Алюминиевая руда свойства. Основные свойства алюминиевой руды для применения в промышленности Какой металл получают из бокситов и нефелинов

В современной промышленности алюминиевая руда является наиболее востребованным сырьем. Стремительное развитие науки и техники позволило расширить сферы его применения. Что представляет собой алюминиевая руда и где ее добывают - описано в этой статье.

Промышленное значение алюминия

Алюминий считается наиболее распространенным металлом. По количеству залежей в земной коре он занимает третье место. Алюминий известен всем также как элемент в таблице Менделеева, который относится к легким металлам.

Алюминиевая руда - это природное сырье, из которого получают В основном его добывают из бокситов, которые содержат оксиды алюминия (глинозем) в наибольшем количестве - от 28 до 80%. Другие породы - алунитовые, нефелиновые и нефелин-апатитовые также используются в качестве сырья для получения алюминия, но они имеют худшее качество и содержат значительно меньше глинозема.

В цветной металлургии алюминий занимает первое место. Дело в том, что благодаря своим характеристикам он применяется во многих отраслях промышленности. Так, этот металл используют в транспортном машиностроении, упаковочном производстве, строительстве, для изготовления различных потребительских товаров. Также алюминий широко применяется в электротехнике.

Чтобы понять, какое значение имеет алюминий для человечества, достаточно присмотреться к бытовым вещам, которые мы повседневно используем. Очень многие бытовые предметы изготовлены из алюминия: это детали для электроприборов (холодильника, стиральной машины и т. д.), посуда, спортивный инвентарь, сувениры, элементы интерьера. Алюминий часто применяется для производства разных видов тары и упаковки. Например, консервных банок или одноразовых емкостей из фольги.

Типы алюминиевых руд

Алюминий содержится более чем в 250 минералах. Из них самыми ценными для промышленности являются боксит, нефелин и алунит. Остановимся на них более подробно.

Бокситная руда

В природе алюминий в чистом виде не встречается. В основном его получают из алюминиевой руды - боксита. Это минерал, который по большей части состоит из гидроксидов алюминия, а также из оксидов железа и кремния. Из-за большого содержания глинозема (от 40 до 60%) бокситы используются в качестве сырья для получения алюминия.

Физические свойства алюминиевой руды:

непрозрачный минерал красного и серого цвета различных оттенков;
твердость самых прочных образцов составляет 6 по минералогической шкале;
плотность бокситов в зависимости от химического состава колеблется в пределах 2900-3500 кг/м³.

Месторождения бокситовой руды сосредоточены в экваториальном и тропическом поясе земли. Более древние залежи находятся на территории России.

Как образовывается бокситная алюминиевая руда

Бокситы образуются из одноводного гидрата глинозема, бемита и диаспора, трехводного гидрата - гидраргиллита и сопутствующих минералов гидроокиси и окиси железа.

В зависимости от состава природообразующих элементов различают три группы бокситных руд:

Моногидратные бокситы - содержат глинозем в одноводной форме.
Тригидратные - такие минералы состоят из глинозема в трехводной форме.
Смешанные - эта группа включает в сочетании предыдущие алюминиевые руды.

Месторождения сырья образуются вследствие выветривания кислых, щелочных, а иногда и основных пород или в результате постепенного осаждения на морском и озерном дне большого количества глинозема.

Алунитовые руды

Этот тип залежей содержит до 40% оксида алюминия. Алунитовая руда образовывается в водном бассейне и прибрежных зонах в условиях интенсивной гидротермальной и вулканической деятельности. Пример таких залежей - Заглинское озеро на Малом Кавказе.

Порода пористая. Преимущественно состоит из каолинитов и гидрослюдов. Промышленный интерес представляют руда с содержанием алунита более 50%.

Нефелин

Это алюминиевая руда магматического происхождения. Она представляет собой полнокристаллическую щелочную породу. В зависимости от состава и технологических особенностей переработки выделяют несколько сортов нефелиновой руды:

первый сорт - 60-90% нефелина; он содержит более 25% глинозема; переработка осуществляется методом спекания;
второй сорт - 40-60% нефелина, количество глинозема немного ниже - 22-25%; во время переработки требуется обогащение;
третий сорт - нефелиновые минералы, которые не представляют никакой промышленной ценности.

Мировая добыча алюминиевых руд

Впервые алюминиевую руду добыли в первой половине XIX века на юго-востоке Франции, возле местечка Бокс. Отсюда и походит название бокситов. Сначала эта развивалась медленными темпами. Но когда человечество оценило, какая алюминиевая руда полезная для производства, сферы применения алюминия существенно расширились. Многие страны начали поиски на своих территориях месторождения залежей. Таким образом, мировая добыча алюминиевых руд стала постепенно возрастать. Подтверждением этого факта являются цифры. Так, если в 1913 году общемировой объем добытой руды составлял 540 тыс. тонн, то в 2014 году - более 180 млн тонн.

Также постепенно росло количество стран, добывающих алюминиевую руду. На сегодняшний день их насчитывается около 30. Но на протяжении последних 100 лет ведущие страны и регионы постоянно менялись. Так, в начале XX века мировыми лидерами по добыче алюминиевой руды и ее производстве были Северная Америка и Западная Европа. На эти два региона приходилось около 98% общемировой добычи. Через несколько десятков лет по количественным показателям алюминиевой промышленности лидерами стали Латинская Америка и Советский Союз. И уже в 1950-1960-х годах лидером по размеру добычи стала Латинская Америка. А в 1980-1990-х гг. произошел стремительный прорыв в алюминиевой и Африки. В современной мировой тенденции основными странами-лидерами по добыче алюминия являются Австралия, Бразилия, Китай, Гвинея, Ямайка, Индия, Россия, Суринам, Венесуэла и Греция.

Месторождения руды в России

По объему добычи алюминиевых руд Россия занимает седьмое место в мировом рейтинге. Хотя месторождения алюминиевых руд в России обеспечивают страну металлом в большом количестве, его недостаточно, чтобы полностью обеспечить промышленность. Поэтому государство вынуждено покупать боксит в других странах.

Всего на территории России расположено 50 месторождений руды. В это число входят как места, где ведется добыча минерала, так и еще не разработанные залежи.

Большая часть запасов руды находится в европейской части страны. Здесь они расположены в Свердловской, Архангельской, Белгородской области, в республике Коми. Все эти регионы содержат 70% всех разведанных запасов руды страны.

Алюминиевые руды в России добываются до сих пор в старых бокситовых месторождениях. К таким районам относится Радынское месторождение в Ленинградской области. Также из-за дефицита сырья Россия использует другие алюминиевые руды, месторождения которых отличаются худшим качеством минеральных залежей. Но они все же пригодны для промышленных целей. Так, в России добывают в большом количестве нефелиновые руды, которые также позволяют получить алюминий.

КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. Около 1900 лет назад Плиний Старший впервые назвал квасцы, применявшиеся для протравки при окраске тканей «алумен». Спустя 1500 лет швейцарский натуралист Парацельс установил, что в состав квасцов входит оксид алюминия. Впервые чистый алюминий был извлечен из боксита датским ученым Г. Эрстедом в 1825 г. В 1865 г. русский химик Н. Бекетов получил алюминий путем вытеснения его магнием из расплавленного криолита (Na 3 AlF 6). Этот способ нашел промышленное применение в Германии и Франции в конце XIX в. В середине XIX в. алюминий причислялся к редким и даже драгоценным металлам. В настоящее время по объему мирового производства алюминий уступает только железу.

ГЕОХИМИЯ. Алюминий относится к числу элементов, наиболее распространенных в земной коре. Его кларк равен 8,05 %. В природных условиях он представлен только одним изотопом 27 Al.

В эндогенных условиях алюминий концентрируется преимущественно в щелочных нефелин- и лейцитсодержащих породах, а также в некоторых разновидностях основных пород (анортозитах и др.). Значительные массы алюминия накапливаются в связи с процессами алунитизации, связанными с гидротермальной переработкой кислых вулканогенных образований. Наибольшие скопления алюминия наблюдаются в остаточных и переотложенных корах выветривания кислых, щелочных и основных пород.

В осадочном процессе глинозем растворяется и переносится только в кислых (pH < 4) или сильно щелочных (pH > 9,5) растворах. Осаждение гидрооксидов алюминия начинается при pH = 4,1. В присутствии SiO 2 растворимость Al 2 O 3 возрастает, а при наличии CO 2 снижается. Коллоидный Al 2 O 3 по сравнению с коллоидным SiO 2 менее устойчив и быстрее коагулирует. Поэтому в процессе их совместной миграции происходит разделение этих элементов. В связи с различной геохимической подвижностью соединений алюминия, железа и марганца происходит их дифференциация в прибрежной зоне седиментационных бассейнов. Ближе к берегу накапливаются бокситы, в верхней части шельфа – железные руды, а внизу шельфа – марганцевые руды. Гидрооксиды алюминия обладают значительной адсорбционной способностью. В минералах, слагающих бокситы, постоянно в переменных количествах присутствуют Fe, V, Cr, Zn, Mn, Cu, Sn, Ti, B, Mg, Zr, P и др.

МИНЕРАЛОГИЯ . Алюминий входит в состав около 250 минералов. Однако промышленное значение имеют лишь некоторые из них: диаспор и бёмит, гиббсит (гидраргиллит), нефелин, лейцит, алунит, андалузит, кианит, силлиманит и др.

Диаспор HAlO 2 (содержание Al 2 O 3 85 %) кристаллизуется в ромбической сингонии, габитус кристаллов пластинчатый, таблитчатый, игольчатый, агрегаты листоватые, скрытокристаллические, сталактитообразные. Цвет минерала белый, сероватый, с примесью Mn или Fe – серый, розовый, коричневый, блеск стеклянный до алмазного, твердость 6,5–7, удельная масса 3,36 г/см 3 .

Бёмит AlOOH – полиморфная модификация диаспора (по фамилии Бём), кристаллы пластинчатые, агрегаты скрытокристаллические, бобообразные, цвет белый, твердость 3,5–4, удельная масса ~ 3 г/см 3 . Образуется при гидротермальном изменении нефелина.

