Реферат: Производство алюминия цветных металлов 3. Производство алюминия реферат

Реферат - Производство алюминия - Промышленность, производство

Введение

Бываютпериоды, когда экономика страны совершает весьма резкие повороты по направлениюк принципиально новым технологиям, совершенно новым видам сырья и материалов ит. д. Такими поворотами были переориентация экономики с преимущественного использованиятвердого топлива на нефть и газ, программа ускоренной химизации народногохозяйства, широкая индустриализация промышленного и гражданского строительствана базе сборных конструкций… Явлениями того же порядка были освоениеполупроводниковой техники в радиоэлектронной промышленности, глубокоепроникновение электронно-вычислительных машин практически во все отраслиэкономики.

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

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

Строгоговоря, эти материалы известны. Просто сейчас они применяются в чрезвычайноскромных масштабах — в десятки, а возможно, и в тысячи раз более скромных, чембудут использоваться в XXIвеке и вообще в обозримой перспективе. Именно эти металлы и, конечно, их сплавыв третьем тысячелетии постепенно вытеснят традиционные, ныне широкораспространенные сталь и чугун. На чем основано по предположение? Наисключительно высоких технико-эксплуатационных свойствах этих металлов. Правда,чтобы резко расширить масштабы производства и сферу применения этих материалов,предстоит решить немало технических и организационных проблем, преодолетьнемало трудностей.

Цель курсовой работы: проанализировать теоретическуюлитературу по теме исследования, и выявить основные пути совершенствованияпроизводства алюминия.

Для достижения поставленной целинеобходимо решить следующие задачи:

1. Проанализироватьметодическую литературу по проблеме исследования.

2. Ознакомиться с историей производства алюминия в России.

3. Ознакомиться с основныминаправлениями применения алюминия.

4. Выявить новыетехнологии в производстве алюминия.

1.Производство алюминия в России

1.1Производство алюминия

Алюминий — химическийэлемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомнаямасса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высокихтемпературах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этогометалла самое важное — оксид Al2O3.

Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см3), пластичный,хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 oC.Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминийхимически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидомалюминия. Оксид алюминия (Al2O3) надежно предохраняетметалл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевуюфольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь воксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и сернойкислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной иконцентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действиина алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причемобразуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al2O3+ 2NaOH + 3h3O = 2Na[Al(OH)4]

Алюминий, лишенныйзащитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6h3O =2Al(OH)3 + 3h3

Образующийся гидроксидалюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH)3+ NaOH = Na[Al(OH)4]

Суммарное уравнениерастворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

2Al + 2NaOH+6h3O = 2Na[Al(OH)4] + 3h3.

Алюминий активновзаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 — белое,полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент послекислорода и кремния и первый среди металлов. Он входит в состав глин, полевыхшпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы,алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия — боксит содержит 28-60%глинозема — оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминийвпервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и являетсясамым распространенным металлом в природе.

Процесспроизводства первичного алюминия состоит из трех основных фаз. Сначалаосуществляется добыча необходимого сырья — бокситов, нефелинов и алунитов.Затем происходит химическая обработка руды, в результате которой получаетсяглинозем (А1203). Из глинозема электролитическим методомполучают собственно алюминий. Обычно для производства 1 т алюминия необходимопримерно 2 т глинозема. Количество бокситов, необходимое для того, чтобы витоге произвести тонну алюминия, сильно зависит от содержания в них оксидаалюминия. Так, западным компаниям обычно требуется 4—5 т бокситов, тогда какотечественного сырья может потребоваться около 7—8 т. Наиболее сложна иэнергоемка последняя фаза производства первичного алюминия. Современные заводыпри производстве тонны алюминия потребляют в среднем 1 3,5 МВт-ч электроэнергии2,средний расход анодной массы составляет 500-530 кг, используется такжедорогостоящий фтористый алюминий[1].

Основным сырьем для производстваалюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3.К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россиярасполагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большиеместорождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источникомалюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много />алюминия находится и в месторождениях Сибири.

/>Алюминийполучают из оксида />алюминия Al2O3 электролитическимметодом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым,поскольку из выплавленного />алюминия примеси удаляются сбольшим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкойприродного боксита.

Основное исходноевещество для производства алюминия — оксид />алюминия. Онне проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления(около 2050 oC), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизитьтемпературу плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такойспособ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили,что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите — минерале состава AlF3.3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около950 oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природенезначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенноудешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергаютрасплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксидаалюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3,плавится при 960 oC и обладает электропроводностью, плотностью ивязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Длядополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3,CaF2 и MgF2. Благодаря этому п Предприятия алюминиевойпромышленности России// География. – 2001. — № 10. – С. 9.роведение электролиза оказываетсявозможным при 950 oC.

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

При электролизе на катодевыделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий, обладающий большейплотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера, откуда егопериодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новыепорции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует суглеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

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

1.2 Запасыи производство бокситов и другого алюминиесодержащего сырья в России

В миреосновным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие от 32 до60% глинозема (оксид алюминия А1203). К важнымалюминиевым рудам относят также алуниты и нефелины.

Крупнейшиепроизводители промышленных бокситов — страны, в которых сосредоточены основныезапасы. Так, в 1998 г. в Австралии было добыто 45 млн. т, в Гвинее — 1 6,5 млн.т и в Бразилии — 1 2,5 млн. т, что составило 59% от мировой добычи (около 1 25 млн.т).

Помировым меркам, Россия обладает незначительными запасами промышленных бокситов— около 400 млн. т, что составляет менее 0,7% мировых запасов. При этомбольшинство отечественных месторождений на сегодняшний день уже в значительнойстепени выработаны. Кроме того, российские месторождения содержат в основном небокситы, а нефелины, а они — худшее сырье для производства глинозема. Да изначительная часть запасов российских бокситов со сравнительно небольшимсодержанием алюминия, по западным меркам, не относится к категориипромышленных.

Крупнейшийпроизводитель алюминиесодержащего сырья в России — Северо-Уральские бокситовыерудники. Они до последнего времени обеспечивали Россию лучшим сырьем придостаточно высоком уровне добычи. Основные запасы рудников находятся в районеСевероуральска на глубине более полукилометра. В настоящее время старые шахтыпрактически выработаны. Бокситы добываются с глубины 700—800 м и имеют оченьвысокую себестоимость.

Близки кисчерпанию и месторождения Южно-Уральской и Тихвинской групп.

Ввидуслабости собственной сырьевой базы российские производители алюминия взначительной мере ориентируются на привозной глинозем. Но уповать настабильность поставок глинозема из-за рубежа не приходится. Традиционныепоставщики глинозема в Россию — Украина и Казахстан — намерены расширять собственныепроизводства алюминия и, следовательно, у них будет меньше «свободного» сырьядля экспорта в Россию. Аналогичная ситуация и в дальнем зарубежье: Австралия,крупнейший в мире экспортер бокситов, тоже постепенно увеличивает собственноепроизводство алюминия, сокращая тем самым возможности поставки сырья на мировойрынок.

Вусловиях, когда растущий экспорт алюминия из России вызывает недовольствозападных конкурентов, некоторые из них могут предпринять (и предпринимают)меры, направленные на сокращение производства на российских заводах. Они, вчастности, могут воздействовать на российских производителей путем ограниченияэкспорта сырья в Россию. Осуществить такое ограничение вполне реально, имея ввиду, что рынок глинозема весьма высоко монополизирован. Одна толькоамериканская корпорация Alcoaпроизводит почти 13 млн. т глинозема (четверть мирового выпуска), аконтролирует чуть ли не половину. В условиях, когда российская алюминиеваяпромышленность импортирует почти 2/3 необходимого ей сырья, проблема ресурсозависимостистановится чрезвычайно важной.

Одним изрешений задачи обеспечения ресурсами российских производителей алюминияявляется разработка новых отечественных месторождений. Наиболее перспективно насегодняшний день Средне-Тиманское месторождение низкокачественных бокситов вРеспублике Коми. Общие запасы на Тимане, по различным оценкам, составляют от260 до 360 млн. т. Одним из достоинств месторождения является то, что егоразработку можно вести открытым способом, а это снижает себестоимость добычи на15 20% по сравнению с шахтными разработками. Главным препятствием для освоенияместорождения является полное отсутствие инфраструктуры. Так, кромеобустройства самого рудника, необходимо построить авто- и железную дороги. Внастоящее время главными сторонниками освоения Тимана являются руководителиСвердловской обл., где находятся основные потребители бокситов (Богословский иУральский алюминиевые заводы с суммарным годовым выпуском в 230 тыс. талюминия), и Республики Коми, на территории которой расположено месторождение.По их мнению, ввод в строй только первой очереди нового рудника позволитдобывать 3 млн. т бокситов в год, которых заводам хватит для производства 1,2 млн.т глинозема (600 тыс. т алюминия).

Междутем очевидно, что разработка одного Средне-Тиманского месторождения не решитпроблему обеспечения отечественным глиноземом I всех российских производителей. Ныне в России добываетсяоколо 8,5 млн. т бокситов и нефелинов в год, что обеспечивает производствооколо 2,4 млн. т глинозема. Для выпуска 3 млн. т алюминия необходимо обеспечитьдобычу еще по меньшей мере 1 2 млн. т промышленных бокситов, а также построитьсоответствующие производства глинозема. Таким образом, в ближайшее время импортбокситов и глинозема неизбежен[2].

1.3История развитие производства алюминия в России

Промышленное производствоалюминия в России началось вначале 30х годов XX века. Для организации промышленного производства алюминия требовалосьсырье и дешевая электроэнергия. В то время в России было известно лишьТихвинское месторождение бокситов. В 1928 — 1930 годы в Санкт-Петербурге былипроведены исследования по отработке технологии переработки этих бокситов наглинозем и по выбору оптимальной конструкции электролизера для первыхалюминиевых заводов. Результаты этих работ были заложены в основу дляпроектирования Волховского алюминиевого завода.

Важнейшее значение дляорганизации отечественного производства алюминия имело принятие и реализацияплана ГОЭЛРО, что позволило обеспечить дешевой электроэнергией строящиесязаводы. В 1931г. образованы отраслевой институт алюминиевой и магниевойпромышленности (ВАМИ) и в последующие годы Всероссийского института легкихсплавов (ВИЛС).

Первая промышленнаяпартия алюминия была получена на Волховском алюминиевом заводе 14 мая 1932 г.Этот день считается днем рождения алюминиевой промышленности России.

В 1933г. был пущен вэксплуатацию Днепровский алюминиевый завод на Украине.

В 1938г. на базеТихвинского месторождения бокситов построен Бокситогорский глиноземный завод.

В 1931г. на Урале былиоткрыты месторождения бокситов в совокупности образующих Северо-Уральскийбокситовый район, который в дальнейшем стал сырьевой базой алюминиевой промышленностиУрала.

В 1939г. состоялся пускУральского алюминиевого завода мощностью 70 тыс. т глинозема и 25 тыс. талюминия.

В годы ВеликойОтечественной войны, для обеспечения возросших потребностей обороннойпромышленности, было принято решение об увеличении мощностей по производствуалюминия на Уральском заводе, а также о строительстве Богословского иНовокузнецкого алюминиевых заводов.

В июле 1942 г. мощностиУральского завода по производству алюминия были увеличены в два раза.

7 января 1943 г. страна получилапервый сибирский алюминий на Новокузнецком алюминиевом заводе.

Первый глинозем наБогословском заводе получен 3 мая 1943г., в 1944г. начал выдавать продукциюКаменск — Уральский металлургический завод, а в день Победы — 9 мая 1945г.,Богословский завод выплавил свой первый алюминий.

В послевоенный периодалюминиевая промышленность России продолжала интенсивно развиваться за счетввода новых и расширения действующих мощностей.

В пятидесятые годывведены в эксплуатацию: Кандалакшский, Надвоицкий и Волгоградский алюминиевыезаводы, Белокалитвинское металлургическое производственное объединение иСамарский металлургический завод, специализирующиеся на выпуске полуфабрикатовиз алюминиевых сплавов, а так же Пикалевский глиноземный завод – комплексное предприятиепо переработке Кольских нефелиновых концентратов.

В шестидесятые исемидесятые годы в непосредственной близости от источников дешевойэлектроэнергии, крупнейших ГЭС, были построены Иркутский, Красноярский иБратский алюминиевые заводы.

В этот же период быливведены в эксплуатацию Красноярский металлургический завод, Павлодарскийалюминиевый завод, Ачинский глиноземный комбинат и «Дмитровский опытный заводалюминиевой консервной ленты».

В 1983г. и в 1985г.вступили в строй Николаевский глиноземный и Саянский алюминиевые заводы,оснащенные современными технологиями и оборудованием.

В 1995г. начал выдаватьпродукцию завод «Саянская фольга».

В настоящее времяалюминиевая промышленность России является крупнейшим в мире производителем иэкспортером алюминия.

В 1996г. в отраслиначались структурные преобразования по созданию интегрированных компаний.

В настоящее время вотрасли действуют три алюминиевые компании: «РУСАЛ – Управляющая компания», «СУАЛ– холдинг» и Алко Россия[3].

2. Совершенствованиепроцесса производства алюминия

В последниегоды многие аналитики сферы />производства легкихметаллов и сплавов пророчат России звание «алюминиевой сверхдержавы»:современные тенденции на мировом рынке ведут к повышенному спросу на российскийметалл. У отечественных предприятий действительно есть реальный шанс выйти влидеры мировой алюминиевой промышленности — при условии, что будет решен вопроссырья и модернизированы производственные линии.

Если с первойпроблемой справиться пока сложно (хотя слияние СУАЛа и РУСАЛа открываетопределенные перспективы), то в отношении />совершенствованияпроизводства российские предприятия идут вперед ударными темпами. Помимоисследовательских и конструкторских подразделений крупных заводов, в странедействуют целые научные центры, такие как ОАО «СибВАМИ», которые занимаютсяразработкой новейших методик в области />производствапервичного и вторичного />алюминия и его сплавов.

Модернизацияпроизводственных линий и увеличение производительности многих отечественныхпредприятий стали возможными благодаря разработкам Сибирскогонаучно-исследовательского, конструкторского и проектного института алюминиевойи электродной промышленности (СибВАМИ). За последние несколько лет этаорганизация разработала и успешно внедрила несколько уникальных технологий,способствующих повышению эффективности производства алюминия не только вРоссии, но и за рубежом.

К числуразработок СибВАМИ относятся новая технология производства анодной массыметодом сухого смешивания и брикетирования, создание автоматическихплавильно-литейных комплексов, а также ряд методик по переработке первичногоалюминия. Некоторые инновации института стали поистине революционными дляроссийских предприятий.

По данныманалитиков компании РУСАЛ, около 80% российского алюминия производится спомощью электролизеров Содерберга с самообжигающимися анодами. ТехнологияСодерберга была предложена в 1920-х годах норвежскими исследователями и былапринята российскими металлургами как более экономичная и эффективная методикапо сравнению с используемой ранее системой Холла-Эру. Самообжигающиеся анодыпозволили снизить себестоимость алюминия на 5,2% и практически исключить«человеческий фактор» в процессе электролиза. Однако растущий спрос на www.alfametal.ru/?id=shop&idmetal=2алюминийи необходимость увеличить объемы производства выявили недостаткисамообжигающихся анодов. Расход электроэнергии и углерода в установкахСодерберга довольно высок, как и уровень выделения вредных веществ припроизводстве. Впрочем, приверженцы данной технологии (а это довольно широкийкруг отечественных и зарубежных предприятий) отмечают высокий потенциалсамообжигающихся анодов при усовершенствовании отдельных ее элементов. Поэтомумодернизация отечественных алюминиевых предприятий касается, в основном,снижения энергозатрат, решения экологических проблем и повышенияпроизводительности установок Содерберга.

Совершенствованиетехнологии Содерберга ведется сразу в нескольких российских компаниях.Например, лидер отечественной алюминиевой промышленности компания РУСАЛ(которая входит в так называемый «клуб Содерберга», объединяющий крупнейшиезаводы мира) с 2004 года реализует программу модернизации производства за счетвнедрения новых моделей электролизеров (РА-300 и РА-400). Эти агрегатыпозволяют освоить технологию «сухого» анода и относятся к числу «зеленых»инноваций: их установка на заводе в Хакасии позволила на 50% уменьшить выбросвредных веществ. Новые электролизеры значительно повлияли и на продуктивностьзавода: в среднем линия РА-300 производит до 2412 кг алюминия в сутки(показатели РА-400 немного выше). Руководство РУСАЛ отмечает, что благодарявнедрению новых технологий в области самообжигающихся анодов производительностьзавода в ближайшие пять лет может заметно возрасти.

