Основные пути совершенствования производства алюминия

Введение

Бывают периоды, когда экономика страны совершает весьма резкие повороты по направлению к принципиально новым технологиям, совершенно новым видам сырья и материалов и т. д. Такими поворотами были переориентация экономики с преимущественного использования твердого топлива на нефть и газ, программа ускоренной химизации народного хозяйства, широкая индустриализация промышленного и гражданского строительства на базе сборных конструкций... Явлениями того же порядка были освоение полупроводниковой техники в радиоэлектронной промышленности, глубокое проникновение электронно-вычислительных машин практически во все отрасли экономики.

Подобные, поистине революционные, события в технике, носящие межотраслевой характер и преобразующие всю экономическую систему страны, происходят, понятно, не слишком часто — раз в несколько лет, а то и десятилетий. Иные из них можно предугадать, предсказать, другие свершаются неожиданно для инженеров, ученых, экономистов. Желательно, чтобы эти качественные скачки в технике и экономике все же прогнозировались, чтобы специалисты и управленцы могли к ним подготовиться, развернуть поисковые работы, создать определенный научно-технический задел. Тем более такое прогнозирование в ряде случаев возможно, оно прямо вытекает из тенденций научно-технической революции.

Последние годы XX века – начало XXI века — являются таким качественным скачком, коренной переориентацией экономики на совершенно новые материалы. Это, в свою очередь, вызовет создание поколений совершенно новых машин и конструкций, отличающихся прежде всего гораздо более высокими технико-экономическими показателями, чем производимые и применяемые ныне.

Строго говоря, эти материалы известны. Просто сейчас они применяются в чрезвычайно скромных масштабах — в десятки, а возможно, и в тысячи раз более скромных, чем будут использоваться в XXI веке и вообще в обозримой перспективе. Именно эти металлы и, конечно, их сплавы в третьем тысячелетии постепенно вытеснят традиционные, ныне широко распространенные сталь и чугун. На чем основано по предположение? На исключительно высоких технико-эксплуатационных свойствах этих металлов. Правда, чтобы резко расширить масштабы производства и сферу применения этих материалов, предстоит решить немало технических и организационных проблем, преодолеть немало трудностей.

Цель курсовой работы: проанализировать теоретическую литературу по теме исследования, и выявить основные пути совершенствования производства алюминия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать методическую литературу по проблеме исследования.

2. Ознакомиться с историей производства алюминия в России.

3. Ознакомиться с основными направлениями применения алюминия.

4. Выявить новые технологии в производстве алюминия.

1. Производство алюминия в России

1.1 Производство 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. Из соединений этого металла самое важное - оксид Al2O3.

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.

В земной коре содержится 8,8% 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.

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.

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 алюминий[1].

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.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3 , плавится при 960 oC и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому п Предприятия алюминиевой промышленности России// География. – 2001. - № 10. – С. 9.роведение электролиза оказывается возможным при 950 oC .

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

1.2 Запасы и производство бокситов и другого алюминиесодержащего сырья в России

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 алюминиесодержащего сырья 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 Alcoa производит 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[2].

1.3 История развитие 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.