Гиббсит (гидраргиллит) Al(OH) 3 (Al 2 O 3 64,7 %) кристаллизуется в моноклинальной, реже в триклинной сингонии, кристаллы псевдогексагональные, пластинчатые и столбчатые, агрегаты фарфоровидные, землистые, натечные, червеобразные, сфероидальные конкреции, твердость 2,5–3, удельная масса 2,4 г/см 3 .

Нефелин Na (Al 2 O 3 34 %) кристаллизуется в гексагональной сингонии, кристаллы призматические, короткостолбчатые, толстотаблитчатые, бесцветный, серый, мясо-красный, блеск от стеклянного до жирного, твердость 5,5–6, удельная масса 2,6 г/см 3 .

Лейцит K (Al 2 O 3 23,5 %) – каркасный силикат, изоструктурный с анальцимом; кристаллы – тетрагонтриоктаэдры, додекаэдры. Цвет минерала белый, серый, твердость 5,5–6, удельная масса 2,5 г/см 3 .

Алунит KAl 3 (OH) 6 2 (Al 2 O 3 37 %) кристаллизуется в тригональной сингонии, кристаллы таблитчатые, ромбоэдрические или чечевицеобразные, агрегаты плотные и зернистые. Цвет минерала белый, сероватый, желтоватый, бурый, блеск стеклянный до перламутрового, твердость 3,5–4, удельная масса 2,9 г/см 3 . Встречается в коре выветривания, где обильна H 2 SO 4 .

Андалузит Al 2 O (по провинции Андалузия, Испания) – одна из трех полиморфных модификаций силиката алюминия (андалузит, кианит и силлиманит), образующаяся при наименьших давлении и температуре. Алюминий незначительно замещается Fe и Mn. Кристаллизуется в ромбической сингонии, кристаллы столбчатые, волокнистые, агрегаты зернистые и лучисто-шестоватые, цвет розовый, блеск стеклянный, твердость 6,5–7, удельная масса 3,1 г/см 3 .

Важнейшими рудами алюминия являются бокситы – горная порода, состоящая из гидрооксидов алюминия, оксидов и гидрооксидов железа и марганца, кварца, опала, алюмосиликатов и др. По минеральному составу различают бокситы диаспоровые, бёмитовые, гиббситовые, а также комплексные, состоящие из двух или трех перечисленных минералов. Аморфный глинозем, входящий в состав промышленных минералов алюминия, со временем испытывает старение, в результате чего он преобразуется в бёмит, а последний переходит в гиббсит.

ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. Алюминий благодаря своей легкости (плотность 2,7 г/см 3), высокой электропроводности, большой коррозионной устойчивости и достаточной механической прочности (особенно в сплавах с Cu, Mg, Si, Mn, Ni, Zn и др.) нашел широкое использование в различных отраслях промышленности. Основными областями применения алюминия и его сплавов являются: автомобиле-, судо-, самолето- и машиностроение; строительство (несущие конструкции); производство упаковочных материалов (контейнеры, фольга); электротехника (провода, кабель); производство предметов быта; оборонная промышленность.

РЕСУРСЫ И ЗАПАСЫ. Основным сырьем мировой алюминиевой промышленности являются бокситы. К собственно бокситам относятся глиноземистые породы, содержащие не менее 28 % Al 2 O 3 . Алюминий получают также из нефелиновых и алунитовых руд. Разработан электротехнический способ получения алюминия из силлиманитовых, андалузитовых, кианитовых кристаллических сланцев и гнейсов и других небокситовых источников глинозема. Бокситы, как правило, образуют площадные залежи, выходящие на поверхность либо лишь незначительно перекрытые, вследствие чего их обнаружение и установление промышленных характеристик месторождений представляет собой сравнительно несложную задачу.

Мировые ресурсы бокситов оцениваются в 55–75 млрд т. Около 33 % их сосредоточено в Южной и Центральной Америке, 27 % – в Африке, 17 % – в Азии, 13 % – в Австралии и Океании и лишь 10 % – в Европе и Северной Америке.

Общие запасы бокситов в мире составляют 62,2 млрд т, а запасы подтвержденные – 31,4 млрд т. В первую шестерку стран, обладающих наибольшими запасами, входят Гвинея, Австралия, Бразилия, Ямайка, Индия и Индонезия (табл. 8). Эти страны являются основными поставщиками гиббситовых бокситов на мировой рынок. Другие бокситодобывающие страны, как, например, Китай и Греция, используют бёмит-диаспоровые бокситы. Россия не обладает достаточными для внутреннего потребления запасами бокситов, а ее доля в мировом балансе этого сырья составляет менее 1 %.

К уникальным относятся месторождения с запасами бокситов более 500 млн т, к крупным – 500–50 млн т, средним – 50–15 млн т и мелким – менее 15 млн т.

ДОБЫЧА И ПРОИЗВОДСТВО. Мировая добыча бокситов в 1995–2000 гг. составляла 110–120 млн т. Главными продуцентами бокситов были Австралия, Гвинея, Ямайка, Бразилия и Китай. Объем добычи этого вида минерального сырья в России составлял около 4–5 млн т, в то время как в Австралии 43 млн т. В Австралии крупнейшей горнорудной компанией является « Alcan Aluminium ».

В России разработку и добычу бокситов ведут на месторождениях Урала ОАО «Севуралбокситруда» (СУБР) и ОАО «Южно-Уральские бокситовые рудники» (ЮБР) , где разведанные запасы могут обеспечить работу рудников на протяжении 25–40 лет. Добыча бокситов осуществляется шахтным методом с больших глубин.

Производство глинозема в мире из различных источников минерального сырья в 1995–2000 гг. составило 43–45 млн т. В Австралии, являющейся несомненным мировым лидером, основные производители глинозема – компании « Alcoa » , « Reynolds Metals » и « Comalco » .

МЕТАЛЛОГЕНИЯ И ЭПОХИ РУДООБРАЗОВАНИЯ. Наиболее благоприятные условия для образования бокситовых месторождений возникали на ранней стадии геосинклинального этапа, когда формировались геосинклинальные месторождения глиноземного минерального сырья, а также на платформенном этапе, когда появились латеритные и осадочные месторождения.

И некоторые другие элементы. Однако далеко не все из этих элементов в настоящее время извлекаются из алюминиевых руд и используют для нужд народного хозяйства.

Наиболее полно используют апатито-нефелиновую породу, из которой получают удобрения, глинозем, соду, поташ, и некоторые другие продукты; отвалов почти нет.

При переработке бокситов по способу Байера или спеканием в отвале еще остается много красного шлама, рациональное использование которого заслуживает большого внимания.

Ранее говорилось о том, что для получения 1 т алюминия необходимо затратить много электроэнергии, составляющей пятую часть себестоимости алюминия. В табл. 55 приведена калькуляция себестоимости 1 т алюминия. Из данных, приведенных в таблице, следует, что важнейшими составляющими себестоимости являются сырье и основные материалы, причем на долю глинозема падает почти половина всех расходов. Следовательно, снижение себестоимости алюминия должно в первую очередь идти в направлении уменьшения расходов на производство глинозема.

Теоретически на 1т алюминия необходимо затратить 1,89 т глинозема. Превышение этой величины при фактическом расходе является следствием потерь главным образом от распыления. Эти потери можно уменьшить на 0,5-0,6% путем автоматизации загрузки глинозема в ванны. Снижение себестоимости глинозема можно достичь сокращением потерь на всех стадиях его производства, особенно в отвальном шламе, при транспортировке алюминатных растворов и , а также во время кальцинации глинозема; за счет экономии, полученной от лучшего использования отработанного пара (из самоиспарителей) и полного использования тепла отходящих газов. Это особенно важно для автоклавного способа, расходы на пар в котором значительны.

Внедрение непрерывного выщелачивания и выкручивания на; передовых глиноземных заводах позволило автоматизировать многие операции, что способствовало снижению расхода пара, электроэнергии, повышению производительности труда и снижению себестоимости алюминия. Однако в этом направлении можно сделать еще многое. Не отказываясь от дальнейших поисков высокосортных бокситов, переход на которые резко сократит стоимость глинозема, следует искать пути комплексного использования железистых бокситов и красных шламов в черной металлургии. В качестве примера может служить комплексное использование апатито-нефелиновых пород.

Расходы на фтористые соли составляют 8%. Снизить их можно путем тщательного отвода газов от электролитных ванн улавливания из них фтористых соединений. Анодные газы, отсасываемые из ванны, содержат до 40мг/м 3 фтора, около 100мг/м 3 смолы и 90мг/м 3 пыли (AlF 3 , Al 2 O 3 , Na 3 AlF 6). Эти газы нельзя выбрасывать в атмосферу, так как они содержат ценные , кроме того, они ядовиты. Их необходимо очищать от ценной пыли, а также обезвреживать во избежание отравления атмосферы цеха и близлежащих к заводу районов. В целях очистки газы промывают слабыми растворами соды в башенных газоочистителях (скрубберах).

При совершенной организации процессов очистки и обезвреживания создается возможность вернуть в производство часть фтористых солей (до 50%) и тем самым снизить себестоимость алюминия на 3-5%.

Значительное снижение себестоимости алюминия может быть достигнуто за счет применения более дешевых источников электроэнергии и быстрого повсеместного внедрения более экономичных полупроводниковых преобразователей тока(особенно, кремниевых), а также за счет сокращения расхода электроэнергии непосредственно на . Последнее может быть достигнуто путем конструирования более совершенных ванн с меньшей потерей напряжения во всех или в отдельных их элементах, а также путем подбора более электропроводных электролитов (сопротивление криолита слишком велико и огромное количество электроэнергии переходит в избыточное тепло, которое пока невозможно рационально использовать). И не случайно, что ванны с обожженными анодами начинают находить все большее и большее применение, так как расход электроэнергии на этих ваннах значительно ниже.

Большую роль в снижении расхода электроэнергии играет обслуживающий персонал электролизных цехов. Поддержание нормального межполюсного расстояния, содержание в чистоте электрических контактов в различных местах ванны, снижение количества и продолжительности анодных эффектов, поддержание нормальной температуры электролита, внимательное наблюдение за составом электролита дают возможность значительно снизить расход электроэнергии.

Передовые бригады электролизных цехов алюминиевых заводов изучив теоретические основы процесса и особенности обслуживаемых ими ванн, тщательно наблюдая за ходом процесса, имеют возможность увеличить количество получаемого металла на единицу расходуемой электроэнергии при отличном его качестве и, следовательно, повысить эффективность производства алюминия.