В рамкахпрограммы по модернизации в некоторых российских предприятиях широко внедряетсяеще одна технология — обожженные аноды — ставшая для отечественных металлурговнеплохой перспективой развития производства. Концепция обожженных анодов былапринята в качестве основной руководством холдинга СУАЛ: переход на новуютехнологию полным ходом идет на заводе «ИркАЗ», одном из самых крупных заводовкомпании. По мнению специалистов СУАЛ, обожженные аноды, хоть и дорогая, ноболее эффективная технология по сравнению с электролизерами Содерберга: при ееиспользовании загрязнение атмосферы сводится к минимуму, а производительностьпредприятия значительно повышается.

Экспериментальныелинии электролизеров с обожженными анодами были установлены в цехах Уральскогоалюминиевого завода группы СУАЛ. Первые несколько месяцев испытаний показаливысокие результаты по эффективности и экологической безопасности — технологияобожженных анодов легла в основу нового проекта СУАЛ по вводу в эксплуатациюновейшей модернизированной линии электролизеров «ИркАЗ-5». По расчетаманалитиков, инвестированные в этот довольно амбициозный проект 400 миллионовдолларов должны окупиться в течение нескольких лет после запуска линии: еетеоретическая мощность составляет около 166,5 тысяч тонн алюминия в год — этопочти две трети нынешних объемов производства.

Новыетехнологии производства алюминия в России — это шаг в будущее, шаг к завоеваниюабсолютного превосходства на мировом рынке «самолетного металла»[4].

2.2 Основныенаправления применения алюминия

/>

Алюминий – один изнаиболее легких конструкционных металлов. Плотность />алюминияпримерно в три раза меньше, чем у железа, меди или цинка. Как легкий,коррозионно-стойкий, обладающий высокой электропроводностью и легкорегенерируемый металл он играет важную роль в социальном прогрессе.

Сплавы, получаемые из />алюминия наряду с низкой плотностью, отличаются высокойпрочностью и другими важными механическими свойствами. Легкость обработкипозволяет использовать их для />производства различныхизделий. Конструкции из />алюминия требуют более низкихзатрат в течение длительного, практически неограниченного срока службы,сохраняют свои качества при низких температурах и обладают достаточнойогнестойкостью.

Сплавы, повышающие прочность и другиесвойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, какмедь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названиянемецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплавалюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn:0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Являетсяконструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин — легкие литейные сплавы алюминия(основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами:Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главнымобразом в авто- и авиастроении.

Магналии — сплавы алюминия (основа) с магнием(Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью,хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки(литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемыемагналии).

Основные достоинства всехсплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3),высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкостьпротив атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения иобработка.

Алюминиевые сплавыприменяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, впроизводстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отрасляхпромышленности.

По широте применениясплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий — одна изнаиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана,никеля, цинка, железа.

Алюминий применяется идля алитирования (алюминирования) — насыщения поверхности стальных или чугунныхизделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильномнагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 oC) исопротивления атмосферной коррозии.

Сегодня он являетсяважнейшим конструкционным материалом для изготовления и модернизации продукциисовременного общества.

Технический прогресс и конкурентоспособностьпродукции в таких отраслях, как, транспортное машиностроение, электротехника,строительство и пищевая промышленность, а также в />производствепотребительских товаров длительного пользования и различного оборудования невозможенбез использования />алюминия.

Основным потребителем />алюминия является пищевая промышленность, где ониспользуется в виде фольги и др. материалов для упаковки продуктов питания инапитков.

Непрерывный рост использования/>алюминия в транспортном секторе и, прежде всего в />производстве автомобилей, а также в сооружении грузовыхсудов, железнодорожных вагонов и скоростных поездов, снижает расход топлива ивредные выбросы в атмосферу. />Алюминий продолжаетоставаться важнейшим компонентом конструкции самолетов, как военного, так икоммерческого назначения.

В строительном секторе,наряду с традиционными направлениями его применения в />производствеокон, дверей, несущих конструкций и в наружной отделке, расширяетсяиспользование эффективных модульных компонентов, изготовленных с использованиемпанелей на основе />алюминия.

Благодаря непрерывномутехническому прогрессу в вопросах />совершенствования технологий/>производства изделий из />/>алюминия, созданию новых, упрочненных алюминием,композитных материалов с заранее определенными свойствами сферы использованияалюминия постоянно расширяться.

Исключительно высокаярегенерационная способность и уникальные качества алюминия, сохраняющиеся приего извлечении из ломов и отходов, позволяют многократно использовать его дляпроизводства различных изделий. Применение вторичного алюминия позволяетэкономить до 95% энергии по сравнению с энергией необходимой для производствапервичного алюминия.

Алюминиеваяпромышленность России, по мере подъема экономики страны будет играть важную ивсе более возрастающую роль в обеспечении конкурентоспособности национальнойпродукции на мировом рынке.

Применениеалюминия весьма эффективно в тепличном хозяйстве. Оно позволяет перевестистроительство теплиц на поточную основу. При этом конструкции получаются довольнолегкими, что облегчает труд рабочих, позволяет увеличить пролеты между опорами.Последнее очень важно с точки зрения механизации работ в теплицах. Прочностьалюминия при низких температурах делает его незаменимым в условиях КрайнегоСевера, Сибири. Зимой в таких теплицах экономится более 20 процентов тепла, до5 раз сокращается бой стекла (а это миллионы квадратных метров). Благодарявысокой отражательной способности алюминия по сравнению с оцинкованной стальюалюминиевые теплицы отличаются лучшей освещенностью. При сооружении перекрытийзданий со свободным расположением опор, например, выставочных залов свободной,«неправильной'», планировки, очень удобны пространственные решетчатые плиты изалюминиевых сплавов. Примером может служить структурная конструкция надконцертным залом в городе Сочи. Она имеет вид неправильного шестиугольникаплощадью 4370 квадратных метров. Площадь покрытия над прилегающим к залу фойе —1300 квадратных метров. Эти огромные сооружения не производят впечатлениячего-то громоздкого и тяжелого, они создают ощущение парения над опорами.Конструкции действительно очень легки. Не случайно некоторые части покрытиявыступают за опоры на расстояние до 15 метров. Высота решетчатой конструкции —2,45 метра, основной ее элемент — трубы, соединенные сваркой в трехгранные пирамиды,которые при монтаже соединяли высокопрочными болтами[5].

2.3Алюминиевые сплавы в авиаракетной и ядерной технике

Историяалюминиевых авиационных сплавов ведет начало с 1911 г., когда в ГерманииАльфред Вильм установил, что если алюминиевый сплав, содержащий 4% меди и 0.5%магния, закалить и оставить вылеживаться на воздухе, его прочность существенноповысится. Этот процесс получил название «старения», хотя было быправильнее назвать его «возмужанием».

Как быловыяснено в дальнейшем, при старении атомы меди группируются в мельчайшие зоны,число которых — миллионы. Атомы меди имеют меньший диаметр, чем атомы алюминия,поэтому возникает напряжение сжатия и прочность повышается. Сплав Вильма,который впервые был освоен в Германии на заводах «Дюрал-металлверке»,получил название «дуралюмин». Впоследствии американцы, повысивсодержание в нем магния до 1.5%, создали очень хороший сплав 2024. И поныне оншироко применяется в разных модификациях.

Еще вгоды Второй мировой войны мы смогли детально ознакомиться со сплавом 2024. Вконце войны на советский Дальний Восток залетели американские бомбардировщикиБ-29, подбитые японцами. В то время Россия были союзниками США, но Сталин,ничего не сообщив США, издал распоряжение: точно воспроизвести Б-29, любоеизменение могло вноситься лишь с его разрешения. Один самолет был разделен наотдельные узлы в конструкторских бюро Ильюшина и Туполева, а во Всесоюзноминституте авиационных материалов (ВИАМ) изучили свойства и структуру сплава2024, составили технические условия его производства, отвечающие американскимтребованиям.

Трудностейс воспроизведением самолета Б-29 было очень много, особенно с получением плитдлиной 30 м для крыльев. Дело в том, что большие плоские слитки, отливаемыенепрерывным методом с резким охлаждением водой, в процессе литья иногдаразрывались от термических напряжений, и куски весом в несколько соткилограммов разлетались на много метров. Литье слитков все же было освоено,производство налажено. Советские металлурги и конструкторы сумели в короткиесроки изготовить 850 самолетов Ту-4, полностью копировавших Б-29 и получившихназвание летающие крепости. Такие темпы в начале XXI в. не достижимы в России.

НаСемипалатинском полигоне с одного из этих самолетов в 1949 г. была сброшенаатомная бомба, положившая конец ядерной монополии США.

Пикирующийбомбардировщик Ту-16. Былоизвестно, что если ввести в алюминиевый сплав цинк, то есть базироваться начетверной системе «алюминий-цинк-магний-медь», то можно существенно улучшитьсвойства сплава. В своей докторской диссертации академик И. Н. Фридляндер изучилчетверную систему «алюминий-цинк-магний-медь» и установил ее фундаментальныезакономерности. При определенном соотношении цинка и магния увеличениесодержания меди в сплаве приводило к тому, что одновременно повышалисьпрочность, пластичность, коррозионная стойкость и вязкость разрушения. Вот наэтом основании российские ученые смогли создать группу очень хорошихвысокопрочных алюминиевых сплавов В95, В96цЗ и особо прочный В96ц.

Всесамолеты КБ Туполева делались из сплава В95, в том числе стратегическийбомбардировщик Ту-95 (1955). И современные самолеты — Ту-204, Ту-334 — изготавливают тоже из сплавов В95 и 1163. Исключение составляет самолет Ту-160.У этого самолета единственная задача: перелететь через океан, сбросить ядернуюбомбу и удирать с максимальной скоростью. Скорость его полета 2200 км/час. Притакой сверхзвуковой скорости обшивка самолета нагревается до 120-140 °С,поэтому для него рекомендован жаропрочный сплав АК4-1.

Антей. В 1950-х годах возникла проблемасоздания мощного военно-транспортного самолета Ан-22 («Антей»). Всеего силовые узлы должны были делаться в виде больших штамповок. Обычноштамповки закаливают в холодную воду, что обеспечивает высокую скоростьохлаждения и высокую прочность. Но для очень больших штамповок«Антея» поводки оказывались таких размеров, что эти штамповкиневозможно было механически обрабатывать. Требовался сплав, который при закалкев горячую воду уменьшил бы скорости охлаждения и поводок, не теряя прочности.Мы создали такой высокопрочный оригинальный сплав В93 и из него сделали всебольшие штамповки и детали.

Силовойкаркас из сплава В93 демонстрировался на авиасалоне в Ле Бурже в 1965 г. Вкачестве легирующей добавки в нем, вместо традиционно применяемых циркония илимарганца, мы использовали обычно ограничиваемое железо, что и позволилоосуществлять закалку в горячую воду. Что касается «Антея», то онпрошел несколько необычных испытаний — полеты в Афганистан, Прагу, Будапешт сгрузом порядка 100 т.

Поаналогии с Ан-22 построены современные транспортные самолеты Мрия и«Руслан». Они также сделаны из сплава В93. Максимальная их нагрузка200 т, при которой они могут совершать полеты на расстояние до 4500 км.«Мрия» и «Руслан» — ныне монопольные перевозчики грузов намежконтинентальные расстояния, недавно они перевозили из Европы в Австралиюблок атомной электростанции.

ИстребителиМиГ-23. В 1973 г. были запущеныв серию изготовленные из сплава В95 мощные истребители МиГ-23. Но прииспытаниях в двух летных школах произошли отрывы крыльев. Правительственнаякомиссия во главе с генерал-полковником авиации И.И. Пстыгой обратила вниманиеразработчиков на большие перегрузки, которые испытывает самолет при крутыхвиражах в боевых условиях. В ходе испытаний, проведенных в Центральномаэрогидродинамическом институте, удалось установить, что вредные примеси железаи кремния сильно снижают конструктивную прочность крыльев. Учитывая это, былсоздан сплав В95 повышенной чистоты — В95пч. Его применение обеспечилонадежность истребителей. Всего выпущено 16 тыс. МиГ-23 из сплава В95пч,катастроф не было. В истребителе пятого поколения фирмы КБ Сухогопредполагается использовать наш сверхпрочный сплав В96цЗ. Этот истребительбудет не хуже американского истребителя пятого поколения.

Гидросамолетыи аэробусы. Очень модныйсейчас гидросамолет Бе-200 фирмы Г.М. Бериева, предназначенный для тушенияпожаров, построен целиком из нашего алюминиево-литиевого сплава 1441. В Россииимеются международные патенты и соглашения о покупке лицензий на этот сплав вАнглии и США.

Первымивысказали желание приобрести Бе-200 китайцы. Но после недавних лесных пожаров вЕвропе и Австралии круг заказчиков значительно расширился. Именно это иподвигло Европейскую авиационную фирму (EADS) приобщиться к продвижению самолета на мировой рынок,сулящему неплохие дивиденды. Реальный рынок Бе-200 оценивается в 7 млрд. долл.

В 2006г. должен войти в эксплуатацию европейский аэробус А-380, вмещающий 555человек. Фирма «Эрбас» имеет уже 135 заказов на аэробус VIP-класса с водным бассейном,теннисными площадками, отдельными каютами для пассажиров. В этом самолетешироко применены наши сплавы, в частности узел крепления крыла к центропланусделан из сплава 1933 на Самарском металлургическом заводе.

Споявлением такого самолета приходит конец концепции безопасной повреждаемости.Сейчас европейцы работают над тем, чтобы не допустить появление трещин вконструкции самолета. С этой целью фюзеляж делается не из обычных алюминиевыхсплавов, а из многослойных сплавов типа ГЛЕР или наш СИАЛ, то есть берутсятонкие алюминиевые листы, между которыми прокладывается стеклоткань. В этомслучае трещины не растут.

Сверхскоростныеатомные центрифуги. ТолькоСССР и Россия овладели чрезвычайно эффективной центрифужной технологиейобогащения урана-235. США по-прежнему обогащают уран по энергоемкойтермодиффузионной технологии. Отечественные центрифуги сделаны из нашего самогопрочного в мире сплава В96ц. В Новоуральске, раньше совершенно закрытом городе,крутятся многие сотни тысяч сверхскоростных атомных центрифуг, а по всей России- миллионы.

Ракета-носитель«Энергия». В.П.Глушко и Ю.П. Семенов доложили в свое время Политбюро ЦК КПСС, что готовысоздать ракету, которая может конкурировать с американскими шаттлами. Ракетаработает на жидком водороде и жидком кислороде. Центральный ее бак, заполненныйжидким водородом, имеет диаметр 8 м, высоту 40 м, вокруг него размещены четыребака с жидким кислородом. Для этих баков потребовался сплав, который припонижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия нетолько не охрупчивался бы, как это происходит со сталью, а наоборот, упрочнялсяи одновременно повышалась бы его пластичность. Вот такой сплав был создан.Сплав 1201 системы «алюминий-медь-марганец» в результате понижениятемпературы упрочняется на 60%, одновременно повышается его пластичность.

Присоздании ракеты были очень большие дискуссии, потому что некоторые институтыМинистерства общего машиностроения считали, что надо строить эти ракеты изменее прочного, но хорошо проверенного надежного сплава АМг6 -системы«алюминий-магний», а со сплавом 1201 мы провалимся. Действительно,трудностей было много, все они преодолены, и такие ракеты строятся только изсплава 1201.

Энергия"вывела в космос орбитальный самолет «Буран», а уже в наши дни изсплава 1201 создаются на заводе им. М.В. Хруничева ракеты для отправки людей игрузов на международную космическую станцию[6].

