AlF 6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Аллюминий, агрегированный с коркой байерита на поверхности. Узбекистан, Навойская область, Учкудук

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико. Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл: полевые шпаты; бокситы; граниты; кремнезем; алюмосиликаты; базальты и прочие. В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.

ПРИМЕНЕНИЕ

Украшение из алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве - лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость. 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.
Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на ювелирные изделия из алюминия сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Алюминий (англ. Aluminium) — Al

	Химическая формула

	А1 2 О 3 · ЗН 2 О
	А1 2 О 3 · Н 2 О
	А1 2 О 3 · Н 2 О
Каолинит	Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O
	(Na x , K y ) 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2
	(Na x , K y ) 2 · Al 2 (SO 4) 3 · 4Al(OH) 3
	K 2 O · A1 2 O 3 · 4SiO 2
	Al 2 O 3 · SiO 2
Андалузит	Al 2 O 3 · SiO 2
Силлиманит	Al 2 O 3 · SiO 2

5. Главнымсырьем для алюминиевой промышленности являются бокситы; однако ограниченность запасов высококачественных бокситов в отдельных странах привела к необходимости использования для получения алюминия также других видов сырья (апатит-нефелиновых, нефелиновых, алунитовых руд).

Боксит – руда, состоящая в основном из гидроксидов алюминия (гиббсит, бёмит, диаспор), а также оксидов и гидроксидов железа и глинистых минералов, в которой отношение содержания оксида алюминия к содержанию оксида кремния (кремниевый модуль) не менее 2. Сопутствующие бокситам породы с кремниевым модулем менее 0,85 называют сиаллитами, а с модулем 0,85–2,0 – аллитами.

В зависимости от минерального состава выделяют два основных типа боксита – моногидратный (бёмитовый и диаспоровый) и тригидратный (гиббситовый).

Оксид кремния является основной вредной примесью, присутствует в бокситах как в форме свободного кварца, так и в составе минералов глин – каолинита, галлуазита, накрита, диккита, хлорита (преимущественно шамозита), гидрослюд.

Из минералов железа в бокситах присутствуют гематит, гётит, гидрогематит, гидрогётит, лепидокрокит, маггемит, магнетит. Они неравномерно пропитывают основную массу боксита и в смеси с высокодисперсными минералами свободного глинозема слагают участки колломорфной структуры. В составе бокситов часто встречается сидерит. В качестве второстепенных примесей отмечены фосфаты, цеолиты, алуниты; из акцессорных минералов – рутил, циркон, сфен, эпидот, турмалин, ильменит, роговая обманка, гранат и др. Кроме основных химических элементов в бокситах присутствуют в рассеянном состоянии – галлий, ванадий, скандий, уран и др.

Минеральная форма основного компонента влияет на выбор режима технологической переработки боксита, ибо минералы глинозема обладают различной вскрываемостью, т. е. реакционной способностью по отношению к растворам щелочи. При выделении типов руд на отдельных месторождениях необходимо учитывать не только минералогическую, но и литологическую характеристику бокситов. Подразделение бокситов на литологические разновидности (каменистые, рыхлые, глинистые и др.) имеет существенное значение, так как во многих случаях в прямой связи с ниминаходятся технологические и физико-механические свойства. Как правило, каменистые бокситы имеют более высокий кремниевый модуль по сравнению с глинистыми разностями.

6. Бокситы следует рассматривать как комплексное сырье, в котором наряду с алюминием практический интерес в настоящий момент представляют ванадий и галлий. При переработке бокситов по методу Байера эти металлы в значительной мере переходят в алюминатные растворы. Схемы извлечения ванадия и галлия из растворов освоены в промышленном масштабе. Использование других полезных компонентов этих руд – железа, титана, скандия, хрома – промышленностью не освоено, и пока практического интереса они не представляют.

7. Основные промышленные типы месторождений алюминия приведены в табл. 2.