Важнейшим фактором снижения себестоимости и повышения производительности труда является механизация трудоемких процессов в электролизных цехах алюминиевых заводов. В этой области на отечественных алюминиевых заводах за последние десятилетия достигнуты значительные успехи: механизировано извлечение алюминия из ванн; внедрены производительные и удобные механизмы для пробивки корки электролита и извлечения и забивки штырей. Однако нужно и можно в большей степени механизировать и автоматизировать процессы на алюминиевых заводах. Этому способствует дальнейшее увеличение мощности электролизеров, переход от периодических процессов к непрерывным.

В последние годы комплексное использование алюминиевых руд улучшилось в связи с тем, что некоторые алюминиевые заводы приступили к извлечению из отходов окислов ванадия и металлического галлия.

Был открыт в 1875 г. спектральным методом. За четыре года, до этого Д. И. Менделеев с большой точностью предсказал его основные свойства (назвав экаалюминием). имеет серебристо-белый цвет и низкую температуру плавления (+30° С). Небольшой кусочек галлия может быть расплавлен на ладони. Наряду с этим температура кипения галлия довольно высока (2230°С), поэтому его используют для высокотемпературных термометров. Такие термометры с кварцевыми трубками применимы до 1300° С. По твердости галлий близок к свинцу. Плотность твердого галлия 5,9 г/см 3 , жидкого 6,09 г/см 3 .

Галлий рассеян в природе, богатые им неизвестны. Он встречается в сотых и тысячных долях процента в алюминиевых рудах, цинковых обманках и золе некоторых углей. Смолы газовых заводов иногда содержат до 0 ,75% галлия.

По ядовитости галлий значительно превосходит и , поэтому все работы по его извлечению следует проводить, соблюдая тщательную гигиену.

В сухом воздухе при обычных температурах галлий почти не окисляется: при нагревании он энергично соединяется с кислородом, образуя белый окисел Ga 2 О 3 . Наряду с этим окислом галлия при определенных условиях образуются и другие его (GaO и Ga 2 О). Гидроокись галлия Ga(OH) 3 амфотерна и поэтому легко растворима в кислотах и щелочах, с которыми образует галлаты, близкие по свойствам к алюминатам. В связи с этим при получении глинозема из алюминиевых руд галлий вместе с алюминием переходит в растворы в затем сопутствует ему во всех последующих операциях. Некоторая повышенная концентрация галлия наблюдается в анодном сплаве при электролитическом рафинировании алюминия, в оборотных алюминатных растворах при производстве глинозема по способу Байера и в маточных растворах, остающихся после неполной карбонизации алюминатных растворов.

Поэтому, не нарушая схемы переделов, в глиноземных и рафинировочных цехах алюминиевых заводов, можно организовать извлечение галлия. Оборотные алюминатные растворы для извлечения галлия можно периодически карбонизировать в два приема. Вначале при медленной карбонизации осаждают примерно 90% алюминия и отфильтровывают раствор, который затем карбонизируют повторно для того, чтобы осадить в виде гидроокисей галлий и оставшийся еще в растворе . Полученный таким путем осадок может содержать до 1,0% Ga 2 О 3 .

Значительную часть алюминия можно осадить из алюминатного маточного оборотного раствора в виде фтористых солей. Для этого в алюминатный раствор, содержащий галлий, примешивают плавиковую кислоту. При рН<2,5 из раствора осаждается значительная часть алюминия в виде фторида и криолита (Na 3 AlF 6). Галлий и часть алюминия остаются в растворе.

При нейтрализации кислого раствора содой до рН = 6, осаждаются галлий и .

Дальнейшего отделения алюминия от галлия можно дос тичь, обрабатывая алюминиево-галлиевые гидратные осадки в автоклаве известковым молоком, содержащим небольшое количество едкого натра; при этом галлий переходит в раствор, а основная часть алюминия остается в осадке. Затем галлий осаждают из раствора углекислым газом. Полученный осадок содержит до 25% Ga 2 О 3 .Этот осадок растворяют в едком натре при каустическом отношении 1,7 и обрабатывают Na 2 Sдля очистки от тяжелых металлов, особенно от свинца. Очищенный и осветленный раствор подвергают электролизу при 60-75° С, напряжении 3-5 В и постоянном перемешивании электролита. Катоды и аноды должны быть сделаны из нержавеющей стали.

Известны и другие способы концентрации окиси галлия из алюминатных растворов. Так, из остающегося после электролитического рафинирования алюминия по трехслойному методу анодного сплава, содержащего 0,1-0,3% галлия, последний может быть выделен путем обработки сплава горячим раствором щелочи. При этом и галлий переходят в раствор, а и остаются в осадке.

Для получения чистых соединений галлия используют способность хлорида галлия растворяться в эфире.

Если в алюминиевых рудах присутствует , он будет постоянно накапливаться в алюминатных растворах и при содержании более 0,5 г/л V 2 O 5 выпадать с гидратом алюминия при карбонизации в осадок и загрязнять алюминий. Для очистки от ванадия маточные растворы упаривают до плотности 1,33 г/см 3 и охлаждают до 30° С, при этом выпадает шлам, содержащий более 5% V 2 O 5 , наряду с содой и другими щелочными соединениями фосфора и мышьяка, из которых он может быть выделен сначала сложной гидрохимической переработкой, а затем электролизом водного раствора.

Расплавление алюминия из-за его большой теплоемкости и скрытой теплоты плавления (392Дж/г) требует больших расходов энергии. Поэтому заслуживает распространения опыт электролизных заводов, начавших получение ленты и катанки непосредственно из жидкого алюминия (без разливки в слитки). Кроме того, большой экономический эффект может дать получение из жидкого алюминия в литейных цехах электролизных заводов различных сплавов массового потребления, а

Галлий история открытия элемента Об элементе с атомным номером 31 большинство читателей помнят только, что это один из трех элементов,...

Оглавление [-]

Алюминий - это металл, покрытый матово-серебристой оксидной плёнкой, свойства которого определяют его популярность: мягкость, лёгкость, пластичность, высокая прочность, устойчивость к коррозии, электропроводность и отсутствие токсичности. В современных высоких технологиях применению алюминия отведено ведущее место как конструкционному, многофункциональному материалу. Наибольшую ценность для промышленности в качестве источника алюминия представляет природное сырьё — алюминиевая руда , составляющая горной породы в виде бокситов, алунитов и нефелина.

Разновидности глинозёмсодержащих руд

Известно более 200 минералов, в состав которых входит алюминий. Сырьевым источником считают только такую горную породу, которая может соответствовать следующим требованиям:

Природное сырьё должно иметь высокое содержание окислов алюминия;
Месторождение должно соответствовать экономической целесообразности его промышленной разработки.
Горная порода должна содержать алюминиевое сырьё в форме, подлежащей извлечению в чистом виде известными способами.

Особенность природной горной породы боксита

Сырьевым источником могут служить природные залежи бокситов, нефелинов, алунитов, глин, и каолинов. Наиболее насыщены соединениями алюминия бокситы. Глины и каолины представляют самые распространённые породы со значительным содержанием в них глинозёма. Залежи этих минералов находятся на поверхности земли. Алюминиевая руда в природе существует только в виде бинарного соединения металла с кислородом. Добывают это соединение из природных горных руд в виде бокситов, состоящих из окислов нескольких химических элементов: алюминия, калия, натрия, магния, железа, титана, кремния, фосфора. В зависимости от месторождения бокситы в своём составе имеют от 28 до 80% глинозёма. Это основное сырьё для получения уникального металла. Качество бокситов как сырья алюминия зависит от содержания в нём глинозёма. Этим определяются физические свойства бокситов:

Минерал представляет скрыто кристаллическую структуру или пребывает в аморфном состоянии. Многие минералы имеют затвердевшие формы гидрогелей простого или комплексного состава.
Цвет бокситов в различных точках добычи колеблется от почти белого до красных тёмных цветов. Есть месторождения с чёрной окраской минерала.
Плотность алюминий содержащих минералов зависит от их химического состава и составляет около 3 500 кг/м3.
Химический состав и структура бокситов определяет твёрдые свойства минерала. Самые прочные минералы отличаются твёрдостью в 6 единиц по шкале, принятой в минералогии.
Как природное ископаемое боксит имеет ряд примесей, чаще всего это окислы железа, кальция, магния, марганца, примеси титановых и фосфорных соединений.

Бокситы, каолины, глины в своём составе содержат примеси других соединений, которые при переработке сырья выделяются в отдельные производства. Только в России используют месторождения с залежами пород, в составе которых глинозём составляет более низкую концентрацию. С недавних пор глинозём стали получать из нефелинов, которые помимо глинозёма содержат окиси таких металлов, как калий, натрий, кремний и, не менее ценный, квасцовый камень, алунит.

Способы переработки алюминий содержащих ископаемых

Технология получения чистого глинозёма из алюминиевой руды не изменилась со времён открытия этого металла. Совершенствуется его производственное оборудование, позволяющее получать чистый алюминий. Основные производственные стадии получения чистого металла:

Добыча руды из разработанных месторождений.
Первичная обработка от пустых пород с целью повышения концентрации глинозёма – процесс обогащения.
Получение чистого глинозёма, электролитическое восстановление алюминия из его окислов.

Производственный процесс завершается получением металла с концентрацией 99,99%.

Добыча и обогащение глинозёма

Глинозём или алюминиевые окислы, в чистом виде в природе не существует. Его извлекают из алюминиевых руд, используя гидрохимические методы. Залежи алюминиевой руды в месторождениях обычно взрывают , обеспечивая площадку для её добычи на глубине примерно 20 метров, откуда её выбирают и запускают в процесс дальнейшей обработки;

Используя специальное оборудование (грохоты, классификаторы), руду дробят и сортируют, отбрасывая пустую породу (хвосты). На этом этапе обогащения глинозёма пользуются способами промывки и грохочения, как наиболее выгодными экономически.
Осевшую на дне обогатительной установки очищенную руду смешивают с разогретой массой едкого натра в автоклаве.
Смесь пропускают через систему сосудов из высокопрочной стали. Сосуды оснащены паровой рубашкой, поддерживающей необходимую температуру. Давление пара поддерживается на уровне 1,5-3,5 Мпа до полного перехода алюминиевых соединений, из обогащённой породы в алюминат натрия в перегретом растворе едкого натрия.
После охлаждения жидкость проходит стадию фильтрации в результате которой происходит отделение твёрдого осадка и получение пересыщенного чистого раствора алюмината. При добавлении в полученный раствор остатков гидроокиси алюминия от предыдущего цикла, разложение ускоряется.
Для окончательной осушки гидрата окиси алюминия применяют процедуру прокаливания.