2.4 Экологические мерыбезопасности в производстве алюминия

Экологический факториграет огромную роль в производстве алюминия. Приведем в качестве примера экологическуюполитику Объединенной компании РУСАЛ. Первая в мире по объемам />производства и глинозема, Объединенная компания РУСАЛстремится занять лидирующие позиции также в области экологии, охраны труда ипромышленной безопасности, использовать новые подходы в реализации социальных иблаготворительных программ. Осуществляя свою деятельность на 5 континентах в 19странах мира, она, как глобальная компания, видит свою миссию в том, чтобыустойчивое развитие бизнеса способствовало социально-экономическому процветаниюрегионов и стран. РУСАЛ стремится стать компанией, которой гордятся сотрудникии их дети, население стран и регионов, где расположены предприятия.

Устойчивое развитиетребует продуманной системы мероприятий, охватывающей все области деятельностикомпании. В ее основе – ответственность перед партнерами, клиентами,сотрудниками и населением стран присутствия, повышенное внимание к экологии,серьезные инвестиции в развитие новых технологий, постоянное />совершенствованиепроизводственных процессов.

Объединенная компанияуспешно реализует комплекс программ, направленных на эффективную защитуокружающей среды, улучшение условий труда, повышение благополучия сотрудников иих семей, создание условий для социально-экономического развития регионов.Конструктивный диалог бизнеса и общества является гарантией социальнойстабильности, без которой невозможно долгосрочное и успешное развитие бизнеса.

Компания практикуеткорпоративную социальную отчетность – предоставление общественности подробнойинформации о результатах реализации проектов и инициатив, нацеленных наразвитие компании как социально-ответственной, динамично развивающейсятранснациональной корпорации.

В соответствии с концепциейустойчивого развития, а также принятой в 2007 году в рамках инициативы ОК РУСАЛпо минимизации риска климатических изменений “Стратегией безопасного будущего”,компания продолжает внедрять инновационные технологии XXI века и активноиспользовать экологически чистые источники энергии.

Ответственный бизнесобязан заботиться об охране окружающей среды, и такой подход базируется на трехключевых принципах:

1.  экологический прогресс обязателен иреален;

2.  основа такого прогресса – инвестициив инновации;

3.  необходимо поддерживать международныеи национальные экологические инициативы.

Принятая ОК РУСАЛэкологическая стратегия всесторонне учитывает сложность поставленных задач иопределяет основные направления деятельности.

Соответствиеэкологическому законодательству и современным стандартам:

· Все действующиеалюминиевые и 70% глиноземных заводов Компании сертифицированы по стандарту ISO14001 (экологический менеджмент).

· Создаетсякорпоративная система интегрированного менеджмента для управления экологическимиаспектами и рисками.

· ОК РУСАЛ впервыев России начала проводить замеры выбросов перфторуглеродов (один из газов,влияющих на возникновение парникового эффекта).

Внедрение новыхтехнологий, соответствующих современным мировым стандартам:

· Ежегодно OК РУСАЛинвестирует в научно-исследовательскую деятельность $100 млн. В последующие тригода общий объем инвестиций в строительство и модернизацию производственныхмощностей составит более $10 млрд.

· Ведутсяразработка и внедрение собственных энергосберегающих производственныхтехнологий РА-300, РА-400, РА-500.

· Продолжается />совершенствование технологии Содерберга.

· Начато созданиеэлектролизера с вертикальными инертными электродами.

· Идут испытанияновой технологии с обожженными анодами, работающей на высокой плотности тока.

Внедрение экологическибезопасных технологий и модернизация заводов позволит сократить к 2015 годуколичество выбросов парниковых газов в атмосферу в 1,5 раза.

Принятие обдуманныхмасштабных решений по экологическим вопросам:

· Созданиепартнерства «Национальное углеродное соглашение».

· Принятиедобровольных целей по снижению эмиссии парниковых газов.

· Принятие 10принципов Глобального договора

· Принятиедобровольных целей Международного института />алюминия вобласти устойчивого развития.

· Стремление ксоответствию международным требованиям Стокгольмской конвенции по стойкиморганическим соединениям.

· Соблюдение«Хартии российского бизнеса» РСПП

· Минимизацияклиматических изменений в соответствии с положениями Киотского протокола.

· ПодписаниеМеморандума о намерении по реализации совместных действий, направленных наснижение выбросов парниковых газов с Программой развития ООН.

Рациональноеиспользование природных ресурсов:

· Гидроэнергетика –самый экологически чистый источник энергии – обеспечивает практически 80 %энергетических потребностей />производства.

· Постоянноесотрудничество с населением регионов по вопросам экологической безопасности иучет общественного мнения.

алюминийпроизводство боксит сплав

Заключение

Российские алюминиевыесплавы прошли блистательный путь развития. Трудно себе представить, какой изконструкционных материалов может сейчас успешно конкурировать с алюминием. Неслучайно он является основой большинства конструкций в ведущих областях техники- в авиации, ракетах, атомной промышленности. Он применяется также встроительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами,электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевойпромышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Созданы алюминиевыесплавы с прочностью среднелегированной стали, криогенные сплавы высокойпластичности для температуры жидкого водорода, сверхлегкие алюминиевые сплавы слитием — все, что в 1950-х годах считалось невозможным, сталодействительностью. Новые сплавы рождались на базе теоретических открытий иобобщений, их применение становилось возможным после преодоления сложныхтехнологических трудностей и в жесткой борьбе с многочисленными оппонентами,призывающими использовать то, что хорошо проверено практикой, и не подвергатьсебя опасностям, связанным с освоением нового неизведанного материала.Накопленный опыт показывает, что только постоянный и мощный прогрессалюминиевых сплавов обеспечил важнейшим изделиям авиационной, ракетной иядерной техники лидирующее положение в мире.

Список литературы

1.  Алюминиевая промышленность мира//География. – 2001. — № 10. – С. 21.

2.  Ивановский Л. Е. Физическая химия иэлектрохимия хлоралюминиевых расплавов. – М.: Наука, 1993.

3.  Кац Я. Российский алюминий 2000//Рынок ценных бумаг.- 2000. — № 8. – С. 35.

4.  Козаренко А. Е. Апатит-нефелиновыеместорождения Хибин// География. 2001. — № 4. – С. 4.

5.  Ломако П. Крылатый металл// Правда. –1982. – 13 июня. – С. 6.

6.  Перспективы развития технологическихпроцессов глиноземного производства.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

7.  Проблемы производства алюминия,магния и электродных материалов.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

8.  Производство алюминия Литейноепроизводство. – 1992. — №9.- С. 84.

9.  Сухарев И. Р. Бокситы – глинозем –алюминий География. – 1998. — № 17. С. 6.

10.  Фридляндер И. Алюминиевые сплавы в авиаракетнойи ядерной технике Вестник Российской Академии наук. – 2004. – Т. 74. — № 12. –С.1076.

www.ronl.ru

Доклад - Производство алюминия - Промышленность, производство

Введение

Бываютпериоды, когда экономика страны совершает весьма резкие повороты по направлениюк принципиально новым технологиям, совершенно новым видам сырья и материалов ит. д. Такими поворотами были переориентация экономики с преимущественного использованиятвердого топлива на нефть и газ, программа ускоренной химизации народногохозяйства, широкая индустриализация промышленного и гражданского строительствана базе сборных конструкций… Явлениями того же порядка были освоениеполупроводниковой техники в радиоэлектронной промышленности, глубокоепроникновение электронно-вычислительных машин практически во все отраслиэкономики.

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

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

Строгоговоря, эти материалы известны. Просто сейчас они применяются в чрезвычайноскромных масштабах — в десятки, а возможно, и в тысячи раз более скромных, чембудут использоваться в XXIвеке и вообще в обозримой перспективе. Именно эти металлы и, конечно, их сплавыв третьем тысячелетии постепенно вытеснят традиционные, ныне широкораспространенные сталь и чугун. На чем основано по предположение? Наисключительно высоких технико-эксплуатационных свойствах этих металлов. Правда,чтобы резко расширить масштабы производства и сферу применения этих материалов,предстоит решить немало технических и организационных проблем, преодолетьнемало трудностей.

Цель курсовой работы: проанализировать теоретическуюлитературу по теме исследования, и выявить основные пути совершенствованияпроизводства алюминия.

Для достижения поставленной целинеобходимо решить следующие задачи:

1. Проанализироватьметодическую литературу по проблеме исследования.

2. Ознакомиться с историей производства алюминия в России.

3. Ознакомиться с основныминаправлениями применения алюминия.

4. Выявить новыетехнологии в производстве алюминия.

1.Производство алюминия в России

1.1Производство алюминия

Алюминий — химическийэлемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомнаямасса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высокихтемпературах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этогометалла самое важное — оксид Al2O3.

Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см3), пластичный,хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 oC.Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминийхимически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидомалюминия. Оксид алюминия (Al2O3) надежно предохраняетметалл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевуюфольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь воксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и сернойкислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной иконцентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действиина алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причемобразуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al2O3+ 2NaOH + 3h3O = 2Na[Al(OH)4]

Алюминий, лишенныйзащитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6h3O =2Al(OH)3 + 3h3

Образующийся гидроксидалюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH)3+ NaOH = Na[Al(OH)4]

Суммарное уравнениерастворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

2Al + 2NaOH+6h3O = 2Na[Al(OH)4] + 3h3.

Алюминий активновзаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 — белое,полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент послекислорода и кремния и первый среди металлов. Он входит в состав глин, полевыхшпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы,алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия — боксит содержит 28-60%глинозема — оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминийвпервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и являетсясамым распространенным металлом в природе.

Процесспроизводства первичного алюминия состоит из трех основных фаз. Сначалаосуществляется добыча необходимого сырья — бокситов, нефелинов и алунитов.Затем происходит химическая обработка руды, в результате которой получаетсяглинозем (А1203). Из глинозема электролитическим методомполучают собственно алюминий. Обычно для производства 1 т алюминия необходимопримерно 2 т глинозема. Количество бокситов, необходимое для того, чтобы витоге произвести тонну алюминия, сильно зависит от содержания в них оксидаалюминия. Так, западным компаниям обычно требуется 4—5 т бокситов, тогда какотечественного сырья может потребоваться около 7—8 т. Наиболее сложна иэнергоемка последняя фаза производства первичного алюминия. Современные заводыпри производстве тонны алюминия потребляют в среднем 1 3,5 МВт-ч электроэнергии2,средний расход анодной массы составляет 500-530 кг, используется такжедорогостоящий фтористый алюминий[1].

Основным сырьем для производстваалюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3.К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россиярасполагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большиеместорождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источникомалюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много />алюминия находится и в месторождениях Сибири.

/>Алюминийполучают из оксида />алюминия Al2O3 электролитическимметодом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым,поскольку из выплавленного />алюминия примеси удаляются сбольшим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкойприродного боксита.

Основное исходноевещество для производства алюминия — оксид />алюминия. Онне проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления(около 2050 oC), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизитьтемпературу плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такойспособ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили,что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите — минерале состава AlF3.3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около950 oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природенезначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенноудешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергаютрасплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксидаалюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3,плавится при 960 oC и обладает электропроводностью, плотностью ивязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Длядополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3,CaF2 и MgF2. Благодаря этому п Предприятия алюминиевойпромышленности России// География. – 2001. — № 10. – С. 9.роведение электролиза оказываетсявозможным при 950 oC.

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

При электролизе на катодевыделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий, обладающий большейплотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера, откуда егопериодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новыепорции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует суглеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

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

1.2 Запасыи производство бокситов и другого алюминиесодержащего сырья в России

В миреосновным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие от 32 до60% глинозема (оксид алюминия А1203). К важнымалюминиевым рудам относят также алуниты и нефелины.

Крупнейшиепроизводители промышленных бокситов — страны, в которых сосредоточены основныезапасы. Так, в 1998 г. в Австралии было добыто 45 млн. т, в Гвинее — 1 6,5 млн.т и в Бразилии — 1 2,5 млн. т, что составило 59% от мировой добычи (около 1 25 млн.т).

Помировым меркам, Россия обладает незначительными запасами промышленных бокситов— около 400 млн. т, что составляет менее 0,7% мировых запасов. При этомбольшинство отечественных месторождений на сегодняшний день уже в значительнойстепени выработаны. Кроме того, российские месторождения содержат в основном небокситы, а нефелины, а они — худшее сырье для производства глинозема. Да изначительная часть запасов российских бокситов со сравнительно небольшимсодержанием алюминия, по западным меркам, не относится к категориипромышленных.

Крупнейшийпроизводитель алюминиесодержащего сырья в России — Северо-Уральские бокситовыерудники. Они до последнего времени обеспечивали Россию лучшим сырьем придостаточно высоком уровне добычи. Основные запасы рудников находятся в районеСевероуральска на глубине более полукилометра. В настоящее время старые шахтыпрактически выработаны. Бокситы добываются с глубины 700—800 м и имеют оченьвысокую себестоимость.

Близки кисчерпанию и месторождения Южно-Уральской и Тихвинской групп.

Ввидуслабости собственной сырьевой базы российские производители алюминия взначительной мере ориентируются на привозной глинозем. Но уповать настабильность поставок глинозема из-за рубежа не приходится. Традиционныепоставщики глинозема в Россию — Украина и Казахстан — намерены расширять собственныепроизводства алюминия и, следовательно, у них будет меньше «свободного» сырьядля экспорта в Россию. Аналогичная ситуация и в дальнем зарубежье: Австралия,крупнейший в мире экспортер бокситов, тоже постепенно увеличивает собственноепроизводство алюминия, сокращая тем самым возможности поставки сырья на мировойрынок.

Вусловиях, когда растущий экспорт алюминия из России вызывает недовольствозападных конкурентов, некоторые из них могут предпринять (и предпринимают)меры, направленные на сокращение производства на российских заводах. Они, вчастности, могут воздействовать на российских производителей путем ограниченияэкспорта сырья в Россию. Осуществить такое ограничение вполне реально, имея ввиду, что рынок глинозема весьма высоко монополизирован. Одна толькоамериканская корпорация Alcoaпроизводит почти 13 млн. т глинозема (четверть мирового выпуска), аконтролирует чуть ли не половину. В условиях, когда российская алюминиеваяпромышленность импортирует почти 2/3 необходимого ей сырья, проблема ресурсозависимостистановится чрезвычайно важной.

Одним изрешений задачи обеспечения ресурсами российских производителей алюминияявляется разработка новых отечественных месторождений. Наиболее перспективно насегодняшний день Средне-Тиманское месторождение низкокачественных бокситов вРеспублике Коми. Общие запасы на Тимане, по различным оценкам, составляют от260 до 360 млн. т. Одним из достоинств месторождения является то, что егоразработку можно вести открытым способом, а это снижает себестоимость добычи на15 20% по сравнению с шахтными разработками. Главным препятствием для освоенияместорождения является полное отсутствие инфраструктуры. Так, кромеобустройства самого рудника, необходимо построить авто- и железную дороги. Внастоящее время главными сторонниками освоения Тимана являются руководителиСвердловской обл., где находятся основные потребители бокситов (Богословский иУральский алюминиевые заводы с суммарным годовым выпуском в 230 тыс. талюминия), и Республики Коми, на территории которой расположено месторождение.По их мнению, ввод в строй только первой очереди нового рудника позволитдобывать 3 млн. т бокситов в год, которых заводам хватит для производства 1,2 млн.т глинозема (600 тыс. т алюминия).

Междутем очевидно, что разработка одного Средне-Тиманского месторождения не решитпроблему обеспечения отечественным глиноземом I всех российских производителей. Ныне в России добываетсяоколо 8,5 млн. т бокситов и нефелинов в год, что обеспечивает производствооколо 2,4 млн. т глинозема. Для выпуска 3 млн. т алюминия необходимо обеспечитьдобычу еще по меньшей мере 1 2 млн. т промышленных бокситов, а также построитьсоответствующие производства глинозема. Таким образом, в ближайшее время импортбокситов и глинозема неизбежен[2].

1.3История развитие производства алюминия в России

Промышленное производствоалюминия в России началось вначале 30х годов XX века. Для организации промышленного производства алюминия требовалосьсырье и дешевая электроэнергия. В то время в России было известно лишьТихвинское месторождение бокситов. В 1928 — 1930 годы в Санкт-Петербурге былипроведены исследования по отработке технологии переработки этих бокситов наглинозем и по выбору оптимальной конструкции электролизера для первыхалюминиевых заводов. Результаты этих работ были заложены в основу дляпроектирования Волховского алюминиевого завода.