Электролитическое производство чистого алюминия

Чистый алюминий получают, используя непрерывный процесс в результате которого прокалённый алюминий вступает в стадию электролитического восстановления . Современные электролизёры представляют устройство, состоящее следующих частей:

Из стального кожуха, футерованного угольными блоками и плитами. В процессе работы на поверхности корпуса ванны образуется плотная плёнка из застывшего электролита, предохраняющая футеровку от разрушения расплавом электролита.
Слой расплавленного алюминия на дне ванны, толщиной 10–20 см, служит катодом в этой установке.
Ток в алюминиевый расплав подводится через угольные блоки и встроенные стальные стержни.
Аноды, подвешенные на железную раму с помощью стальных штырей, обеспечены тягами, соединёнными с подъёмным механизмом. По мере сгорания анод опускается вниз, а стержни применяют в качестве элемента для подвода тока.
В цехах электролизёры устанавливают последовательно в несколько рядов (два или четыре ряда).

Дополнительная очистка алюминия рафинированием

Если алюминий, извлечённый из электролизёров, не соответствует конечным требованиям, его подвергают дополнительной очистке рафинированием. В промышленности этот процесс проводят в особенном электролизёре, в котором содержится три жидких слоя:

Нижний – рафинируемый алюминий с добавкой примерно 35% меди , служит анодом. Медь присутствует для утяжеления алюминиевого слоя, в анодном сплаве медь не растворяется, его плотность должна превышать 3000 кг/м3.
Средний слой представляет смесь фторидов и хлоридов бария, кальция, алюминия с температурой плавления около 730оС.
Верхний слой – чистый рафинированный алюминиевый расплав, который растворяется в анодном слое и поднимается вверх. Он служит в этой схеме катодом. Подвод тока осуществляется графитовым электродом.

В процессе электролиза примеси остаются в анодном слое и электролите. Выход чистого алюминия составляет 95–98%. Разработке алюминий содержащих месторождений, отведено ведущее место в народном хозяйстве, благодаря свойствам алюминия, который в настоящее время занимает второе место после железа в современной промышленности.

Промышленное значение алюминия

Алюминиевая руда – это природное сырье, из которого получают этот металл. В основном его добывают из бокситов, которые содержат оксиды алюминия (глинозем) в наибольшем количестве – от 28 до 80%. Другие породы – алунитовые, нефелиновые и нефелин-апатитовые также используются в качестве сырья для получения алюминия, но они имеют худшее качество и содержат значительно меньше глинозема.

Типы алюминиевых руд

Бокситная руда

В природе алюминий в чистом виде не встречается. В основном его получают из алюминиевой руды – боксита. Это минерал, который по большей части состоит из гидроксидов алюминия, а также из оксидов железа и кремния. Из-за большого содержания глинозема (от 40 до 60%) бокситы используются в качестве сырья для получения алюминия.

Физические свойства алюминиевой руды:

непрозрачный минерал красного и серого цвета различных оттенков;
твердость самых прочных образцов составляет 6 по минералогической шкале;
плотность бокситов в зависимости от химического состава колеблется в пределах 2900-3500 кг/м³.

Как образовывается бокситная алюминиевая руда

Бокситы образуются из одноводного гидрата глинозема, бемита и диаспора, трехводного гидрата – гидраргиллита и сопутствующих минералов гидроокиси и окиси железа.

В зависимости от состава природообразующих элементов различают три группы бокситных руд:

Моногидратные бокситы – содержат глинозем в одноводной форме.
Тригидратные – такие минералы состоят из глинозема в трехводной форме.
Смешанные – эта группа включает в сочетании предыдущие алюминиевые руды.

Алунитовые руды

Этот тип залежей содержит до 40% оксида алюминия. Алунитовая руда образовывается в водном бассейне и прибрежных зонах в условиях интенсивной гидротермальной и вулканической деятельности. Пример таких залежей – Заглинское озеро на Малом Кавказе.

Нефелин

первый сорт – 60–90% нефелина; он содержит более 25% глинозема; переработка осуществляется методом спекания;
второй сорт – 40–60% нефелина, количество глинозема немного ниже – 22–25%; во время переработки требуется обогащение;
третий сорт – нефелиновые минералы, которые не представляют никакой промышленной ценности.

Мировая добыча алюминиевых руд

Впервые алюминиевую руду добыли в первой половине XIX века на юго-востоке Франции, возле местечка Бокс. Отсюда и походит название бокситов. Сначала эта отрасль промышленности развивалась медленными темпами. Но когда человечество оценило, какая алюминиевая руда полезная для производства, сферы применения алюминия существенно расширились. Многие страны начали поиски на своих территориях месторождения залежей. Таким образом, мировая добыча алюминиевых руд стала постепенно возрастать. Подтверждением этого факта являются цифры. Так, если в 1913 году общемировой объем добытой руды составлял 540 тыс. тонн, то в 2014 году – более 180 млн тонн.

Также постепенно росло количество стран, добывающих алюминиевую руду. На сегодняшний день их насчитывается около 30. Но на протяжении последних 100 лет ведущие страны и регионы постоянно менялись. Так, в начале XX века мировыми лидерами по добыче алюминиевой руды и ее производстве были Северная Америка и Западная Европа. На эти два региона приходилось около 98% общемировой добычи. Через несколько десятков лет по количественным показателям алюминиевой промышленности лидерами стали страны Восточной Европы, Латинская Америка и Советский Союз. И уже в 1950–1960-х годах лидером по размеру добычи стала Латинская Америка. А в 1980–1990-х гг. произошел стремительный прорыв в алюминиевой промышленности Австралии и Африки. В современной мировой тенденции основными странами-лидерами по добыче алюминия являются Австралия, Бразилия, Китай, Гвинея, Ямайка, Индия, Россия, Суринам, Венесуэла и Греция.

Месторождения руды в России

Боксит является основной рудой для производства алюминия. Образование залежей связано с процессом выветривания и переноса материала, в котором помимо гидроокислов алюминия находятся и другие химические элементы. Технология извлечения металла предусматривает экономически выгодный процесс промышленного производства без образования отходов.

Боксит является основной рудой для производства алюминия

Характеристика рудного минерала

Название минерального сырья для добычи алюминия происходит от названия местности во Франции, где впервые были обнаружены залежи. Боксит состоит из гидроокислов алюминия, в качестве примесей в нем находятся глинистые минералы, окислы и гидроокислы железа.

По внешнему виду боксит является каменистой, а реже - глиноподобной, породой - однородной или слоистой по текстуре. В зависимости от формы залегания в земной коре она бывают плотной или пористой. По структуре различают минералы:

обломочные - конгломератовые, гравелиты, песчаниковые, пелитовые;
конкреционные - бобовые, оолитовые.

Основная масса породы в виде включений содержит оолитовые образования окислов железа или глинозема. Бокситовая руда обычно бурого или кирпичного цвета, но встречаются залежи белого, красного, серого, желтого оттенков.

Главными минералами для образования руды являются:

диаспор;
гидрогетит;
гетит;
бемит;
гиббсит;
каолинит;
ильменит;
алюмогематит;
кальцит;
сидерит;
слюды.

Различают бокситы платформенные, геосинклинальные и океанических островов. Месторождения алюминиевой руды образовались в результате переноса продуктов выветривания горных пород с последующим их отложением и образованием осадка.

Промышленные бокситы содержат 28-60% глинозема. При использовании руды соотношение последнего к кремнию не должно быть ниже 2-2,5.

Галерея: камень боксит (25 фото)

Боксит (видео)

Месторождения и добыча сырья

Основным сырьем промышленного производства алюминия в РФ являются бокситы, нефелиновые руды и их концентраты, сосредоточенные на Кольском полуострове.

Месторождения бокситов в России характеризуются низким качеством сырья и сложными горно-геологическими условиями добычи. В пределах государства находится 44 разведанных месторождения, среди которых эксплуатируется только четверть.

Основная добыча бокситов производится АО «Севуралбокситруда». Несмотря на запасы рудного сырья, обеспеченность перерабатывающих предприятий неравномерна. В течение 15 лет наблюдается дефицит нефелинов и бокситов, что обусловливает импорт глинозема.

Мировые запасы бокситов сосредоточены в 18 странах, находящихся в тропической и субтропической зонах. Местонахождение бокситов высшего качества приурочено к участкам выветривания алюмосиликатных горных пород во влажных условиях. Именно в этих зонах находится основная часть общемирового запаса сырья.

Самые крупные запасы сосредоточены в Гвинее. По добыче рудного сырья в мире первенство принадлежит Австралии. В Бразилии находится 6 млрд тонн запасов, во Вьетнаме - 3 млрд тонн, запасы бокситов Индии, отличающиеся высоким качеством, составляют 2,5 млрд тонн, Индонезии - 2 млрд тонн. В недрах этих стран сосредоточена основная масса руды.

Бокситы добывают открытым и подземным способом. Технологический процесс переработки сырья зависит от его химического состава и предусматривает поэтапное выполнение работ.

На первой стадии под воздействием химических реагентов образуется глинозем, а на второй - из него путем электролиза из расплава фтористых солей извлекают металлический компонент.

Для образования глинозема используют несколько методов:

спекание;
гидрохимический;
комбинированный.

Применение методик зависит от концентрации алюминия в руде. Боксит низкого качества перерабатывают сложным способом. Полученную в результате спекания шихту из соды известняка и боксита выщелачивают раствором. Образованную в результате химической обработки гидроокись металла отделяют и подвергают фильтрации.

Линия для переработки бокситов (видео)

Применение минерального ресурса

Применение боксита в разных отраслях промышленного производства обусловлено универсальностью сырья по его минеральному составу и физическим свойствам. Бокситы являются рудой, из которой извлекают алюминий и глинозем.

Использование боксита в черной металлургии в качестве флюса при выплавке мартеновской стали улучшает технические характеристики продукции.

При изготовлении электрокорунда используются свойства боксита образовывать сверхстойкий, огнеупорный материал (синтетический корунд) в результате плавки в электрических печах с участием антрацита в качестве восстановителя и железных опилок.

Минерал боксит с незначительным содержанием железа применяется при изготовлении огнеупорных, быстротвердеющих цементов. Кроме алюминия из рудного сырья извлекают железо, титан, галлий, цирконий, хром, ниобий и TR (редкоземельные элементы).

Бокситы используют для производства красок, абразивов, сорбентов. Руда с невысоким содержанием железа применяется при изготовлении огнеупорных составов.

В современной промышленности наибольшую популярность завоевала алюминиевая руда. Алюминий представляет собой самый распространенный метал из всех, существующих на сегодняшний день, металлов на земле. Кроме того, ему принадлежит третье место в рейтинге по численности залежей в недрах Земли. Также, алюминий является и самым легким металлом. Алюминиевой рудой называется горная порода, служащая материалом, из которого и происходит получение металла. Алюминий обладает определенными химическими и физическими свойствами, которые позволяют адаптировать его применение к совершенно различным областям человеческой деятельности. Таким образом, алюминий нашел свое широкое применение в таких отраслях, как машиностроение, автомобилестроение, строительство, при производстве различной тары и упаковки, электротехники, иных потребительских товаров. Практически каждый бытовой прибор, ежедневно используемый человеком, в том или ином количестве содержит в себе алюминий.

Добыча алюминия

Минералов, в составе которых было в свое время обнаружено наличие данного металла, существует огромное количество. Ученые пришли к выводу, что данный металл можно добывать из более, чем 250 минералов. Однако, абсолютно из всех руд добывать металл не выгодно, поэтому среди всего существующего разнообразия есть наиболее ценные алюминиевые руды, из которых и осуществляется получение металла. Таковыми являются: бокситы, нефелины, а также алуниты. Из всех алюминиевых руд максимальное содержание алюминия отмечено в бокситах. Именно в них находится порядка 50% оксидов алюминия. Как правило, залежи бокситов располагаются непосредственно на земной поверхности в достаточных количествах. Бокситы представляют собой непрозрачную горную породу, имеющую красный или серый цвет. Самые прочные бокситные образцы по минералогической шкале оцениваются в 6 баллов. Они бывают разной плотности от 2900 до 3500 кг/м3, которая напрямую зависит от химического состава. Бокситные руды отличаются своим сложным химическим составом, в который входят гидроксиды алюминия, оксиды железа и кремния, а также от 40% до 60% глинозема, являющегося главным сырьем для получения алюминия. Стоит сказать, что экваториальный и тропический земные пояса являются основной местностью, которая славится залежами бокситной руды. Для зарождения бокситов необходимо участие нескольких компонентов, среди которых одноводный гидрат глинозема, бемит, диаспор, а также различные минералов гидроокиси железа наряду с оксидом железа. Выветривание кислых, щелочных, а в некоторых случаях и основных пород, а также медленное оседание глинозема на дне водоемов и приводит к формированию бокситной руды. Из двух тонн глинозема алюминия получается вдвое меньше – 1 тонна. А для двух тонн глинозема необходимо добыть порядка 4,5 тонн боксита. Алюминий допустимо получать и из нефелинов и алунитов. Первые, в зависимости от своего сорта, могут содержать в своем составе от 22% до 25% глинозема. В то время, как алуниты, немногим уступают бокситам, и на 40% состоят из оксида алюминия.

Алюминиевые руды России

Российская Федерация расположилась на 7-ой строке рейтинга среди всех стран мира по количеству добываемых алюминиевых руд. Стоит отметить, что данное сырье на территории российского государства добывается в колоссальном количестве. Однако, страна испытывает существенный дефицит этого металла, и не в состоянии предоставить его в объеме, необходимом для абсолютного обеспечения промышленности. В этом кроется приоритетная причина, из-за которой России приходится приобретать алюминиевые руды у других государств, а также осваивать месторождения с низким качеством минеральных руд. В государстве существует порядка 50 месторождений, наибольшее число которых располагается в европейской части государства. Однако, Радынкское – наиболее старое месторождение алюминиевых руд в России. Местом его расположения является Ленинградская область. Оно состоит из бокситов, являющиеся с далеких времен главным и незаменимым материалом из которого и производят в последствии алюминий.

Производство алюминия в России

В начале ХХ столетия в России произошло зарождение алюминиевой промышленности. Именно в 1932 году в Волхове появилось первый производственный комбинат по выпуску алюминия. И уже 14 мая того же года на предприятии удалось впервые получить партию металла. Ежегодно на территории государства осваивались все новые месторождения алюминиевых руд и запускались в работу новые мощности, которые существенно были расширены в период Второй мировой войны. Послевоенное время для страны было отмечено открытием новых предприятий, основной деятельностью которых было производство фабрикатов, основным материалом для чего служили алюминиевые сплавы. Тогда же был произведен запуск в работу Пикалевского глиноземного предприятия. Россия славится своим разнообразием заводов, благодаря работе которых страна производит алюминий. Из них наиболее масштабным не только в рамках российского государства, но и во всем мире, считается ОК «Русал». Ему удалось произвести в 2015 году порядка 3,603 млн тонн алюминия, а в 2012 году предприятие достигло показателя в 4,173 млн тонн металла.



Алюминий / Aluminium (Al), 13







1,61 (шкала Полинга)


1‑я: 577.5 (5.984) кДж/моль (эВ) 2‑я: 1816.7 (18.828) кДж/моль (эВ)
Твёрдое вещество
2,6989 г/см³
660 °C, 933,5 K
2518,82 °C, 2792 K
10,75 кДж/моль
284,1 кДж/моль
24,35 24,2 Дж/(K·моль)
10,0 см³/моль
кубическая гранецентрированая


(300 K) 237 Вт/(м·К)

Кодовый символ

Указывающий, что алюминий может быть вторично переработан Алюми́ний - элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации - элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium ). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния). Простое вещество алюминий - лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

История

Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от лат. alumen - квасцы. До открытия промышленного способа получения алюминия этот металл был дороже золота. В 1889 г. британцы, желая почтить богатым подарком великого русского химика Д. И. Менделеева, подарили ему весы из золота и алюминия.

Получение

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению с другими металлами, восстановление алюминия из руды более сложно в связи с его высокой реакционной способностью и с высокой температурой плавления большинства его руд (таких, как бокситы). Прямое восстановление углеродом применяться не может, потому что восстановительная способность алюминия выше, чем у углерода. Возможно непрямое восстановление с получением промежуточного продукта Al4C3, который подвергается разложению при 1900-2000 °С с образованием алюминия. Этот способ находится в разработке, но представляется более выгодным, чем процесс Холла-Эру, так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO2. 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 Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 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. Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодных графитовых электродов и около 17 МВт·ч электроэнергии (~61 ГДж). Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году восстановлением металлическим калием безводного хлорида алюминия (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

AlCl3+3K→3KCl+Al{displaystyle {mathsf {AlCl_{3}+3Krightarrow 3KCl+Al}}}

Физические свойства

Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %, размер видимого сектора около 55×37 мм

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий
плотность - 2712 кг/м³
температура плавления у технического алюминия - 658 °C, у алюминия высокой чистоты - 660 °C
удельная теплота плавления - 390 кДж/кг
температура кипения - 2500 °C
удельная теплота испарения - 10,53 МДж/кг
удельная теплоёмкость - 897 Дж/кг·K
временное сопротивление литого алюминия - 10-12 кг/мм², деформируемого - 18-25 кг/мм², сплавов - 38-42 кг/мм²
Твёрдость по Бринеллю - 24…32 кгс/мм²
высокая пластичность: у технического - 35 %, у чистого - 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу
Модуль Юнга - 70 ГПа
Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·106 См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.
Слабый парамагнетик.
Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10−6 К−1 (20…200 °C).
Удельное сопротивление 0,0262..0,0295 Ом·мм²/м
Температурный коэффициент электрического сопротивления 4,3·10−3 K−1. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Нахождение в природе

Распространённость

По распространённости в земной коре 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 %.

Природные соединения алюминия

В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из природных минералов алюминия:

Бокситы - Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)
Нефелины - KNa34
Алуниты - (Na,K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3
Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)
Корунд (сапфир, рубин, наждак) - Al2O3
Полевые шпаты - (K,Na)2O·Al2O3·6SiO2, Ca
Каолинит - Al2O3·2SiO2 · 2H2O
Берилл (изумруд, аквамарин) - 3ВеО · Al2О3 · 6SiO2
Хризоберилл (александрит) - BeAl2O4.

Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях (жерла вулканов) найдены ничтожные количества самородного металлического алюминия. В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в водоёмах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л. В морской воде его концентрация 0,01 мг/л.

Изотопы алюминия

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al с ничтожными следами 26Al, наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при расщеплении ядер аргона 40Ar протонами космических лучей с высокими энергиями.