Важнейшее значение дляорганизации отечественного производства алюминия имело принятие и реализацияплана ГОЭЛРО, что позволило обеспечить дешевой электроэнергией строящиесязаводы. В 1931г. образованы отраслевой институт алюминиевой и магниевойпромышленности (ВАМИ) и в последующие годы Всероссийского института легкихсплавов (ВИЛС).

Первая промышленнаяпартия алюминия была получена на Волховском алюминиевом заводе 14 мая 1932 г.Этот день считается днем рождения алюминиевой промышленности России.

В 1933г. был пущен вэксплуатацию Днепровский алюминиевый завод на Украине.

В 1938г. на базеТихвинского месторождения бокситов построен Бокситогорский глиноземный завод.

В 1931г. на Урале былиоткрыты месторождения бокситов в совокупности образующих Северо-Уральскийбокситовый район, который в дальнейшем стал сырьевой базой алюминиевой промышленностиУрала.

В 1939г. состоялся пускУральского алюминиевого завода мощностью 70 тыс. т глинозема и 25 тыс. талюминия.

В годы ВеликойОтечественной войны, для обеспечения возросших потребностей обороннойпромышленности, было принято решение об увеличении мощностей по производствуалюминия на Уральском заводе, а также о строительстве Богословского иНовокузнецкого алюминиевых заводов.

В июле 1942 г. мощностиУральского завода по производству алюминия были увеличены в два раза.

7 января 1943 г. страна получилапервый сибирский алюминий на Новокузнецком алюминиевом заводе.

Первый глинозем наБогословском заводе получен 3 мая 1943г., в 1944г. начал выдавать продукциюКаменск — Уральский металлургический завод, а в день Победы — 9 мая 1945г.,Богословский завод выплавил свой первый алюминий.

В послевоенный периодалюминиевая промышленность России продолжала интенсивно развиваться за счетввода новых и расширения действующих мощностей.

В пятидесятые годывведены в эксплуатацию: Кандалакшский, Надвоицкий и Волгоградский алюминиевыезаводы, Белокалитвинское металлургическое производственное объединение иСамарский металлургический завод, специализирующиеся на выпуске полуфабрикатовиз алюминиевых сплавов, а так же Пикалевский глиноземный завод – комплексное предприятиепо переработке Кольских нефелиновых концентратов.

В шестидесятые исемидесятые годы в непосредственной близости от источников дешевойэлектроэнергии, крупнейших ГЭС, были построены Иркутский, Красноярский иБратский алюминиевые заводы.

В этот же период быливведены в эксплуатацию Красноярский металлургический завод, Павлодарскийалюминиевый завод, Ачинский глиноземный комбинат и «Дмитровский опытный заводалюминиевой консервной ленты».

В 1983г. и в 1985г.вступили в строй Николаевский глиноземный и Саянский алюминиевые заводы,оснащенные современными технологиями и оборудованием.

В 1995г. начал выдаватьпродукцию завод «Саянская фольга».

В настоящее времяалюминиевая промышленность России является крупнейшим в мире производителем иэкспортером алюминия.

В 1996г. в отраслиначались структурные преобразования по созданию интегрированных компаний.

В настоящее время вотрасли действуют три алюминиевые компании: «РУСАЛ – Управляющая компания», «СУАЛ– холдинг» и Алко Россия[3].

2. Совершенствованиепроцесса производства алюминия

В последниегоды многие аналитики сферы />производства легкихметаллов и сплавов пророчат России звание «алюминиевой сверхдержавы»:современные тенденции на мировом рынке ведут к повышенному спросу на российскийметалл. У отечественных предприятий действительно есть реальный шанс выйти влидеры мировой алюминиевой промышленности — при условии, что будет решен вопроссырья и модернизированы производственные линии.

Если с первойпроблемой справиться пока сложно (хотя слияние СУАЛа и РУСАЛа открываетопределенные перспективы), то в отношении />совершенствованияпроизводства российские предприятия идут вперед ударными темпами. Помимоисследовательских и конструкторских подразделений крупных заводов, в странедействуют целые научные центры, такие как ОАО «СибВАМИ», которые занимаютсяразработкой новейших методик в области />производствапервичного и вторичного />алюминия и его сплавов.

Модернизацияпроизводственных линий и увеличение производительности многих отечественныхпредприятий стали возможными благодаря разработкам Сибирскогонаучно-исследовательского, конструкторского и проектного института алюминиевойи электродной промышленности (СибВАМИ). За последние несколько лет этаорганизация разработала и успешно внедрила несколько уникальных технологий,способствующих повышению эффективности производства алюминия не только вРоссии, но и за рубежом.

К числуразработок СибВАМИ относятся новая технология производства анодной массыметодом сухого смешивания и брикетирования, создание автоматическихплавильно-литейных комплексов, а также ряд методик по переработке первичногоалюминия. Некоторые инновации института стали поистине революционными дляроссийских предприятий.

По данныманалитиков компании РУСАЛ, около 80% российского алюминия производится спомощью электролизеров Содерберга с самообжигающимися анодами. ТехнологияСодерберга была предложена в 1920-х годах норвежскими исследователями и былапринята российскими металлургами как более экономичная и эффективная методикапо сравнению с используемой ранее системой Холла-Эру. Самообжигающиеся анодыпозволили снизить себестоимость алюминия на 5,2% и практически исключить«человеческий фактор» в процессе электролиза. Однако растущий спрос на www.alfametal.ru/?id=shop&idmetal=2алюминийи необходимость увеличить объемы производства выявили недостаткисамообжигающихся анодов. Расход электроэнергии и углерода в установкахСодерберга довольно высок, как и уровень выделения вредных веществ припроизводстве. Впрочем, приверженцы данной технологии (а это довольно широкийкруг отечественных и зарубежных предприятий) отмечают высокий потенциалсамообжигающихся анодов при усовершенствовании отдельных ее элементов. Поэтомумодернизация отечественных алюминиевых предприятий касается, в основном,снижения энергозатрат, решения экологических проблем и повышенияпроизводительности установок Содерберга.

Совершенствованиетехнологии Содерберга ведется сразу в нескольких российских компаниях.Например, лидер отечественной алюминиевой промышленности компания РУСАЛ(которая входит в так называемый «клуб Содерберга», объединяющий крупнейшиезаводы мира) с 2004 года реализует программу модернизации производства за счетвнедрения новых моделей электролизеров (РА-300 и РА-400). Эти агрегатыпозволяют освоить технологию «сухого» анода и относятся к числу «зеленых»инноваций: их установка на заводе в Хакасии позволила на 50% уменьшить выбросвредных веществ. Новые электролизеры значительно повлияли и на продуктивностьзавода: в среднем линия РА-300 производит до 2412 кг алюминия в сутки(показатели РА-400 немного выше). Руководство РУСАЛ отмечает, что благодарявнедрению новых технологий в области самообжигающихся анодов производительностьзавода в ближайшие пять лет может заметно возрасти.

В рамкахпрограммы по модернизации в некоторых российских предприятиях широко внедряетсяеще одна технология — обожженные аноды — ставшая для отечественных металлурговнеплохой перспективой развития производства. Концепция обожженных анодов былапринята в качестве основной руководством холдинга СУАЛ: переход на новуютехнологию полным ходом идет на заводе «ИркАЗ», одном из самых крупных заводовкомпании. По мнению специалистов СУАЛ, обожженные аноды, хоть и дорогая, ноболее эффективная технология по сравнению с электролизерами Содерберга: при ееиспользовании загрязнение атмосферы сводится к минимуму, а производительностьпредприятия значительно повышается.

Экспериментальныелинии электролизеров с обожженными анодами были установлены в цехах Уральскогоалюминиевого завода группы СУАЛ. Первые несколько месяцев испытаний показаливысокие результаты по эффективности и экологической безопасности — технологияобожженных анодов легла в основу нового проекта СУАЛ по вводу в эксплуатациюновейшей модернизированной линии электролизеров «ИркАЗ-5». По расчетаманалитиков, инвестированные в этот довольно амбициозный проект 400 миллионовдолларов должны окупиться в течение нескольких лет после запуска линии: еетеоретическая мощность составляет около 166,5 тысяч тонн алюминия в год — этопочти две трети нынешних объемов производства.

Новыетехнологии производства алюминия в России — это шаг в будущее, шаг к завоеваниюабсолютного превосходства на мировом рынке «самолетного металла»[4].

2.2 Основныенаправления применения алюминия

/>

Алюминий – один изнаиболее легких конструкционных металлов. Плотность />алюминияпримерно в три раза меньше, чем у железа, меди или цинка. Как легкий,коррозионно-стойкий, обладающий высокой электропроводностью и легкорегенерируемый металл он играет важную роль в социальном прогрессе.

Сплавы, получаемые из />алюминия наряду с низкой плотностью, отличаются высокойпрочностью и другими важными механическими свойствами. Легкость обработкипозволяет использовать их для />производства различныхизделий. Конструкции из />алюминия требуют более низкихзатрат в течение длительного, практически неограниченного срока службы,сохраняют свои качества при низких температурах и обладают достаточнойогнестойкостью.

Сплавы, повышающие прочность и другиесвойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, какмедь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названиянемецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплавалюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn:0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Являетсяконструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин — легкие литейные сплавы алюминия(основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами:Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главнымобразом в авто- и авиастроении.

Магналии — сплавы алюминия (основа) с магнием(Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью,хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки(литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемыемагналии).

Основные достоинства всехсплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3),высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкостьпротив атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения иобработка.

Алюминиевые сплавыприменяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, впроизводстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отрасляхпромышленности.

По широте применениясплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий — одна изнаиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана,никеля, цинка, железа.

Алюминий применяется идля алитирования (алюминирования) — насыщения поверхности стальных или чугунныхизделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильномнагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 oC) исопротивления атмосферной коррозии.

Сегодня он являетсяважнейшим конструкционным материалом для изготовления и модернизации продукциисовременного общества.

Технический прогресс и конкурентоспособностьпродукции в таких отраслях, как, транспортное машиностроение, электротехника,строительство и пищевая промышленность, а также в />производствепотребительских товаров длительного пользования и различного оборудования невозможенбез использования />алюминия.

Основным потребителем />алюминия является пищевая промышленность, где ониспользуется в виде фольги и др. материалов для упаковки продуктов питания инапитков.

Непрерывный рост использования/>алюминия в транспортном секторе и, прежде всего в />производстве автомобилей, а также в сооружении грузовыхсудов, железнодорожных вагонов и скоростных поездов, снижает расход топлива ивредные выбросы в атмосферу. />Алюминий продолжаетоставаться важнейшим компонентом конструкции самолетов, как военного, так икоммерческого назначения.

В строительном секторе,наряду с традиционными направлениями его применения в />производствеокон, дверей, несущих конструкций и в наружной отделке, расширяетсяиспользование эффективных модульных компонентов, изготовленных с использованиемпанелей на основе />алюминия.

Благодаря непрерывномутехническому прогрессу в вопросах />совершенствования технологий/>производства изделий из />/>алюминия, созданию новых, упрочненных алюминием,композитных материалов с заранее определенными свойствами сферы использованияалюминия постоянно расширяться.

Исключительно высокаярегенерационная способность и уникальные качества алюминия, сохраняющиеся приего извлечении из ломов и отходов, позволяют многократно использовать его дляпроизводства различных изделий. Применение вторичного алюминия позволяетэкономить до 95% энергии по сравнению с энергией необходимой для производствапервичного алюминия.

Алюминиеваяпромышленность России, по мере подъема экономики страны будет играть важную ивсе более возрастающую роль в обеспечении конкурентоспособности национальнойпродукции на мировом рынке.

Применениеалюминия весьма эффективно в тепличном хозяйстве. Оно позволяет перевестистроительство теплиц на поточную основу. При этом конструкции получаются довольнолегкими, что облегчает труд рабочих, позволяет увеличить пролеты между опорами.Последнее очень важно с точки зрения механизации работ в теплицах. Прочностьалюминия при низких температурах делает его незаменимым в условиях КрайнегоСевера, Сибири. Зимой в таких теплицах экономится более 20 процентов тепла, до5 раз сокращается бой стекла (а это миллионы квадратных метров). Благодарявысокой отражательной способности алюминия по сравнению с оцинкованной стальюалюминиевые теплицы отличаются лучшей освещенностью. При сооружении перекрытийзданий со свободным расположением опор, например, выставочных залов свободной,«неправильной'», планировки, очень удобны пространственные решетчатые плиты изалюминиевых сплавов. Примером может служить структурная конструкция надконцертным залом в городе Сочи. Она имеет вид неправильного шестиугольникаплощадью 4370 квадратных метров. Площадь покрытия над прилегающим к залу фойе —1300 квадратных метров. Эти огромные сооружения не производят впечатлениячего-то громоздкого и тяжелого, они создают ощущение парения над опорами.Конструкции действительно очень легки. Не случайно некоторые части покрытиявыступают за опоры на расстояние до 15 метров. Высота решетчатой конструкции —2,45 метра, основной ее элемент — трубы, соединенные сваркой в трехгранные пирамиды,которые при монтаже соединяли высокопрочными болтами[5].

2.3Алюминиевые сплавы в авиаракетной и ядерной технике

Историяалюминиевых авиационных сплавов ведет начало с 1911 г., когда в ГерманииАльфред Вильм установил, что если алюминиевый сплав, содержащий 4% меди и 0.5%магния, закалить и оставить вылеживаться на воздухе, его прочность существенноповысится. Этот процесс получил название «старения», хотя было быправильнее назвать его «возмужанием».

Как быловыяснено в дальнейшем, при старении атомы меди группируются в мельчайшие зоны,число которых — миллионы. Атомы меди имеют меньший диаметр, чем атомы алюминия,поэтому возникает напряжение сжатия и прочность повышается. Сплав Вильма,который впервые был освоен в Германии на заводах «Дюрал-металлверке»,получил название «дуралюмин». Впоследствии американцы, повысивсодержание в нем магния до 1.5%, создали очень хороший сплав 2024. И поныне оншироко применяется в разных модификациях.

Еще вгоды Второй мировой войны мы смогли детально ознакомиться со сплавом 2024. Вконце войны на советский Дальний Восток залетели американские бомбардировщикиБ-29, подбитые японцами. В то время Россия были союзниками США, но Сталин,ничего не сообщив США, издал распоряжение: точно воспроизвести Б-29, любоеизменение могло вноситься лишь с его разрешения. Один самолет был разделен наотдельные узлы в конструкторских бюро Ильюшина и Туполева, а во Всесоюзноминституте авиационных материалов (ВИАМ) изучили свойства и структуру сплава2024, составили технические условия его производства, отвечающие американскимтребованиям.

Трудностейс воспроизведением самолета Б-29 было очень много, особенно с получением плитдлиной 30 м для крыльев. Дело в том, что большие плоские слитки, отливаемыенепрерывным методом с резким охлаждением водой, в процессе литья иногдаразрывались от термических напряжений, и куски весом в несколько соткилограммов разлетались на много метров. Литье слитков все же было освоено,производство налажено. Советские металлурги и конструкторы сумели в короткиесроки изготовить 850 самолетов Ту-4, полностью копировавших Б-29 и получившихназвание летающие крепости. Такие темпы в начале XXI в. не достижимы в России.

НаСемипалатинском полигоне с одного из этих самолетов в 1949 г. была сброшенаатомная бомба, положившая конец ядерной монополии США.

Пикирующийбомбардировщик Ту-16. Былоизвестно, что если ввести в алюминиевый сплав цинк, то есть базироваться начетверной системе «алюминий-цинк-магний-медь», то можно существенно улучшитьсвойства сплава. В своей докторской диссертации академик И. Н. Фридляндер изучилчетверную систему «алюминий-цинк-магний-медь» и установил ее фундаментальныезакономерности. При определенном соотношении цинка и магния увеличениесодержания меди в сплаве приводило к тому, что одновременно повышалисьпрочность, пластичность, коррозионная стойкость и вязкость разрушения. Вот наэтом основании российские ученые смогли создать группу очень хорошихвысокопрочных алюминиевых сплавов В95, В96цЗ и особо прочный В96ц.

Всесамолеты КБ Туполева делались из сплава В95, в том числе стратегическийбомбардировщик Ту-95 (1955). И современные самолеты — Ту-204, Ту-334 — изготавливают тоже из сплавов В95 и 1163. Исключение составляет самолет Ту-160.У этого самолета единственная задача: перелететь через океан, сбросить ядернуюбомбу и удирать с максимальной скоростью. Скорость его полета 2200 км/час. Притакой сверхзвуковой скорости обшивка самолета нагревается до 120-140 °С,поэтому для него рекомендован жаропрочный сплав АК4-1.