Химические свойства

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O, O2, HNO3 (без нагревания), H2SO4, но реагирует с HCl. Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Не допустить образования оксидной плёнки можно, добавляя к алюминию такие металлы, как галлий, индий или олово. При этом поверхность алюминия смачивают легкоплавкие эвтектики на основе этих металлов. Легко реагирует с простыми веществами:

с кислородом, образуя оксид алюминия:

4Al+3O2→2Al2O3{displaystyle {mathsf {4Al+3O_{2}rightarrow 2Al_{2}O_{3}}}}

с галогенами (кроме фтора), образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:

2Al+3Hal2→2AlHal3(Hal=Cl,Br,I){displaystyle {mathsf {2Al+3Hal_{2}rightarrow 2AlHal_{3}(Hal=Cl,Br,I)}}}

с другими неметаллами реагирует при нагревании:

со фтором, образуя фторид алюминия:

2Al+3F2→2AlF3{displaystyle {mathsf {2Al+3F_{2}rightarrow 2AlF_{3}}}}

с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al+3S→Al2S3{displaystyle {mathsf {2Al+3Srightarrow Al_{2}S_{3}}}}

с азотом, образуя нитрид алюминия:

2Al+N2→2AlN{displaystyle {mathsf {2Al+N_{2}rightarrow 2AlN}}}

с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al+3C→Al4C3{displaystyle {mathsf {4Al+3Crightarrow Al_{4}C_{3}}}}

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются: Al2S3+6H2O→2Al(OH)3+3H2S{displaystyle {mathsf {Al_{2}S_{3}+6H_{2}Orightarrow 2Al(OH)_{3}+3H_{2}S}}} Al4C3+12H2O→4Al(OH)3+3CH4{displaystyle {mathsf {Al_{4}C_{3}+12H_{2}Orightarrow 4Al(OH)_{3}+3CH_{4}}}} Со сложными веществами:

с водой (после удаления защитной оксидной плёнки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2{displaystyle {mathsf {2Al+6H_{2}Orightarrow 2Al(OH)_{3}+3H_{2}}}}

со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

2Al+2NaOH+6H2O→2Na+3H2{displaystyle {mathsf {2Al+2NaOH+6H_{2}Orightarrow 2Na+3H_{2}}}} 2Al+6NaOH→2Na3AlO3+3H2{displaystyle {mathsf {2Al+6NaOHrightarrow 2Na_{3}AlO_{3}+3H_{2}}}}

Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al+6HCl→2AlCl3+3H2{displaystyle {mathsf {2Al+6HClrightarrow 2AlCl_{3}+3H_{2}}}} 2Al+3H2SO4→Al2(SO4)3+3H2{displaystyle {mathsf {2Al+3H_{2}SO_{4}rightarrow Al_{2}(SO_{4})_{3}+3H_{2}}}}

При нагревании растворяется в кислотах - окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

8Al+15H2SO4→4Al2(SO4)3+3H2S+12H2O{displaystyle {mathsf {8Al+15H_{2}SO_{4}rightarrow 4Al_{2}(SO_{4})_{3}+3H_{2}S+12H_{2}O}}} Al+6HNO3→Al(NO3)3+3NO2+3H2O{displaystyle {mathsf {Al+6HNO_{3}rightarrow Al(NO_{3})_{3}+3NO_{2}+3H_{2}O}}}

восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al+3Fe3O4→4Al2O3+9Fe{displaystyle {mathsf {8Al+3Fe_{3}O_{4}rightarrow 4Al_{2}O_{3}+9Fe}}} 2Al+Cr2O3→Al2O3+2Cr{displaystyle {mathsf {2Al+Cr_{2}O_{3}rightarrow Al_{2}O_{3}+2Cr}}}

Производство и рынок

Производство алюминия в миллионах тонн Достоверных сведений о получении алюминия до XIX века, нет. (Встречающееся иногда со ссылкой на «Естественную историю» Плиния утверждение, что алюминий был известен при императоре Тиберии, основано на неверном толковании источника). В 1825 году, датский физик Ганс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей плёнкой оксида алюминия. До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился. Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль (его исследования финансировал Наполеон III, рассчитывая, что алюминий пригодится его армии) изобрёл первый способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl3. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6-8 кг. За 36 лет применения, с 1855 по 1890 год, способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 году он же получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия. В 1885 году был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме, работающий по технологии, предложенной Николаем Бекетовым. Технология Бекетова мало чем отличалась от способа Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом (Na3AlF6) и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия - более четверти всего мирового производства металла химическим путём в период с 1854 по 1890 год. Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции (1886 год) и основанный на получении алюминия электролизом глинозёма, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с улучшением электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозёма внесли русские учёные К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др. Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в городе Волхов. Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47,7 тыс. тонн алюминия, ещё 2,2 тыс. тонн импортировалось. Вторая мировая война значительно стимулировала производство алюминия. Так, в 1939 году общемировое его производство, без учёта СССР, составляло 620 тыс. т, но уже к 1943 году выросло до 1,9 млн т. К 1956 году в мире производилось 3,4 млн т первичного алюминия, в 1965 году - 5,4 млн т, в 1980 году - 16,1 млн т, в 1990 году - 18 млн т. В 2007 году в мире было произведено 38 млн т первичного алюминия, а в 2008 - 39,7 млн т. Лидерами производства являлись:

КНР КНР (в 2007 году произвёл 12,60 млн т, а в 2008 - 13,50 млн т)
Россия Россия (3,96/4,20)
Канада Канада (3,09/3,10)
США США (2,55/2,64)
Австралия Австралия (1,96/1,96)
Бразилия Бразилия (1,66/1,66)
Индия Индия (1,22/1,30)
Норвегия Норвегия (1,30/1,10)
ОАЭ ОАЭ (0,89/0,92)
Бахрейн Бахрейн (0,87/0,87)
ЮАР ЮАР (0,90/0,85)
Исландия Исландия (0,40/0,79)
Германия Германия (0,55/0,59)
Венесуэла Венесуэла (0,61/0,55)
Мозамбик Мозамбик (0,56/0,55)
Таджикистан Таджикистан (0,42/0,42)

В 2016 году было произведено 59 млн тонн алюминия На мировом рынке, запас 2,224 млн т., а среднесуточное производство 128,6 тыс. т. (2013.7). В России монополистом по производству алюминия является компания «Российский алюминий», на которую приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма. Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44,3 млн т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов. Цены на алюминий (на торгах международных сырьевых бирж) с 2007 по 2015 годы составляли в среднем 1253-3291 долларов за тонну.

Применение

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве - лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьём в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время медленно вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углеволокном). Основной недостаток алюминия как конструкционного материала - малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий). 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 мм².

Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
Алюминий и его сплавы не приобретают хрупкость при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике. Однако известен случай приобретения хрупкости криогенными трубами из алюминиевого сплава из-за их гибки на медных кернах при разработке РН Энергия.
Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью вакуумного напыления делает алюминий оптимальным материалом для изготовления зеркал.
В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например, клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя

Как компонент термита, смесей для алюмотермии.
В пиротехнике.
Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.
Ограничено применяется как протектор при анодной защите.

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе. Обозначение серий сплавов в данной статье приведена для США (стандарт H35.1 ANSI) и согласно ГОСТ России. В России основные стандарты - это ГОСТ 1583 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия» и ГОСТ 4784 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки». Существует также UNS маркировка и международный стандарт алюминиевых сплавов и их маркировки ISO R209 b.

Алюминиево-магниевые Al-Mg (ANSI: серия 5ххх у деформируемых сплавов и 5xx.x у сплавов для изделий фасонного литья; ГОСТ: АМг). Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.

В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая система соединения Al3Mg2 c твёрдым раствором на основе алюминия. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %. Рост содержания Mg в сплаве существенно увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести - на 20 МПа. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30-35 %. Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в нагартованном состоянии структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава. Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость.

Алюминиево-марганцевые Al-Mn (ANSI: серия 3ххх; ГОСТ: АМц). Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Основными примесями в сплавах системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном. Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах.

Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg) (ANSI: серия 2ххх, 2xx.x; ГОСТ: АМ). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток - низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

В качестве легирующих добавок могут применяться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает последний: легирование магнием заметно повышает пределы прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии. Нагартовка этих сплавов после закалки ускоряет искусственное старение, а также повышает прочность и сопротивление коррозии под напряжением.

Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu) (ANSI: серия 7ххх, 7xx.x). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы - сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17,4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

Однако существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов под напряжением можно легированием медью. Нельзя не отметить открытой в 60-е годы закономерности: присутствие лития в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития уменьшает удельный вес сплава и существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li.

Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты - медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al). Добавка алюминия в так называемые «автоматные стали» облегчает их обработку, давая четкое обламывание готовой детали с прутка в конце процесса.

Ювелирные изделия

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. В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя серебро.

Столовые приборы

По приказу Наполеона III были изготовлены алюминиевые столовые приборы, которые подавались на торжественных обедах ему и самым почётным гостям. Другие гости при этом пользовались приборами из золота и серебра. Затем столовые приборы из алюминия получили широкое распространение, со временем использование алюминиевой кухонной утвари существенно снизилось, но и в настоящее время их всё ещё можно увидеть лишь в некоторых заведениях общественного питания - несмотря на заявления некоторых специалистов о вредности алюминия для здоровья человека. Кроме того, такие приборы со временем теряют привлекательный вид из-за царапин и форму из-за мягкости алюминия. Из алюминия делают посуду для армии: ложки, котелки, фляжки.

Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

Военная промышленность

Дешевизна и вес металла обусловили широкое применение в производстве ручного стрелкового оружия, в частности автоматов и пистолетов.

Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

Порошковый алюминий как горючее в твёрдых ракетных топливах. Применяется также в виде порошка и суспензий в углеводородах.
Гидрид алюминия.
Боранат алюминия.
Триметилалюминий.
Триэтилалюминий.
Трипропилалюминий.

Триэтилалюминий (обычно в смеси с триэтилбором) используется также для химического зажигания (как пусковое горючее) в ракетных двигателях, так как он самовоспламеняется в газообразном кислороде. Ракетные топлива на основе гидрида алюминия, в зависимости от окислителя, имеют следующие характеристики:

Алюмоэнергетика

Алюмоэнергетика использует алюминий как универсальный вторичный энергоноситель. Его применения в этом качестве:

Окисление алюминия в воде для производства водорода и тепловой энергии.
Окисление алюминия кислородом воздуха для производства электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.

Алюминий в мировой культуре

В романе Н. Г. Чернышевского «Что делать?» (1862-1863) один из главных героев описывает в письме свой сон - видение будущего, в котором люди живут, отдыхают и работают в многоэтажных зданиях из стекла и алюминия; из алюминия выполнены полы, потолки и мебель (во времена Н. Г. Чернышевского алюминий ещё только начинали открывать).
Алюминиевые огурцы - это образ и название песни Виктора Цоя 1987 года.

Токсичность

Несмотря на широкую распространённость в природе, ни одно живое существо не использует алюминий в метаболизме - это мёртвый металл. Отличается незначительным токсическим действием, но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела):

ацетат алюминия - 0,2-0,4;
гидроксид алюминия - 3,7-7,3;
алюминиевые квасцы - 2,9.

В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек. Норматив содержания алюминия в воде хозяйственно-питьевого использования в России составляет 0,2 мг/л. При этом данная ПДК может быть увеличена до 0,5 мг/л главным государственным санитарным врачом по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения. По некоторым биологическим исследованиям, поступление алюминия в организм человека было сочтено фактором в развитии болезни Альцгеймера, но эти исследования были позже раскритикованы, и вывод о связи одного с другим опровергался. Соединения алюминия также, возможно, стимулируют рак молочной железы при применении антиперспирантов на основе хлорида алюминия. Но научных данных, подтверждающих это меньше, чем противоположных.

См. также

Анодирование
Оксидирование
Алюминий. Тринадцатый элемент
Международный институт алюминия

Примечания

Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. - 2013. - Vol. 85, no. 5. - P. 1047-1078. - DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
Химическая энциклопедия. В 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - С. 116. - 623 с. - 100 000 экз.
Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
aluminium. Online Etymology Dictionary . Etymonline.com. Проверено 3 мая 2010.
Фиалков, Ю. Девятый знак. - М.: Детгиз, 1963. - С. 133.
Урок № 49. Алюминий.
Aluminum Recycling and Processing for Energy Conservation and Sustainability. - ASM International, 2007. - P. 198. - ISBN 0-87170-859-0.
Краткая химическая энциклопедия. Т. 1 (А-Е). - М.: Советская энциклопедия. 1961.
Короновский Н. В., Якушова А. Ф. Основы геологии.
Олейников Б. В. и др. Алюминий - новый минерал класса самородных элементов //Записки ВМО. - 1984, ч. CXIII, вып. 2, с. 210-215. .
J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965.
Основы водородной энергетики / Под ред. В. А. Мошникова и Е. И. Терукова.. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «Лэти», 2010. - 288 с. - ISBN 978-5-7629-1096-5.
Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Реакции неорганических веществ: справочник / Под ред. Р. А. Лидина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2007. - С. 16. - 637 с. - ISBN 978-5-358-01303-2.
Энциклопедия: драгоценности, ювелирные изделия, ювелирные камни. Драгоценные металлы. Драгоценный алюминий.
«Серебро» из глины.
MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2009.
C34 Современное состояние мирового и отечественного производства и потребления алюминия
В мире растут запасы алюминия.
Производство первичного алюминия в мире и в России.
Historical price graph for Aluminium. Проверено 8 июня 2015.
Kitco - Base Metals - Industrial metals - Copper, Aluminum, Nickel, Zinc, Lead - Charts, Prices, Graphs, Quotes, Cu, Ni, Zn, Al, Pb.
Влияние легирующих элементов на свойства алюминиевых сплавов.
Байков Д. И. и др. Сваривающиеся алюминиевые сплавы. - Л.: Судпромгиз, 1959. - 236 с.
Факты об алюминии.
Штурмовая винтовка Heckler-Koch HK416 (Германия) | Экономические известия.
Tara Perfection D.O.O. - Safety you can depend on.
Сарнер С. Химия ракетных топлив = Propellant Chemistry / Пер. с англ. Е. П. Голубкова, В. К. Старкова, В. Н. Шеманиной; под ред. В. А. Ильинского. - М.: Мир, 1969. - С. 111. - 488 с.
Жук А. З., Клейменов Б. В., Фортов В. Е., Шейндлин А. Е. Электромобиль на алюминиевом топливе. - М: Наука, 2012. - 171 с. - ISBN 978-5-02-037984-8.
Алюминиевые огурцы
Shcherbatykh I., Carpenter D. O. (May 2007). The role of metals in the etiology of Alzheimer’s disease // J. Alzheimers Dis. 11 (2): 191-205.
Rondeau V., Commenges D., Jacqmin-Gadda H., Dartigues J. F. (July 2000). Relation between aluminum concentrations in drinking water and Alzheimer’s disease: an 8-year follow-up study // Am. J. Epidemiol. 152 (1): 59-66.
Rondeau V. (2002). A review of epidemiologic studies on aluminum and silica in relation to Alzheimer’s disease and associated disorders // Rev. Environ. Health 17 (2): 107-121.
Martyn C. N., Coggon D. N., Inskip H., Lacey R. F., Young W. F. (May 1997). Aluminum concentrations in drinking water and risk of Alzheimer’s disease // Epidemiology 8 (3): 281-286.
Graves A. B., Rosner D., Echeverria D., Mortimer J. A., Larson E. B. (September 1998). Occupational exposures to solvents and aluminium and estimated risk of Alzheimer’s disease // Occup. Environ. Med. 55 (9): 627-633.
Antiperspirants/Deodorants and Breast Cancer.
aluminum chloride hexahydrate.

Ссылки

Алюминий // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб., 1890-1907.
Алюминий на Webelements
Алюминий в Популярной библиотеке химических элементов
Алюминий в месторождениях
История, производство и способы использования алюминия
Алексеев А. И., Валов М. Ю., Юзвяк З. Критерии качества водных систем: Учебное пособие. - СПб: ХИМИЗДАТ, 2002. ISBN 5-93808-043-6
ГН 2.1.5.1315-03 Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
ГОСТ Р 55375-2012. Алюминий первичный и сплавы на его основе. Марки
Документальный фильм «Алюминий»

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,
Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2 ,
W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Наибольшую ценность для промышленности в качестве источника алюминия представляет природное сырьё — алюминиевая руда , составляющая горной породы в виде бокситов, алунитов и нефелина.

Разновидности глинозёмсодержащих руд

Известно более 200 минералов, в состав которых входит алюминий.

Сырьевым источником считают только такую горную породу, которая может соответствовать следующим требованиям:

Природное сырьё должно иметь высокое содержание окислов алюминия;
Месторождение должно соответствовать экономической целесообразности его промышленной разработки.
Горная порода должна содержать алюминиевое сырьё в форме, подлежащей извлечению в чистом виде известными способами.

Особенность природной горной породы боксита

Алюминиевая руда в природе существует только в виде бинарного соединения металла с кислородом. Добывают это соединение из природных горных руд в виде бокситов, состоящих из окислов нескольких химических элементов: алюминия, калия, натрия, магния, железа, титана, кремния, фосфора.

В зависимости от месторождения бокситы в своём составе имеют от 28 до 80% глинозёма. Это основное сырьё для получения уникального металла. Качество бокситов как сырья алюминия зависит от содержания в нём глинозёма. Этим определяются физические свойства бокситов:

Минерал представляет скрыто кристаллическую структуру или пребывает в аморфном состоянии. Многие минералы имеют затвердевшие формы гидрогелей простого или комплексного состава.
Цвет бокситов в различных точках добычи колеблется от почти белого до красных тёмных цветов. Есть месторождения с чёрной окраской минерала.
Плотность алюминий содержащих минералов зависит от их химического состава и составляет около 3 500 кг/м3.
Химический состав и структура бокситов определяет твёрдые свойства минерала. Самые прочные минералы отличаются твёрдостью в 6 единиц по шкале, принятой в минералогии.
Как природное ископаемое боксит имеет ряд примесей, чаще всего это окислы железа, кальция, магния, марганца, примеси титановых и фосфорных соединений.

Бокситы, каолины, глины в своём составе содержат примеси других соединений, которые при переработке сырья выделяются в отдельные производства.

Только в России используют месторождения с залежами пород, в составе которых глинозём составляет более низкую концентрацию.

С недавних пор глинозём стали получать из нефелинов, которые помимо глинозёма содержат окиси таких металлов, как калий, натрий, кремний и, не менее ценный, квасцовый камень, алунит.

Способы переработки алюминий содержащих ископаемых

Добыча руды из разработанных месторождений.
Первичная обработка от пустых пород с целью повышения концентрации глинозёма – процесс обогащения.
Получение чистого глинозёма, электролитическое восстановление алюминия из его окислов.

Производственный процесс завершается получением металла с концентрацией 99,99%.

Добыча и обогащение глинозёма

Глинозём или алюминиевые окислы, в чистом виде в природе не существует. Его извлекают из алюминиевых руд, используя гидрохимические методы.

Залежи алюминиевой руды в месторождениях обычно взрывают , обеспечивая площадку для её добычи на глубине примерно 20 метров, откуда её выбирают и запускают в процесс дальнейшей обработки;

Используя специальное оборудование (грохоты, классификаторы), руду дробят и сортируют, отбрасывая пустую породу (хвосты). На этом этапе обогащения глинозёма пользуются способами промывки и грохочения, как наиболее выгодными экономически.
Осевшую на дне обогатительной установки очищенную руду смешивают с разогретой массой едкого натра в автоклаве.
Смесь пропускают через систему сосудов из высокопрочной стали. Сосуды оснащены паровой рубашкой, поддерживающей необходимую температуру. Давление пара поддерживается на уровне 1,5-3,5 Мпа до полного перехода алюминиевых соединений, из обогащённой породы в алюминат натрия в перегретом растворе едкого натрия.
После охлаждения жидкость проходит стадию фильтрации в результате которой происходит отделение твёрдого осадка и получение пересыщенного чистого раствора алюмината. При добавлении в полученный раствор остатков гидроокиси алюминия от предыдущего цикла, разложение ускоряется.
Для окончательной осушки гидрата окиси алюминия применяют процедуру прокаливания.

Электролитическое производство чистого алюминия

Чистый алюминий получают, используя непрерывный процесс в результате которого прокалённый алюминий вступает в стадию электролитического восстановления .

Современные электролизёры представляют устройство, состоящее следующих частей:

Из стального кожуха, футерованного угольными блоками и плитами. В процессе работы на поверхности корпуса ванны образуется плотная плёнка из застывшего электролита, предохраняющая футеровку от разрушения расплавом электролита.
Слой расплавленного алюминия на дне ванны, толщиной 10–20 см, служит катодом в этой установке.
Ток в алюминиевый расплав подводится через угольные блоки и встроенные стальные стержни.
Аноды, подвешенные на железную раму с помощью стальных штырей, обеспечены тягами, соединёнными с подъёмным механизмом. По мере сгорания анод опускается вниз, а стержни применяют в качестве элемента для подвода тока.
В цехах электролизёры устанавливают последовательно в несколько рядов (два или четыре ряда).

Дополнительная очистка алюминия рафинированием

Если алюминий, извлечённый из электролизёров, не соответствует конечным требованиям, его подвергают дополнительной очистке рафинированием.

В промышленности этот процесс проводят в особенном электролизёре, в котором содержится три жидких слоя:

Нижний – рафинируемый алюминий с добавкой примерно 35% меди , служит анодом. Медь присутствует для утяжеления алюминиевого слоя, в анодном сплаве медь не растворяется, его плотность должна превышать 3000 кг/м3.
Средний слой представляет смесь фторидов и хлоридов бария, кальция, алюминия с температурой плавления около 730оС.
Верхний слой – чистый рафинированный алюминиевый расплав, который растворяется в анодном слое и поднимается вверх. Он служит в этой схеме катодом. Подвод тока осуществляется графитовым электродом.