Антей. В 1950-х годах возникла проблемасоздания мощного военно-транспортного самолета Ан-22 («Антей»). Всеего силовые узлы должны были делаться в виде больших штамповок. Обычноштамповки закаливают в холодную воду, что обеспечивает высокую скоростьохлаждения и высокую прочность. Но для очень больших штамповок«Антея» поводки оказывались таких размеров, что эти штамповкиневозможно было механически обрабатывать. Требовался сплав, который при закалкев горячую воду уменьшил бы скорости охлаждения и поводок, не теряя прочности.Мы создали такой высокопрочный оригинальный сплав В93 и из него сделали всебольшие штамповки и детали.

Силовойкаркас из сплава В93 демонстрировался на авиасалоне в Ле Бурже в 1965 г. Вкачестве легирующей добавки в нем, вместо традиционно применяемых циркония илимарганца, мы использовали обычно ограничиваемое железо, что и позволилоосуществлять закалку в горячую воду. Что касается «Антея», то онпрошел несколько необычных испытаний — полеты в Афганистан, Прагу, Будапешт сгрузом порядка 100 т.

Поаналогии с Ан-22 построены современные транспортные самолеты Мрия и«Руслан». Они также сделаны из сплава В93. Максимальная их нагрузка200 т, при которой они могут совершать полеты на расстояние до 4500 км.«Мрия» и «Руслан» — ныне монопольные перевозчики грузов намежконтинентальные расстояния, недавно они перевозили из Европы в Австралиюблок атомной электростанции.

ИстребителиМиГ-23. В 1973 г. были запущеныв серию изготовленные из сплава В95 мощные истребители МиГ-23. Но прииспытаниях в двух летных школах произошли отрывы крыльев. Правительственнаякомиссия во главе с генерал-полковником авиации И.И. Пстыгой обратила вниманиеразработчиков на большие перегрузки, которые испытывает самолет при крутыхвиражах в боевых условиях. В ходе испытаний, проведенных в Центральномаэрогидродинамическом институте, удалось установить, что вредные примеси железаи кремния сильно снижают конструктивную прочность крыльев. Учитывая это, былсоздан сплав В95 повышенной чистоты — В95пч. Его применение обеспечилонадежность истребителей. Всего выпущено 16 тыс. МиГ-23 из сплава В95пч,катастроф не было. В истребителе пятого поколения фирмы КБ Сухогопредполагается использовать наш сверхпрочный сплав В96цЗ. Этот истребительбудет не хуже американского истребителя пятого поколения.

Гидросамолетыи аэробусы. Очень модныйсейчас гидросамолет Бе-200 фирмы Г.М. Бериева, предназначенный для тушенияпожаров, построен целиком из нашего алюминиево-литиевого сплава 1441. В Россииимеются международные патенты и соглашения о покупке лицензий на этот сплав вАнглии и США.

Первымивысказали желание приобрести Бе-200 китайцы. Но после недавних лесных пожаров вЕвропе и Австралии круг заказчиков значительно расширился. Именно это иподвигло Европейскую авиационную фирму (EADS) приобщиться к продвижению самолета на мировой рынок,сулящему неплохие дивиденды. Реальный рынок Бе-200 оценивается в 7 млрд. долл.

В 2006г. должен войти в эксплуатацию европейский аэробус А-380, вмещающий 555человек. Фирма «Эрбас» имеет уже 135 заказов на аэробус VIP-класса с водным бассейном,теннисными площадками, отдельными каютами для пассажиров. В этом самолетешироко применены наши сплавы, в частности узел крепления крыла к центропланусделан из сплава 1933 на Самарском металлургическом заводе.

Споявлением такого самолета приходит конец концепции безопасной повреждаемости.Сейчас европейцы работают над тем, чтобы не допустить появление трещин вконструкции самолета. С этой целью фюзеляж делается не из обычных алюминиевыхсплавов, а из многослойных сплавов типа ГЛЕР или наш СИАЛ, то есть берутсятонкие алюминиевые листы, между которыми прокладывается стеклоткань. В этомслучае трещины не растут.

Сверхскоростныеатомные центрифуги. ТолькоСССР и Россия овладели чрезвычайно эффективной центрифужной технологиейобогащения урана-235. США по-прежнему обогащают уран по энергоемкойтермодиффузионной технологии. Отечественные центрифуги сделаны из нашего самогопрочного в мире сплава В96ц. В Новоуральске, раньше совершенно закрытом городе,крутятся многие сотни тысяч сверхскоростных атомных центрифуг, а по всей России- миллионы.

Ракета-носитель«Энергия». В.П.Глушко и Ю.П. Семенов доложили в свое время Политбюро ЦК КПСС, что готовысоздать ракету, которая может конкурировать с американскими шаттлами. Ракетаработает на жидком водороде и жидком кислороде. Центральный ее бак, заполненныйжидким водородом, имеет диаметр 8 м, высоту 40 м, вокруг него размещены четыребака с жидким кислородом. Для этих баков потребовался сплав, который припонижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия нетолько не охрупчивался бы, как это происходит со сталью, а наоборот, упрочнялсяи одновременно повышалась бы его пластичность. Вот такой сплав был создан.Сплав 1201 системы «алюминий-медь-марганец» в результате понижениятемпературы упрочняется на 60%, одновременно повышается его пластичность.

Присоздании ракеты были очень большие дискуссии, потому что некоторые институтыМинистерства общего машиностроения считали, что надо строить эти ракеты изменее прочного, но хорошо проверенного надежного сплава АМг6 -системы«алюминий-магний», а со сплавом 1201 мы провалимся. Действительно,трудностей было много, все они преодолены, и такие ракеты строятся только изсплава 1201.

Энергия"вывела в космос орбитальный самолет «Буран», а уже в наши дни изсплава 1201 создаются на заводе им. М.В. Хруничева ракеты для отправки людей игрузов на международную космическую станцию[6].

2.4 Экологические мерыбезопасности в производстве алюминия

Экологический факториграет огромную роль в производстве алюминия. Приведем в качестве примера экологическуюполитику Объединенной компании РУСАЛ. Первая в мире по объемам />производства и глинозема, Объединенная компания РУСАЛстремится занять лидирующие позиции также в области экологии, охраны труда ипромышленной безопасности, использовать новые подходы в реализации социальных иблаготворительных программ. Осуществляя свою деятельность на 5 континентах в 19странах мира, она, как глобальная компания, видит свою миссию в том, чтобыустойчивое развитие бизнеса способствовало социально-экономическому процветаниюрегионов и стран. РУСАЛ стремится стать компанией, которой гордятся сотрудникии их дети, население стран и регионов, где расположены предприятия.

Устойчивое развитиетребует продуманной системы мероприятий, охватывающей все области деятельностикомпании. В ее основе – ответственность перед партнерами, клиентами,сотрудниками и населением стран присутствия, повышенное внимание к экологии,серьезные инвестиции в развитие новых технологий, постоянное />совершенствованиепроизводственных процессов.

Объединенная компанияуспешно реализует комплекс программ, направленных на эффективную защитуокружающей среды, улучшение условий труда, повышение благополучия сотрудников иих семей, создание условий для социально-экономического развития регионов.Конструктивный диалог бизнеса и общества является гарантией социальнойстабильности, без которой невозможно долгосрочное и успешное развитие бизнеса.

Компания практикуеткорпоративную социальную отчетность – предоставление общественности подробнойинформации о результатах реализации проектов и инициатив, нацеленных наразвитие компании как социально-ответственной, динамично развивающейсятранснациональной корпорации.

В соответствии с концепциейустойчивого развития, а также принятой в 2007 году в рамках инициативы ОК РУСАЛпо минимизации риска климатических изменений “Стратегией безопасного будущего”,компания продолжает внедрять инновационные технологии XXI века и активноиспользовать экологически чистые источники энергии.

Ответственный бизнесобязан заботиться об охране окружающей среды, и такой подход базируется на трехключевых принципах:

1.  экологический прогресс обязателен иреален;

2.  основа такого прогресса – инвестициив инновации;

3.  необходимо поддерживать международныеи национальные экологические инициативы.

Принятая ОК РУСАЛэкологическая стратегия всесторонне учитывает сложность поставленных задач иопределяет основные направления деятельности.

Соответствиеэкологическому законодательству и современным стандартам:

· Все действующиеалюминиевые и 70% глиноземных заводов Компании сертифицированы по стандарту ISO14001 (экологический менеджмент).

· Создаетсякорпоративная система интегрированного менеджмента для управления экологическимиаспектами и рисками.

· ОК РУСАЛ впервыев России начала проводить замеры выбросов перфторуглеродов (один из газов,влияющих на возникновение парникового эффекта).

Внедрение новыхтехнологий, соответствующих современным мировым стандартам:

· Ежегодно OК РУСАЛинвестирует в научно-исследовательскую деятельность $100 млн. В последующие тригода общий объем инвестиций в строительство и модернизацию производственныхмощностей составит более $10 млрд.

· Ведутсяразработка и внедрение собственных энергосберегающих производственныхтехнологий РА-300, РА-400, РА-500.

· Продолжается />совершенствование технологии Содерберга.

· Начато созданиеэлектролизера с вертикальными инертными электродами.

· Идут испытанияновой технологии с обожженными анодами, работающей на высокой плотности тока.

Внедрение экологическибезопасных технологий и модернизация заводов позволит сократить к 2015 годуколичество выбросов парниковых газов в атмосферу в 1,5 раза.

Принятие обдуманныхмасштабных решений по экологическим вопросам:

· Созданиепартнерства «Национальное углеродное соглашение».

· Принятиедобровольных целей по снижению эмиссии парниковых газов.

· Принятие 10принципов Глобального договора

· Принятиедобровольных целей Международного института />алюминия вобласти устойчивого развития.

· Стремление ксоответствию международным требованиям Стокгольмской конвенции по стойкиморганическим соединениям.

· Соблюдение«Хартии российского бизнеса» РСПП

· Минимизацияклиматических изменений в соответствии с положениями Киотского протокола.

· ПодписаниеМеморандума о намерении по реализации совместных действий, направленных наснижение выбросов парниковых газов с Программой развития ООН.

Рациональноеиспользование природных ресурсов:

· Гидроэнергетика –самый экологически чистый источник энергии – обеспечивает практически 80 %энергетических потребностей />производства.

· Постоянноесотрудничество с населением регионов по вопросам экологической безопасности иучет общественного мнения.

алюминийпроизводство боксит сплав

Заключение

Российские алюминиевыесплавы прошли блистательный путь развития. Трудно себе представить, какой изконструкционных материалов может сейчас успешно конкурировать с алюминием. Неслучайно он является основой большинства конструкций в ведущих областях техники- в авиации, ракетах, атомной промышленности. Он применяется также встроительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами,электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевойпромышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Созданы алюминиевыесплавы с прочностью среднелегированной стали, криогенные сплавы высокойпластичности для температуры жидкого водорода, сверхлегкие алюминиевые сплавы слитием — все, что в 1950-х годах считалось невозможным, сталодействительностью. Новые сплавы рождались на базе теоретических открытий иобобщений, их применение становилось возможным после преодоления сложныхтехнологических трудностей и в жесткой борьбе с многочисленными оппонентами,призывающими использовать то, что хорошо проверено практикой, и не подвергатьсебя опасностям, связанным с освоением нового неизведанного материала.Накопленный опыт показывает, что только постоянный и мощный прогрессалюминиевых сплавов обеспечил важнейшим изделиям авиационной, ракетной иядерной техники лидирующее положение в мире.

Список литературы

1.  Алюминиевая промышленность мира//География. – 2001. — № 10. – С. 21.

2.  Ивановский Л. Е. Физическая химия иэлектрохимия хлоралюминиевых расплавов. – М.: Наука, 1993.

3.  Кац Я. Российский алюминий 2000//Рынок ценных бумаг.- 2000. — № 8. – С. 35.

4.  Козаренко А. Е. Апатит-нефелиновыеместорождения Хибин// География. 2001. — № 4. – С. 4.

5.  Ломако П. Крылатый металл// Правда. –1982. – 13 июня. – С. 6.

6.  Перспективы развития технологическихпроцессов глиноземного производства.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

7.  Проблемы производства алюминия,магния и электродных материалов.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

8.  Производство алюминия Литейноепроизводство. – 1992. — №9.- С. 84.

9.  Сухарев И. Р. Бокситы – глинозем –алюминий География. – 1998. — № 17. С. 6.

10.  Фридляндер И. Алюминиевые сплавы в авиаракетнойи ядерной технике Вестник Российской Академии наук. – 2004. – Т. 74. — № 12. –С.1076.

www.ronl.ru

Курсовая работа - Производство алюминия

Введение

Бываютпериоды, когда экономика страны совершает весьма резкие повороты по направлениюк принципиально новым технологиям, совершенно новым видам сырья и материалов ит. д. Такими поворотами были переориентация экономики с преимущественного использованиятвердого топлива на нефть и газ, программа ускоренной химизации народногохозяйства, широкая индустриализация промышленного и гражданского строительствана базе сборных конструкций… Явлениями того же порядка были освоениеполупроводниковой техники в радиоэлектронной промышленности, глубокоепроникновение электронно-вычислительных машин практически во все отраслиэкономики.

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

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

Строгоговоря, эти материалы известны. Просто сейчас они применяются в чрезвычайноскромных масштабах — в десятки, а возможно, и в тысячи раз более скромных, чембудут использоваться в XXIвеке и вообще в обозримой перспективе. Именно эти металлы и, конечно, их сплавыв третьем тысячелетии постепенно вытеснят традиционные, ныне широкораспространенные сталь и чугун. На чем основано по предположение? Наисключительно высоких технико-эксплуатационных свойствах этих металлов. Правда,чтобы резко расширить масштабы производства и сферу применения этих материалов,предстоит решить немало технических и организационных проблем, преодолетьнемало трудностей.

Цель курсовой работы: проанализировать теоретическуюлитературу по теме исследования, и выявить основные пути совершенствованияпроизводства алюминия.

Для достижения поставленной целинеобходимо решить следующие задачи:

1. Проанализироватьметодическую литературу по проблеме исследования.

2. Ознакомиться с историей производства алюминия в России.

3. Ознакомиться с основныминаправлениями применения алюминия.

4. Выявить новыетехнологии в производстве алюминия.

1.Производство алюминия в России

1.1Производство алюминия

Алюминий — химическийэлемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомнаямасса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высокихтемпературах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этогометалла самое важное — оксид Al2O3.

Алюминий — серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см3), пластичный,хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 oC.Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминийхимически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидомалюминия. Оксид алюминия (Al2O3) надежно предохраняетметалл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевуюфольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь воксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и сернойкислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной иконцентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действиина алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причемобразуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al2O3+ 2NaOH + 3h3O = 2Na[Al(OH)4]

Алюминий, лишенныйзащитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6h3O =2Al(OH)3 + 3h3

Образующийся гидроксидалюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH)3+ NaOH = Na[Al(OH)4]

Суммарное уравнениерастворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

2Al + 2NaOH+6h3O = 2Na[Al(OH)4] + 3h3.

Алюминий активновзаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 — белое,полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент послекислорода и кремния и первый среди металлов. Он входит в состав глин, полевыхшпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы,алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия — боксит содержит 28-60%глинозема — оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминийвпервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и являетсясамым распространенным металлом в природе.

Процесспроизводства первичного алюминия состоит из трех основных фаз. Сначалаосуществляется добыча необходимого сырья — бокситов, нефелинов и алунитов.Затем происходит химическая обработка руды, в результате которой получаетсяглинозем (А1203). Из глинозема электролитическим методомполучают собственно алюминий. Обычно для производства 1 т алюминия необходимопримерно 2 т глинозема. Количество бокситов, необходимое для того, чтобы витоге произвести тонну алюминия, сильно зависит от содержания в них оксидаалюминия. Так, западным компаниям обычно требуется 4—5 т бокситов, тогда какотечественного сырья может потребоваться около 7—8 т. Наиболее сложна иэнергоемка последняя фаза производства первичного алюминия. Современные заводыпри производстве тонны алюминия потребляют в среднем 1 3,5 МВт-ч электроэнергии2,средний расход анодной массы составляет 500-530 кг, используется такжедорогостоящий фтористый алюминий[1].