Промышленное значение алюминия

Типы алюминиевых руд

Бокситная руда

Физические свойства алюминиевой руды:

непрозрачный минерал красного и серого цвета различных оттенков;
твердость самых прочных образцов составляет 6 по минералогической шкале;
плотность бокситов в зависимости от химического состава колеблется в пределах 2900-3500 кг/м³.

Как образовывается бокситная алюминиевая руда

В зависимости от состава природообразующих элементов различают три группы бокситных руд:

Моногидратные бокситы – содержат глинозем в одноводной форме.
Тригидратные – такие минералы состоят из глинозема в трехводной форме.
Смешанные – эта группа включает в сочетании предыдущие алюминиевые руды.

Алунитовые руды

Этот тип залежей содержит до 40% оксида алюминия. Алунитовая руда образовывается в водном бассейне и прибрежных зонах в условиях интенсивной гидротермальной и вулканической деятельности. Пример таких залежей – Заглинское озеро на Малом Кавказе.

Нефелин

первый сорт – 60–90% нефелина; он содержит более 25% глинозема; переработка осуществляется методом спекания;
второй сорт – 40–60% нефелина, количество глинозема немного ниже – 22–25%; во время переработки требуется обогащение;
третий сорт – нефелиновые минералы, которые не представляют никакой промышленной ценности.

Мировая добыча алюминиевых руд

Также постепенно росло количество стран, добывающих алюминиевую руду. На сегодняшний день их насчитывается около 30. Но на протяжении последних 100 лет ведущие страны и регионы постоянно менялись. Так, в начале XX века мировыми лидерами по добыче алюминиевой руды и ее производстве были Северная Америка и Западная Европа. На эти два региона приходилось около 98% общемировой добычи. Через несколько десятков лет по количественным показателям алюминиевой промышленности лидерами стали страны Восточной Европы, Латинская Америка и Советский Союз. И уже в 1950–1960-х годах лидером по размеру добычи стала Латинская Америка. А в 1980–1990-х гг. произошел стремительный прорыв в алюминиевой промышленности Австралии и Африки. В современной мировой тенденции основными странами-лидерами по добыче алюминия являются Австралия, Бразилия, Китай, Гвинея, Ямайка, Индия, Россия, Суринам, Венесуэла и Греция.

Месторождения руды в России

Французский город Ле-Бо-де-Прованс, расположенный на юге страны, прославился тем, что дал имя минералу бокситу. Именно там в 1821 г. горный инженер Пьер Бертье обнаружил залежи неизвестной руды. Понадобилось еще 40 лет исследований и испытаний, чтобы открыть возможности новой породы и признать ее перспективной для промышленного производства алюминия, в те года превышавшего по цене золото.

Характеристика и происхождение

Бокситы - это первичная алюминиевая руда. Практически весь алюминий, который когда-либо производился в мире, преобразован из них. Эта порода является композиционным сырьем, отличающимся сложной и неоднородной структурой.

В качестве основных компонентов она включают оксиды и гидроксиды алюминия. Рудообразующими минералами также служат оксиды железа. А среди примесей наиболее часто встречаются:

кремний (представленный кварцем, каолинитом и опалом);
титан (в виде рутила);
соединения кальция и магния;
редкоземельные элементы;
слюда;
в малых количествах галлий, хром, ванадий, цирконий, ниобий, фосфор, калий, натрий и пирит.

По происхождению бокситы бывают латеритными и карстовыми (осадочными). Первые, высококачественные, образовались в климате влажных тропиков как результат глубокого химического преобразования силикатных пород (так называемой латеризации). Вторые отличаются более низким качеством, они - продукт выветривания, переноса и отложения глинистых слоев в новых местах.

Бокситы различаются по:

Физическому состоянию (каменистые, землистые, пористые, рыхлые, глинообразные).
Структуре (в виде обломков и горошин).
Текстурным особенностям (с однородным или слоистым составом).
Плотности (варьируется от 1800 до 3200 кг/м³).

Химические и физические свойства

Химические свойства бокситов имеют широкий диапазон, связанный с переменной композицией материала. Однако качество добытых минералов определяется в первую очередь соотношением содержания глинозема и кремнезема. Чем больше количество первого и меньше - второго, тем значительнее промышленная ценность. Важной химической особенностью горные инженеры считают так называемую «вскрываемость», то есть то, насколько легко удается извлекать из рудного материала оксиды алюминия.

Несмотря на то, что бокситы не имеют постоянного состава, их физические свойства сводятся к таким показателям:

1	Цвет	коричневый, оранжевый, кирпичный, розовый, красный; реже серый, желтый, белый и черный
2	Прожилки	как правило, белые, но иногда их могут окрасить примеси железа
3	Блеск	Тусклый и землистый
4	Прозрачность	Непрозрачный
5	Удельный вес	2-2,5 кг/см³
6	Твердость	1-3 по минералогической шкале Мооса (для сравнения - у алмаза 10). Из-за этой мягкости бокситы напоминают глину. Но в отличие от последней, при добавлении воды не образуют однородную пластичную массу

Интересно, что физический статус никак не связан с полезностью и ценностью бокситов. Это объясняется тем, что они перерабатывается в другой материал, свойства которого существенно отличаются от исходной породы.

Мировые запасы и добыча

Несмотря на то, что спрос на алюминий постоянно увеличивается, запасов его первичной руды достаточно для удовлетворения этой потребности в течение еще нескольких столетий, но не менее, чем на 100 лет производства.

Геологическая служба США обнародовала данные, согласно которых мировые ресурсы бокситов составляют 55-75 млрд. тонн. Причем большинство из них сосредоточено в Африке (32%). На долю Океании приходится 23%, Карибского бассейна и Южной Америки 21%, азиатского континента 18%, прочих регионов 6%.

Оптимизм вселяет и внедрение процесса утилизации алюминия, что замедлит исчерпание природных запасов первичной алюминиевой руды (а заодно сэкономит и потребление электроэнергии).

Десятка стран-лидеров по добыче бокситов, представленная все той же Геологической службой США, в 2016 г. выглядела так.

1	Австралия	82 000
2	Китай	65 000
3	Бразилия	34 500
4	Индия	25 000
5	Гвинея	19 700
6	Ямайка	8 500
7	Россия	5 400
8	Казахстан	4 600
9	Саудовская Аравия	4 000
10	Греция	1 800

Очень перспективно заявляет о себе Вьетнам, окончивший 2016 г. с показателем в 1,500 тыс. метрических тонн. А вот Малайзия, бывшая в 2015 г. третьей, резко сократила разработки бокситов из-за ожидания строгих природоохранных законов и сегодня занимает 15 место в мировом рейтинге.

Бокситы добываются, как правило, в карьерах, открытым способом. Для получения рабочей площадки слой руды взрывается на 20-сантиметровой глубине, а затем выбирается. Куски минерала измельчают и сортируют: пустая порода (так называемые «хвосты») смывается потоком промывочной воды, а фрагменты плотной руды остаются на дне обогатительной установки.

Наиболее древние залежи бокситов в России относятся к докембрийской эпохе. Они располагаются в Восточных Саянах (Боксонское месторождение). Более молодую алюминиевую руду, времен среднего и верхнего девона, находят на Северном и Южном Урале, в Архангельской, Ленинградской и Белгородской областях.

Промышленное применение

Добытые бокситы делятся соответственно их последующему коммерческому применению на металлургические, абразивные, химические, цементные, огнеупорные и т.д.

Основное их применение, на которое идет 85% мировой разработки, - служить в качестве сырья для производства глинозема (оксида алюминия).

Технологическая цепочка выглядит так: боксит нагревают с едким натром, затем фильтруют, осаждают твердый остаток и прокаливают его. Данный продукт - безводный глинозем, предпоследнее превращение в цикле получения алюминия.

После чего остается погрузить его в ванну расплавленного природного или синтетического криолита и путем электролитического восстановления выделить сам металл.

Первым в 1860 г. эту технологию открыл французский химик Анри Сент-Клер Девиль. Она заменила дорогостоящий процесс, при котором алюминий производился в вакууме из калия и натрия.

Следующая важная область использования бокситов - применение в качестве абразивов.

Если прокалить глинозем, то в результате получается синтетический корунд - очень твердый материал, имеющий коэффициент 9 по шкале Мооса. Его измельчают, разделяют и далее вводят в состав наждачной бумаги и разнообразных полировальных порошков и суспензий.

Спеченный, раздробленный в порошок и сплавленный в круглые гранулы боксит является также отличным пескоструйным абразивом. Он идеален для обработки поверхностей, а за счет сферической формы уменьшает износ пескоструйного оборудования.

Еще одно важное назначение бокситов - участвовать в качестве проппанта (материала, не позволяющего сомкнуться специально созданным разломам) в процессе добычи нефти способом гидроразрыва пласта. В этом случае частички обработанной бокситовой породы проявляют устойчивость к гидравлическому давлению и позволяют трещинам оставаться открытыми столь долго, сколько необходимо для выхода нефти.

Незаменимы бокситы и для создания огнеупорной продукции. Обожженный глинозем выдерживает температуру до 1780 С. Это свойство используется как для выработки кирпичей и бетона, так и создания оборудования для металлургической промышленности, специального стекла и даже огнестойкой одежды.

Заключение

Химики и технологи постоянно ищут для бокситов адекватные заменители, которые бы не уступали по своим свойствам. Исследования позволили выяснить, что для производства глиноземов могут быть использованы глинистые материалы, зола электростанций и горючие сланцы.

Однако стоимость всей технологической цепочки в разы выше. Хорошо себя проявил карбид кремния в качестве абразива и синтетический муллит в качестве огнеупора. Ученые надеются, что до времени полного исчерпания природных ресурсов бокситов равнозначная замена будет найдена.

Вам могут быть интересны следующие материалы

Салат из консервированной горбуши - подборка лучших рецептов

Можно ли сушить маслята в домашних условиях и как это правильно делать?

Отношения

Интерьер

Дети

Красота

Фигура

Здоровье