Основным сырьем для производстваалюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3.К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россиярасполагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большиеместорождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источникомалюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много />алюминия находится и в месторождениях Сибири.

/>Алюминийполучают из оксида />алюминия Al2O3 электролитическимметодом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым,поскольку из выплавленного />алюминия примеси удаляются сбольшим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкойприродного боксита.

Основное исходноевещество для производства алюминия — оксид />алюминия. Онне проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления(около 2050 oC), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизитьтемпературу плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такойспособ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили,что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите — минерале состава AlF3.3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около950 oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природенезначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенноудешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергаютрасплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксидаалюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3,плавится при 960 oC и обладает электропроводностью, плотностью ивязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Длядополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3,CaF2 и MgF2. Благодаря этому п Предприятия алюминиевойпромышленности России// География. – 2001. — № 10. – С. 9.роведение электролиза оказываетсявозможным при 950 oC.

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

При электролизе на катодевыделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий, обладающий большейплотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера, откуда егопериодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новыепорции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует суглеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

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

1.2 Запасыи производство бокситов и другого алюминиесодержащего сырья в России

В миреосновным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие от 32 до60% глинозема (оксид алюминия А1203). К важнымалюминиевым рудам относят также алуниты и нефелины.

Крупнейшиепроизводители промышленных бокситов — страны, в которых сосредоточены основныезапасы. Так, в 1998 г. в Австралии было добыто 45 млн. т, в Гвинее — 1 6,5 млн.т и в Бразилии — 1 2,5 млн. т, что составило 59% от мировой добычи (около 1 25 млн.т).

Помировым меркам, Россия обладает незначительными запасами промышленных бокситов— около 400 млн. т, что составляет менее 0,7% мировых запасов. При этомбольшинство отечественных месторождений на сегодняшний день уже в значительнойстепени выработаны. Кроме того, российские месторождения содержат в основном небокситы, а нефелины, а они — худшее сырье для производства глинозема. Да изначительная часть запасов российских бокситов со сравнительно небольшимсодержанием алюминия, по западным меркам, не относится к категориипромышленных.

Крупнейшийпроизводитель алюминиесодержащего сырья в России — Северо-Уральские бокситовыерудники. Они до последнего времени обеспечивали Россию лучшим сырьем придостаточно высоком уровне добычи. Основные запасы рудников находятся в районеСевероуральска на глубине более полукилометра. В настоящее время старые шахтыпрактически выработаны. Бокситы добываются с глубины 700—800 м и имеют оченьвысокую себестоимость.

Близки кисчерпанию и месторождения Южно-Уральской и Тихвинской групп.

Ввидуслабости собственной сырьевой базы российские производители алюминия взначительной мере ориентируются на привозной глинозем. Но уповать настабильность поставок глинозема из-за рубежа не приходится. Традиционныепоставщики глинозема в Россию — Украина и Казахстан — намерены расширять собственныепроизводства алюминия и, следовательно, у них будет меньше «свободного» сырьядля экспорта в Россию. Аналогичная ситуация и в дальнем зарубежье: Австралия,крупнейший в мире экспортер бокситов, тоже постепенно увеличивает собственноепроизводство алюминия, сокращая тем самым возможности поставки сырья на мировойрынок.

Вусловиях, когда растущий экспорт алюминия из России вызывает недовольствозападных конкурентов, некоторые из них могут предпринять (и предпринимают)меры, направленные на сокращение производства на российских заводах. Они, вчастности, могут воздействовать на российских производителей путем ограниченияэкспорта сырья в Россию. Осуществить такое ограничение вполне реально, имея ввиду, что рынок глинозема весьма высоко монополизирован. Одна толькоамериканская корпорация Alcoaпроизводит почти 13 млн. т глинозема (четверть мирового выпуска), аконтролирует чуть ли не половину. В условиях, когда российская алюминиеваяпромышленность импортирует почти 2/3 необходимого ей сырья, проблема ресурсозависимостистановится чрезвычайно важной.

Одним изрешений задачи обеспечения ресурсами российских производителей алюминияявляется разработка новых отечественных месторождений. Наиболее перспективно насегодняшний день Средне-Тиманское месторождение низкокачественных бокситов вРеспублике Коми. Общие запасы на Тимане, по различным оценкам, составляют от260 до 360 млн. т. Одним из достоинств месторождения является то, что егоразработку можно вести открытым способом, а это снижает себестоимость добычи на15 20% по сравнению с шахтными разработками. Главным препятствием для освоенияместорождения является полное отсутствие инфраструктуры. Так, кромеобустройства самого рудника, необходимо построить авто- и железную дороги. Внастоящее время главными сторонниками освоения Тимана являются руководителиСвердловской обл., где находятся основные потребители бокситов (Богословский иУральский алюминиевые заводы с суммарным годовым выпуском в 230 тыс. талюминия), и Республики Коми, на территории которой расположено месторождение.По их мнению, ввод в строй только первой очереди нового рудника позволитдобывать 3 млн. т бокситов в год, которых заводам хватит для производства 1,2 млн.т глинозема (600 тыс. т алюминия).

Междутем очевидно, что разработка одного Средне-Тиманского месторождения не решитпроблему обеспечения отечественным глиноземом I всех российских производителей. Ныне в России добываетсяоколо 8,5 млн. т бокситов и нефелинов в год, что обеспечивает производствооколо 2,4 млн. т глинозема. Для выпуска 3 млн. т алюминия необходимо обеспечитьдобычу еще по меньшей мере 1 2 млн. т промышленных бокситов, а также построитьсоответствующие производства глинозема. Таким образом, в ближайшее время импортбокситов и глинозема неизбежен[2].

1.3История развитие производства алюминия в России

Промышленное производствоалюминия в России началось вначале 30х годов XX века. Для организации промышленного производства алюминия требовалосьсырье и дешевая электроэнергия. В то время в России было известно лишьТихвинское месторождение бокситов. В 1928 — 1930 годы в Санкт-Петербурге былипроведены исследования по отработке технологии переработки этих бокситов наглинозем и по выбору оптимальной конструкции электролизера для первыхалюминиевых заводов. Результаты этих работ были заложены в основу дляпроектирования Волховского алюминиевого завода.

Важнейшее значение дляорганизации отечественного производства алюминия имело принятие и реализацияплана ГОЭЛРО, что позволило обеспечить дешевой электроэнергией строящиесязаводы. В 1931г. образованы отраслевой институт алюминиевой и магниевойпромышленности (ВАМИ) и в последующие годы Всероссийского института легкихсплавов (ВИЛС).

Первая промышленнаяпартия алюминия была получена на Волховском алюминиевом заводе 14 мая 1932 г.Этот день считается днем рождения алюминиевой промышленности России.

В 1933г. был пущен вэксплуатацию Днепровский алюминиевый завод на Украине.

В 1938г. на базеТихвинского месторождения бокситов построен Бокситогорский глиноземный завод.

В 1931г. на Урале былиоткрыты месторождения бокситов в совокупности образующих Северо-Уральскийбокситовый район, который в дальнейшем стал сырьевой базой алюминиевой промышленностиУрала.

В 1939г. состоялся пускУральского алюминиевого завода мощностью 70 тыс. т глинозема и 25 тыс. талюминия.

В годы ВеликойОтечественной войны, для обеспечения возросших потребностей обороннойпромышленности, было принято решение об увеличении мощностей по производствуалюминия на Уральском заводе, а также о строительстве Богословского иНовокузнецкого алюминиевых заводов.

В июле 1942 г. мощностиУральского завода по производству алюминия были увеличены в два раза.

7 января 1943 г. страна получилапервый сибирский алюминий на Новокузнецком алюминиевом заводе.

Первый глинозем наБогословском заводе получен 3 мая 1943г., в 1944г. начал выдавать продукциюКаменск — Уральский металлургический завод, а в день Победы — 9 мая 1945г.,Богословский завод выплавил свой первый алюминий.

В послевоенный периодалюминиевая промышленность России продолжала интенсивно развиваться за счетввода новых и расширения действующих мощностей.

В пятидесятые годывведены в эксплуатацию: Кандалакшский, Надвоицкий и Волгоградский алюминиевыезаводы, Белокалитвинское металлургическое производственное объединение иСамарский металлургический завод, специализирующиеся на выпуске полуфабрикатовиз алюминиевых сплавов, а так же Пикалевский глиноземный завод – комплексное предприятиепо переработке Кольских нефелиновых концентратов.

В шестидесятые исемидесятые годы в непосредственной близости от источников дешевойэлектроэнергии, крупнейших ГЭС, были построены Иркутский, Красноярский иБратский алюминиевые заводы.

В этот же период быливведены в эксплуатацию Красноярский металлургический завод, Павлодарскийалюминиевый завод, Ачинский глиноземный комбинат и «Дмитровский опытный заводалюминиевой консервной ленты».

В 1983г. и в 1985г.вступили в строй Николаевский глиноземный и Саянский алюминиевые заводы,оснащенные современными технологиями и оборудованием.

В 1995г. начал выдаватьпродукцию завод «Саянская фольга».

В настоящее времяалюминиевая промышленность России является крупнейшим в мире производителем иэкспортером алюминия.

В 1996г. в отраслиначались структурные преобразования по созданию интегрированных компаний.

В настоящее время вотрасли действуют три алюминиевые компании: «РУСАЛ – Управляющая компания», «СУАЛ– холдинг» и Алко Россия[3].

2. Совершенствованиепроцесса производства алюминия

В последниегоды многие аналитики сферы />производства легкихметаллов и сплавов пророчат России звание «алюминиевой сверхдержавы»:современные тенденции на мировом рынке ведут к повышенному спросу на российскийметалл. У отечественных предприятий действительно есть реальный шанс выйти влидеры мировой алюминиевой промышленности — при условии, что будет решен вопроссырья и модернизированы производственные линии.

Если с первойпроблемой справиться пока сложно (хотя слияние СУАЛа и РУСАЛа открываетопределенные перспективы), то в отношении />совершенствованияпроизводства российские предприятия идут вперед ударными темпами. Помимоисследовательских и конструкторских подразделений крупных заводов, в странедействуют целые научные центры, такие как ОАО «СибВАМИ», которые занимаютсяразработкой новейших методик в области />производствапервичного и вторичного />алюминия и его сплавов.

Модернизацияпроизводственных линий и увеличение производительности многих отечественныхпредприятий стали возможными благодаря разработкам Сибирскогонаучно-исследовательского, конструкторского и проектного института алюминиевойи электродной промышленности (СибВАМИ). За последние несколько лет этаорганизация разработала и успешно внедрила несколько уникальных технологий,способствующих повышению эффективности производства алюминия не только вРоссии, но и за рубежом.

К числуразработок СибВАМИ относятся новая технология производства анодной массыметодом сухого смешивания и брикетирования, создание автоматическихплавильно-литейных комплексов, а также ряд методик по переработке первичногоалюминия. Некоторые инновации института стали поистине революционными дляроссийских предприятий.

По данныманалитиков компании РУСАЛ, около 80% российского алюминия производится спомощью электролизеров Содерберга с самообжигающимися анодами. ТехнологияСодерберга была предложена в 1920-х годах норвежскими исследователями и былапринята российскими металлургами как более экономичная и эффективная методикапо сравнению с используемой ранее системой Холла-Эру. Самообжигающиеся анодыпозволили снизить себестоимость алюминия на 5,2% и практически исключить«человеческий фактор» в процессе электролиза. Однако растущий спрос на www.alfametal.ru/?id=shop&idmetal=2алюминийи необходимость увеличить объемы производства выявили недостаткисамообжигающихся анодов. Расход электроэнергии и углерода в установкахСодерберга довольно высок, как и уровень выделения вредных веществ припроизводстве. Впрочем, приверженцы данной технологии (а это довольно широкийкруг отечественных и зарубежных предприятий) отмечают высокий потенциалсамообжигающихся анодов при усовершенствовании отдельных ее элементов. Поэтомумодернизация отечественных алюминиевых предприятий касается, в основном,снижения энергозатрат, решения экологических проблем и повышенияпроизводительности установок Содерберга.

Совершенствованиетехнологии Содерберга ведется сразу в нескольких российских компаниях.Например, лидер отечественной алюминиевой промышленности компания РУСАЛ(которая входит в так называемый «клуб Содерберга», объединяющий крупнейшиезаводы мира) с 2004 года реализует программу модернизации производства за счетвнедрения новых моделей электролизеров (РА-300 и РА-400). Эти агрегатыпозволяют освоить технологию «сухого» анода и относятся к числу «зеленых»инноваций: их установка на заводе в Хакасии позволила на 50% уменьшить выбросвредных веществ. Новые электролизеры значительно повлияли и на продуктивностьзавода: в среднем линия РА-300 производит до 2412 кг алюминия в сутки(показатели РА-400 немного выше). Руководство РУСАЛ отмечает, что благодарявнедрению новых технологий в области самообжигающихся анодов производительностьзавода в ближайшие пять лет может заметно возрасти.

В рамкахпрограммы по модернизации в некоторых российских предприятиях широко внедряетсяеще одна технология — обожженные аноды — ставшая для отечественных металлурговнеплохой перспективой развития производства. Концепция обожженных анодов былапринята в качестве основной руководством холдинга СУАЛ: переход на новуютехнологию полным ходом идет на заводе «ИркАЗ», одном из самых крупных заводовкомпании. По мнению специалистов СУАЛ, обожженные аноды, хоть и дорогая, ноболее эффективная технология по сравнению с электролизерами Содерберга: при ееиспользовании загрязнение атмосферы сводится к минимуму, а производительностьпредприятия значительно повышается.

Экспериментальныелинии электролизеров с обожженными анодами были установлены в цехах Уральскогоалюминиевого завода группы СУАЛ. Первые несколько месяцев испытаний показаливысокие результаты по эффективности и экологической безопасности — технологияобожженных анодов легла в основу нового проекта СУАЛ по вводу в эксплуатациюновейшей модернизированной линии электролизеров «ИркАЗ-5». По расчетаманалитиков, инвестированные в этот довольно амбициозный проект 400 миллионовдолларов должны окупиться в течение нескольких лет после запуска линии: еетеоретическая мощность составляет около 166,5 тысяч тонн алюминия в год — этопочти две трети нынешних объемов производства.

Новыетехнологии производства алюминия в России — это шаг в будущее, шаг к завоеваниюабсолютного превосходства на мировом рынке «самолетного металла»[4].

2.2 Основныенаправления применения алюминия

/>

Алюминий – один изнаиболее легких конструкционных металлов. Плотность />алюминияпримерно в три раза меньше, чем у железа, меди или цинка. Как легкий,коррозионно-стойкий, обладающий высокой электропроводностью и легкорегенерируемый металл он играет важную роль в социальном прогрессе.

Сплавы, получаемые из />алюминия наряду с низкой плотностью, отличаются высокойпрочностью и другими важными механическими свойствами. Легкость обработкипозволяет использовать их для />производства различныхизделий. Конструкции из />алюминия требуют более низкихзатрат в течение длительного, практически неограниченного срока службы,сохраняют свои качества при низких температурах и обладают достаточнойогнестойкостью.

Сплавы, повышающие прочность и другиесвойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, какмедь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названиянемецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплавалюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn:0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Являетсяконструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин — легкие литейные сплавы алюминия(основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами:Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главнымобразом в авто- и авиастроении.

Магналии — сплавы алюминия (основа) с магнием(Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью,хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки(литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемыемагналии).

Основные достоинства всехсплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3),высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкостьпротив атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения иобработка.

Алюминиевые сплавыприменяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, впроизводстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отрасляхпромышленности.

По широте применениясплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий — одна изнаиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана,никеля, цинка, железа.

Алюминий применяется идля алитирования (алюминирования) — насыщения поверхности стальных или чугунныхизделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильномнагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 oC) исопротивления атмосферной коррозии.

Сегодня он являетсяважнейшим конструкционным материалом для изготовления и модернизации продукциисовременного общества.

Технический прогресс и конкурентоспособностьпродукции в таких отраслях, как, транспортное машиностроение, электротехника,строительство и пищевая промышленность, а также в />производствепотребительских товаров длительного пользования и различного оборудования невозможенбез использования />алюминия.

Основным потребителем />алюминия является пищевая промышленность, где ониспользуется в виде фольги и др. материалов для упаковки продуктов питания инапитков.

Непрерывный рост использования/>алюминия в транспортном секторе и, прежде всего в />производстве автомобилей, а также в сооружении грузовыхсудов, железнодорожных вагонов и скоростных поездов, снижает расход топлива ивредные выбросы в атмосферу. />Алюминий продолжаетоставаться важнейшим компонентом конструкции самолетов, как военного, так икоммерческого назначения.

В строительном секторе,наряду с традиционными направлениями его применения в />производствеокон, дверей, несущих конструкций и в наружной отделке, расширяетсяиспользование эффективных модульных компонентов, изготовленных с использованиемпанелей на основе />алюминия.

Благодаря непрерывномутехническому прогрессу в вопросах />совершенствования технологий/>производства изделий из />/>алюминия, созданию новых, упрочненных алюминием,композитных материалов с заранее определенными свойствами сферы использованияалюминия постоянно расширяться.

Исключительно высокаярегенерационная способность и уникальные качества алюминия, сохраняющиеся приего извлечении из ломов и отходов, позволяют многократно использовать его дляпроизводства различных изделий. Применение вторичного алюминия позволяетэкономить до 95% энергии по сравнению с энергией необходимой для производствапервичного алюминия.

Алюминиеваяпромышленность России, по мере подъема экономики страны будет играть важную ивсе более возрастающую роль в обеспечении конкурентоспособности национальнойпродукции на мировом рынке.

Применениеалюминия весьма эффективно в тепличном хозяйстве. Оно позволяет перевестистроительство теплиц на поточную основу. При этом конструкции получаются довольнолегкими, что облегчает труд рабочих, позволяет увеличить пролеты между опорами.Последнее очень важно с точки зрения механизации работ в теплицах. Прочностьалюминия при низких температурах делает его незаменимым в условиях КрайнегоСевера, Сибири. Зимой в таких теплицах экономится более 20 процентов тепла, до5 раз сокращается бой стекла (а это миллионы квадратных метров). Благодарявысокой отражательной способности алюминия по сравнению с оцинкованной стальюалюминиевые теплицы отличаются лучшей освещенностью. При сооружении перекрытийзданий со свободным расположением опор, например, выставочных залов свободной,«неправильной'», планировки, очень удобны пространственные решетчатые плиты изалюминиевых сплавов. Примером может служить структурная конструкция надконцертным залом в городе Сочи. Она имеет вид неправильного шестиугольникаплощадью 4370 квадратных метров. Площадь покрытия над прилегающим к залу фойе —1300 квадратных метров. Эти огромные сооружения не производят впечатлениячего-то громоздкого и тяжелого, они создают ощущение парения над опорами.Конструкции действительно очень легки. Не случайно некоторые части покрытиявыступают за опоры на расстояние до 15 метров. Высота решетчатой конструкции —2,45 метра, основной ее элемент — трубы, соединенные сваркой в трехгранные пирамиды,которые при монтаже соединяли высокопрочными болтами[5].

2.3Алюминиевые сплавы в авиаракетной и ядерной технике

Историяалюминиевых авиационных сплавов ведет начало с 1911 г., когда в ГерманииАльфред Вильм установил, что если алюминиевый сплав, содержащий 4% меди и 0.5%магния, закалить и оставить вылеживаться на воздухе, его прочность существенноповысится. Этот процесс получил название «старения», хотя было быправильнее назвать его «возмужанием».

Как быловыяснено в дальнейшем, при старении атомы меди группируются в мельчайшие зоны,число которых — миллионы. Атомы меди имеют меньший диаметр, чем атомы алюминия,поэтому возникает напряжение сжатия и прочность повышается. Сплав Вильма,который впервые был освоен в Германии на заводах «Дюрал-металлверке»,получил название «дуралюмин». Впоследствии американцы, повысивсодержание в нем магния до 1.5%, создали очень хороший сплав 2024. И поныне оншироко применяется в разных модификациях.

Еще вгоды Второй мировой войны мы смогли детально ознакомиться со сплавом 2024. Вконце войны на советский Дальний Восток залетели американские бомбардировщикиБ-29, подбитые японцами. В то время Россия были союзниками США, но Сталин,ничего не сообщив США, издал распоряжение: точно воспроизвести Б-29, любоеизменение могло вноситься лишь с его разрешения. Один самолет был разделен наотдельные узлы в конструкторских бюро Ильюшина и Туполева, а во Всесоюзноминституте авиационных материалов (ВИАМ) изучили свойства и структуру сплава2024, составили технические условия его производства, отвечающие американскимтребованиям.

Трудностейс воспроизведением самолета Б-29 было очень много, особенно с получением плитдлиной 30 м для крыльев. Дело в том, что большие плоские слитки, отливаемыенепрерывным методом с резким охлаждением водой, в процессе литья иногдаразрывались от термических напряжений, и куски весом в несколько соткилограммов разлетались на много метров. Литье слитков все же было освоено,производство налажено. Советские металлурги и конструкторы сумели в короткиесроки изготовить 850 самолетов Ту-4, полностью копировавших Б-29 и получившихназвание летающие крепости. Такие темпы в начале XXI в. не достижимы в России.

НаСемипалатинском полигоне с одного из этих самолетов в 1949 г. была сброшенаатомная бомба, положившая конец ядерной монополии США.

Пикирующийбомбардировщик Ту-16. Былоизвестно, что если ввести в алюминиевый сплав цинк, то есть базироваться начетверной системе «алюминий-цинк-магний-медь», то можно существенно улучшитьсвойства сплава. В своей докторской диссертации академик И. Н. Фридляндер изучилчетверную систему «алюминий-цинк-магний-медь» и установил ее фундаментальныезакономерности. При определенном соотношении цинка и магния увеличениесодержания меди в сплаве приводило к тому, что одновременно повышалисьпрочность, пластичность, коррозионная стойкость и вязкость разрушения. Вот наэтом основании российские ученые смогли создать группу очень хорошихвысокопрочных алюминиевых сплавов В95, В96цЗ и особо прочный В96ц.

Всесамолеты КБ Туполева делались из сплава В95, в том числе стратегическийбомбардировщик Ту-95 (1955). И современные самолеты — Ту-204, Ту-334 — изготавливают тоже из сплавов В95 и 1163. Исключение составляет самолет Ту-160.У этого самолета единственная задача: перелететь через океан, сбросить ядернуюбомбу и удирать с максимальной скоростью. Скорость его полета 2200 км/час. Притакой сверхзвуковой скорости обшивка самолета нагревается до 120-140 °С,поэтому для него рекомендован жаропрочный сплав АК4-1.

Антей. В 1950-х годах возникла проблемасоздания мощного военно-транспортного самолета Ан-22 («Антей»). Всеего силовые узлы должны были делаться в виде больших штамповок. Обычноштамповки закаливают в холодную воду, что обеспечивает высокую скоростьохлаждения и высокую прочность. Но для очень больших штамповок«Антея» поводки оказывались таких размеров, что эти штамповкиневозможно было механически обрабатывать. Требовался сплав, который при закалкев горячую воду уменьшил бы скорости охлаждения и поводок, не теряя прочности.Мы создали такой высокопрочный оригинальный сплав В93 и из него сделали всебольшие штамповки и детали.

Силовойкаркас из сплава В93 демонстрировался на авиасалоне в Ле Бурже в 1965 г. Вкачестве легирующей добавки в нем, вместо традиционно применяемых циркония илимарганца, мы использовали обычно ограничиваемое железо, что и позволилоосуществлять закалку в горячую воду. Что касается «Антея», то онпрошел несколько необычных испытаний — полеты в Афганистан, Прагу, Будапешт сгрузом порядка 100 т.

Поаналогии с Ан-22 построены современные транспортные самолеты Мрия и«Руслан». Они также сделаны из сплава В93. Максимальная их нагрузка200 т, при которой они могут совершать полеты на расстояние до 4500 км.«Мрия» и «Руслан» — ныне монопольные перевозчики грузов намежконтинентальные расстояния, недавно они перевозили из Европы в Австралиюблок атомной электростанции.

ИстребителиМиГ-23. В 1973 г. были запущеныв серию изготовленные из сплава В95 мощные истребители МиГ-23. Но прииспытаниях в двух летных школах произошли отрывы крыльев. Правительственнаякомиссия во главе с генерал-полковником авиации И.И. Пстыгой обратила вниманиеразработчиков на большие перегрузки, которые испытывает самолет при крутыхвиражах в боевых условиях. В ходе испытаний, проведенных в Центральномаэрогидродинамическом институте, удалось установить, что вредные примеси железаи кремния сильно снижают конструктивную прочность крыльев. Учитывая это, былсоздан сплав В95 повышенной чистоты — В95пч. Его применение обеспечилонадежность истребителей. Всего выпущено 16 тыс. МиГ-23 из сплава В95пч,катастроф не было. В истребителе пятого поколения фирмы КБ Сухогопредполагается использовать наш сверхпрочный сплав В96цЗ. Этот истребительбудет не хуже американского истребителя пятого поколения.

Гидросамолетыи аэробусы. Очень модныйсейчас гидросамолет Бе-200 фирмы Г.М. Бериева, предназначенный для тушенияпожаров, построен целиком из нашего алюминиево-литиевого сплава 1441. В Россииимеются международные патенты и соглашения о покупке лицензий на этот сплав вАнглии и США.

Первымивысказали желание приобрести Бе-200 китайцы. Но после недавних лесных пожаров вЕвропе и Австралии круг заказчиков значительно расширился. Именно это иподвигло Европейскую авиационную фирму (EADS) приобщиться к продвижению самолета на мировой рынок,сулящему неплохие дивиденды. Реальный рынок Бе-200 оценивается в 7 млрд. долл.

В 2006г. должен войти в эксплуатацию европейский аэробус А-380, вмещающий 555человек. Фирма «Эрбас» имеет уже 135 заказов на аэробус VIP-класса с водным бассейном,теннисными площадками, отдельными каютами для пассажиров. В этом самолетешироко применены наши сплавы, в частности узел крепления крыла к центропланусделан из сплава 1933 на Самарском металлургическом заводе.

Споявлением такого самолета приходит конец концепции безопасной повреждаемости.Сейчас европейцы работают над тем, чтобы не допустить появление трещин вконструкции самолета. С этой целью фюзеляж делается не из обычных алюминиевыхсплавов, а из многослойных сплавов типа ГЛЕР или наш СИАЛ, то есть берутсятонкие алюминиевые листы, между которыми прокладывается стеклоткань. В этомслучае трещины не растут.

Сверхскоростныеатомные центрифуги. ТолькоСССР и Россия овладели чрезвычайно эффективной центрифужной технологиейобогащения урана-235. США по-прежнему обогащают уран по энергоемкойтермодиффузионной технологии. Отечественные центрифуги сделаны из нашего самогопрочного в мире сплава В96ц. В Новоуральске, раньше совершенно закрытом городе,крутятся многие сотни тысяч сверхскоростных атомных центрифуг, а по всей России- миллионы.

Ракета-носитель«Энергия». В.П.Глушко и Ю.П. Семенов доложили в свое время Политбюро ЦК КПСС, что готовысоздать ракету, которая может конкурировать с американскими шаттлами. Ракетаработает на жидком водороде и жидком кислороде. Центральный ее бак, заполненныйжидким водородом, имеет диаметр 8 м, высоту 40 м, вокруг него размещены четыребака с жидким кислородом. Для этих баков потребовался сплав, который припонижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия нетолько не охрупчивался бы, как это происходит со сталью, а наоборот, упрочнялсяи одновременно повышалась бы его пластичность. Вот такой сплав был создан.Сплав 1201 системы «алюминий-медь-марганец» в результате понижениятемпературы упрочняется на 60%, одновременно повышается его пластичность.

Присоздании ракеты были очень большие дискуссии, потому что некоторые институтыМинистерства общего машиностроения считали, что надо строить эти ракеты изменее прочного, но хорошо проверенного надежного сплава АМг6 -системы«алюминий-магний», а со сплавом 1201 мы провалимся. Действительно,трудностей было много, все они преодолены, и такие ракеты строятся только изсплава 1201.

Энергия"вывела в космос орбитальный самолет «Буран», а уже в наши дни изсплава 1201 создаются на заводе им. М.В. Хруничева ракеты для отправки людей игрузов на международную космическую станцию[6].

2.4 Экологические мерыбезопасности в производстве алюминия

Экологический факториграет огромную роль в производстве алюминия. Приведем в качестве примера экологическуюполитику Объединенной компании РУСАЛ. Первая в мире по объемам />производства и глинозема, Объединенная компания РУСАЛстремится занять лидирующие позиции также в области экологии, охраны труда ипромышленной безопасности, использовать новые подходы в реализации социальных иблаготворительных программ. Осуществляя свою деятельность на 5 континентах в 19странах мира, она, как глобальная компания, видит свою миссию в том, чтобыустойчивое развитие бизнеса способствовало социально-экономическому процветаниюрегионов и стран. РУСАЛ стремится стать компанией, которой гордятся сотрудникии их дети, население стран и регионов, где расположены предприятия.

Устойчивое развитиетребует продуманной системы мероприятий, охватывающей все области деятельностикомпании. В ее основе – ответственность перед партнерами, клиентами,сотрудниками и населением стран присутствия, повышенное внимание к экологии,серьезные инвестиции в развитие новых технологий, постоянное />совершенствованиепроизводственных процессов.

Объединенная компанияуспешно реализует комплекс программ, направленных на эффективную защитуокружающей среды, улучшение условий труда, повышение благополучия сотрудников иих семей, создание условий для социально-экономического развития регионов.Конструктивный диалог бизнеса и общества является гарантией социальнойстабильности, без которой невозможно долгосрочное и успешное развитие бизнеса.

Компания практикуеткорпоративную социальную отчетность – предоставление общественности подробнойинформации о результатах реализации проектов и инициатив, нацеленных наразвитие компании как социально-ответственной, динамично развивающейсятранснациональной корпорации.

В соответствии с концепциейустойчивого развития, а также принятой в 2007 году в рамках инициативы ОК РУСАЛпо минимизации риска климатических изменений “Стратегией безопасного будущего”,компания продолжает внедрять инновационные технологии XXI века и активноиспользовать экологически чистые источники энергии.

Ответственный бизнесобязан заботиться об охране окружающей среды, и такой подход базируется на трехключевых принципах:

1.  экологический прогресс обязателен иреален;

2.  основа такого прогресса – инвестициив инновации;

3.  необходимо поддерживать международныеи национальные экологические инициативы.

Принятая ОК РУСАЛэкологическая стратегия всесторонне учитывает сложность поставленных задач иопределяет основные направления деятельности.

Соответствиеэкологическому законодательству и современным стандартам:

· Все действующиеалюминиевые и 70% глиноземных заводов Компании сертифицированы по стандарту ISO14001 (экологический менеджмент).

· Создаетсякорпоративная система интегрированного менеджмента для управления экологическимиаспектами и рисками.

· ОК РУСАЛ впервыев России начала проводить замеры выбросов перфторуглеродов (один из газов,влияющих на возникновение парникового эффекта).

Внедрение новыхтехнологий, соответствующих современным мировым стандартам:

· Ежегодно OК РУСАЛинвестирует в научно-исследовательскую деятельность $100 млн. В последующие тригода общий объем инвестиций в строительство и модернизацию производственныхмощностей составит более $10 млрд.

· Ведутсяразработка и внедрение собственных энергосберегающих производственныхтехнологий РА-300, РА-400, РА-500.

· Продолжается />совершенствование технологии Содерберга.

· Начато созданиеэлектролизера с вертикальными инертными электродами.

· Идут испытанияновой технологии с обожженными анодами, работающей на высокой плотности тока.

Внедрение экологическибезопасных технологий и модернизация заводов позволит сократить к 2015 годуколичество выбросов парниковых газов в атмосферу в 1,5 раза.

Принятие обдуманныхмасштабных решений по экологическим вопросам:

· Созданиепартнерства «Национальное углеродное соглашение».

· Принятиедобровольных целей по снижению эмиссии парниковых газов.

· Принятие 10принципов Глобального договора

· Принятиедобровольных целей Международного института />алюминия вобласти устойчивого развития.

· Стремление ксоответствию международным требованиям Стокгольмской конвенции по стойкиморганическим соединениям.

· Соблюдение«Хартии российского бизнеса» РСПП

· Минимизацияклиматических изменений в соответствии с положениями Киотского протокола.

· ПодписаниеМеморандума о намерении по реализации совместных действий, направленных наснижение выбросов парниковых газов с Программой развития ООН.

Рациональноеиспользование природных ресурсов:

· Гидроэнергетика –самый экологически чистый источник энергии – обеспечивает практически 80 %энергетических потребностей />производства.

· Постоянноесотрудничество с населением регионов по вопросам экологической безопасности иучет общественного мнения.

алюминийпроизводство боксит сплав

Заключение

Российские алюминиевыесплавы прошли блистательный путь развития. Трудно себе представить, какой изконструкционных материалов может сейчас успешно конкурировать с алюминием. Неслучайно он является основой большинства конструкций в ведущих областях техники- в авиации, ракетах, атомной промышленности. Он применяется также встроительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами,электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевойпромышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Созданы алюминиевыесплавы с прочностью среднелегированной стали, криогенные сплавы высокойпластичности для температуры жидкого водорода, сверхлегкие алюминиевые сплавы слитием — все, что в 1950-х годах считалось невозможным, сталодействительностью. Новые сплавы рождались на базе теоретических открытий иобобщений, их применение становилось возможным после преодоления сложныхтехнологических трудностей и в жесткой борьбе с многочисленными оппонентами,призывающими использовать то, что хорошо проверено практикой, и не подвергатьсебя опасностям, связанным с освоением нового неизведанного материала.Накопленный опыт показывает, что только постоянный и мощный прогрессалюминиевых сплавов обеспечил важнейшим изделиям авиационной, ракетной иядерной техники лидирующее положение в мире.

Список литературы

1.  Алюминиевая промышленность мира//География. – 2001. — № 10. – С. 21.

2.  Ивановский Л. Е. Физическая химия иэлектрохимия хлоралюминиевых расплавов. – М.: Наука, 1993.

3.  Кац Я. Российский алюминий 2000//Рынок ценных бумаг.- 2000. — № 8. – С. 35.

4.  Козаренко А. Е. Апатит-нефелиновыеместорождения Хибин// География. 2001. — № 4. – С. 4.

5.  Ломако П. Крылатый металл// Правда. –1982. – 13 июня. – С. 6.

6.  Перспективы развития технологическихпроцессов глиноземного производства.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

7.  Проблемы производства алюминия,магния и электродных материалов.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

8.  Производство алюминия Литейноепроизводство. – 1992. — №9.- С. 84.

9.  Сухарев И. Р. Бокситы – глинозем –алюминий География. – 1998. — № 17. С. 6.

10.  Фридляндер И. Алюминиевые сплавы в авиаракетнойи ядерной технике Вестник Российской Академии наук. – 2004. – Т. 74. — № 12. –С.1076.

www.ronl.ru

Реферат - Производство алюминия цветных металлов 3

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Биохимия и минералогия алюминия

1.2 Виды алюминиевых руд, их генезы и состав

2. СПЕЦ. ЧАСТЬ

2.1 Производство криолита из угольной пены

2.2 Химический состав угольной пены

2.3 Назначение смешанного вторичного криолита

3. КПВО

3.1 Отчерпывание электролита из электролизеров в урны

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Основные направления, повышения эффективности производства

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

5.1 Санитарно-гигиенические характеристики условий труда

5.2 Электробезопасность

5.3 Техника безопасности при обслуживании электролизеров

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Схема. Получения криолита флотацией угольной пены

6.2 Схема. Механическая флотационная машина

ЛИТЕРАТУРА

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на территории России находятся несколько заводов по производству первичного алюминия, часть из них объединены в крупные алюминиевые корпорации. Крупнейшая компания – «РУСАЛ», в состав которой входят Братский (БрАЗ), Саяногорский (САЗ, оснащённый электролизёрами с предварительно обожжёнными анодами (ОА)), Красноярский (КрАЗ), Новокузнецкий (НкАЗ) алюминиевые заводы, а также Ачинский глинозёмный комбинат, ряд заводов по производству изделий из алюминия и др. «РУСАЛ» входит в тройку крупнейших производителей алюминия в мире.

Второй по величине алюминиевой компанией России является ОАО «СУАЛ», включающее в себя Иркутский (ИркАЗ), Уральский (УАЗ), Богословский (БАЗ), Кандалакшский (КАЗ), Волгоградский (ВгАЗ), Надвоицкий (НАЗ) алюминиевые заводы, Полевский криолитовый завод, научно-исследовательский и проектный институт «СибВАМИ» и др. Эта компания занимает 2 место в нашей стране по производству алюминия и 1 место – по производству глинозёма.

Россия по-прежнему сохраняет ведущие позиции в мировом производстве и экспорте первичного алюминия. Однако для российской алюминиевой промышленности характерна зависимость от рынка глинозёма – основного сырьевого материала.

1.1 Биохимия и минералогия алюминия

Алюминий — самый распространенный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5-6,6 мол. доли % или 8 масс. %. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al2 O3. 2SiO2. 2h3 O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al2 O3. xh3 O и минералы корунд Al2 O3 и криолит AlF3. 3NaF.

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al2 O3 в расплавленном криолите. Al2 O3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al2 O3 около 2050о С, а криолита — 1100о С. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al2 O3, содержащую около 10 масс % Al2 O3, которая плавится при 960о С и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF3, CaF2 и MgF2 проведение электролиза оказывается возможным при 950о С.

В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный — 0,126 нм, условный радиус иона Al3+ — 0,057 нм. Энергия ионизации Al — Al+ 5,99 эВ.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3.Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d -подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl4-, Alh5-, алюмосиликаты), но и 6 (Al2 O3 ,[Al(Oh3 )6 ]3+ ).

В виде простого вещества алюминий — серебристо-белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7 г/см3 (т.пл. 660о С, т. кип. ~2500о С). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO3, K2 Cr2 O7 ) или анодным окислением толщина защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминия позволяет изготавливать из него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной кислоты.

Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.

Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью. Важнейшие из них — дюралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумин (85 — 90% Al, 10 — 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с йодом — при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:

2Al + 6h3 O = 2Al(OH)3 + 3h3 ­

Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и h3SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется.

Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na2 CO3 .

В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.

Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al2 O3 ), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.

Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в частности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь (“термит”) состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe3 O4. Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO2. Основная реакция идет по уравнению:

8Al + 3Fe3 O4 = 4Al2 O3 + 9Fe + 3350 кДж

Причем развивается температура около 3000о С.

Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050о С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al2 O3 (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al2 O3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.

Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al2 O3, получаемым сплавлением боксита (техническое название — алунд).

Прозрачные окрашенные кристаллы корунда — красный рубин — примесь хрома — и синий сапфир — примесь титана и железа — драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2 O3, применяют в качестве квантовых генераторов — лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

Al(OH)3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке Nh5 OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида — алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4 ]

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al2 O3 с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO2. Большинство из них в воде нерастворимо.

С кислотами Al(OH)3 образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

В водной среде анион Al3+ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:

[Al(Oh3 )6 ]3+ + h3 O = [Al(OH)(Oh3 )5 ]2+ + Oh4+

Константа его диссоциации равна 1. 10-5, т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al3+ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.

Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO44- заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO45-. Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители — минералы

ортоклаз K2 Al2 Si6 O16 или K2 O. Al2 O3. 6SiO2

альбит Na2 Al2 Si6 O16 или Na2 O. Al2 O3. 6SiO2

анортит CaAl2 Si2 O8 или CaO. Al2 O3. 2SiO2

Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты — природные и особенно искусственные — применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.

Галогениды алюминия в обычных условиях — бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF3 основан на действии безводного HF на Al2 O3 или Al:

Al2 O3 + 6HF = 2AlF3 + 3h3 O

Соединения алюминия с хлором, бромом и йодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl3, AlBr3 и AlI3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

Плотности паров AlCl3, AlBr3 и AlI3 при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам — Al2 Hal6. Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена — с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M3 [AlF6 ] и M[AlHal4 ] (где Hal — хлор, бром или йод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F2, эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na3 [AlF6 ]. Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

2Al(OH)3 + 12HF + 3Na2 CO3 = 2Na3 [AlF6 ] + 3CO2 + 9h3 O

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (Alh4 )n. Разлагается при нагревании выше 105о С с выделением водорода.

При взаимодействии Alh4 с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:

LiH + Alh4 = Li[Alh5 ]

Гидридоалюминаты — белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они — сильные восстановители. Применяются (в особенности Li[Alh5 ]) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al2 (SO4 )3. 18h3 O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO4 )2. 12h3 O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсорбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе — уксуснокислую соль) Al(Ch4 COO)3, используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.

Несмотря на наличие громадных количеств алюминия в почках, растениях, как правило, содержат мало этого элемента. Еще значительно меньше его содержание в животных организмах. У человека оно составляет лишь десятитысячные доли процента по массе. Биологическая роль алюминия не выяснена. Токсичностью соединения его не обладают.

1.2 Виды алюминиевых руд, их генезы и состав

Основными промышленными рудами, содержащими алюминий, являются бок­сит, нефелин, алунит и каолин.

Качество этих руд оценивают по содержанию в них глинозема Al O, ко­торый содержит 53% Al. Из других показателей качества алюминиевых руд наиболее важным является состав примесей, вредность и полезность кото­рых определяются применением руды.

Боксит является лучшим и во всем мире основным сырьем для по­лучения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По хими­ческому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al O nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов. Наиболее распространенными гидратами глинозема, вхо­дящими в состав бокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидрар­геллит. Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении ко­леблется в очень широких пределах — от 35 до 70%.

Входящие в состав боксита минералы образуют очень тонкую смесь, что затрудняет обогащение. В промышленности в основном применяют сырую ру­ду. Процесс извлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и состоит из двух стадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него получают алюминий.

Предметом мировой торговли является как сам боксит, так и извлечен­ный из него или других руд глинозем.

На территории СНГ залежи бокситов распределены неравномерно, и бок­ситы разных месторождений неравноценны по качеству. Месторождения наи­более высококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы бокситов имеются также в Европейской части СНГ и в Западном Казахста­не.

У нас в стране все добываемые бокситы разделены на десять марок. Ос­новное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента-глинозе­ма и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема (Al O SiO). Кремниевый модуль является очень важным показателем ка­чества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и тех­нология переработки.

Основные показатели качества бокситов всех десяти марок приведены в таблице. Там же указано и преимущественное применение бокситов разных марок.

Бокситы одних и тех же марок используют для различных назначений, так например, боксит марки Б-1 может использо­ван для производства глинозема, плавленых огнеупоров и глиноземистых цементов. Однако в зависимости от назначения к бокситу одной и той же марки при одинаковых основных показателях качества (содержание Al O и кремниевом модуле) предъявляют разные требования по содержанию при­месей серы, окиси кальция и фосфора.

Содержание влаги в бокситах любых марок установлено в зависимости от их месторождения: наименьшая влажность (не более 7 %) установлена для бокситов южно-уральских месторождений, а для северо-уральских, каменск-уральских и тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%. Показатель влажности не является браковочным признаком и служит то­лько для расчетов с потребителем.

Боксит поставляют в кусках размером не более 500 мм. Перевозят его навалом на платформах или в гондолах.

Нефелин Na(AlSiO) — минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O. Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленно­сти.

Алунит ( квасцовый камень) KAl (SO) (OH) — минерал белого, се­рого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O.

Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.

Каолин Al O 2SiO 2H O — распространенная горная порода. По внешнему виду это белая землянистая масса, являющаяся продуктом разрушения кристаллических пород-гранитов, гнейсов и др. Твердость около 1, содержит 37.5 % Al O. Каолин применяют для производства фарфоро­вых и фаянсовых изделий, изоляторов, а также как наполнитель в рези­новой промышленности.

2. СПЕЦ. ЧАСТЬ

2.1 Производство криолита из угольной пены

2.2 Химический состав угольной пены

2.3 Назначение смешанного вторичного криолита

Алюминиевая промышленность является крупным потребителем фтористых солей — криолита. Криолит при электролитическом получении алюминия служит расплавленной средой (растворителем) для глинозема.

Криолит — не что иное, как соль фтора. Единственная соль, которая растворяет глинозем в процессе электролиза. То есть без этой «мелочи» добыть алюминий невозможно. Криолит можно покупать (свежий — его изготавливают на специальных заводах), а можно произвести самому (так называемый вторичный, из уловленных фторсодержащих веществ).

Уловленные газы не только не поступают в атмосферу, но и служат важному делу — получению очень нужного для электролиза продукта. После сложных химических процессов из него образуется вторичный смешанный криолит. Перед тем как поступить в электролизный цех, криолит должен быть высушен. Влага — его вредная составляющая, которая ведет к повышенному расходу сырья и электроэнергии и избыточным выбросам.

Поскольку высушенный криолит — вещество очень пылящее, устанавливают мощную трехступенчатую газоочистную систему. Все, что она улавливает, вновь возвращается в основное производство. Безотходный принцип организации технологии — путь, сулящий немалую экономию и оздоровление экологической обстановки.

Смешанный вторичный криолит, предназначенный для производства алюминия, стекла, эмалей, для вторичной обработки металлов и для изготовления абразивных изделий

3. КПВО

3.1 Отчерпывание электролита из электролизеров в урны

Как известно, образующийся в процессе электролиза алюминий скапливается в шахте ванны под слоем электролита. Для поддержания нормального технологического режима и превращения алюминия в товарную продукцию его периодически извлекают (выливают) из электролизера. Современные электролизеры средней мощности нарабатывают в сутки 550—700 кг алюминия, а большой мощности—до 1200 кг. В зависимости от принятой технологии и с учетом трудовых затрат выливку алюминия из ванн осуществлять по различным графикам. В отечественной промышленности наибольшее распространение получил график, предусматривающий выливку из ванн алюминия через двое суток; в отдельных случаях выливку ведут ежедневно.

Выливку металла из ванн осуществляют под разрежением специальными вакуумными ковшами, которые транспортируются при помощи электромостовых кранов или специальными самоходными машинами. К стальному корпусу вакуумного ковша, футерованному огнеупорным кирпичом, при помощи фланцевых соединений монтируются съемная заборная труба из чугуна.

На верхней крышке ковша имеется герметизированный люк для извлечения застывшего расплава при чистке ковша. С противоположной от заборной трубы стороны в корпусе ковша предусмотрено смотровое отверстие для наблюдения за ходом наполнения вакуум-ковша.

После монтажа футеровки вакуум-ковш тщательно просушивают, а перед началом выливки прогревают.

Для создания в ковше разрежения принимают различные схемы. Наибольшее распространение получили схемы централизованного создания вакуума в специально оборудованных высокопроизводительными вакуум-насосами отделениях электролизного цеха. В этом случае от вакуумных станций во все корпуса проводят трубопроводы, называемые вакуум-линиями. При помощи гибкого шланга вакуум-ковш подключают к такой линии и в него засасывается металл. Существуют схемы создания разрежения установленными на каждом ковше вихревыми насосами. Для этого применяют линии сжатого воздуха, имеющиеся в корпусах, а на вакуум-ковше устанавливают эжектор.

Выливку металла из электролизера осуществляют через пробиваемое в корке электролита отверстие — “летку”; место для выливки металла для каждого электролизера строго постоянно.

В этом месте форму настыли поддерживают в состоянии, позволяющем беспрепятственно выливать металл. Для уменьшения вероятности заплавления конца заборной трубы вакуум-ковша подину ванны в районе “летки” перед выливкой очищают от осадка.

Операции выливки металла выполняют в следующей последовательности:

К подготовленному для выливки электролизеру подвозят полностью смонтированный вакуум-ковш и его заборную трубу опускают под слой электролита на глубину не менее 100 мм. При этом внимательно следят, чтобы конец трубы не коснулся подины ванны. Затем уплотняют смотровое отверстие и одновременно подключают ковш к системе, создающей внутри него разрежение. За счет созданного в ковше разрежения металл всасывается в ковш. За поступлением в ковш металла следят через смотровое отверстие.

По мере уменьшения алюминия в электролизере на нем возрастает напряжение вследствие роста сопротивления увеличивающегося междуполюсного зазора. Поэтому одновременно с выливкой опускают анод с таким расчетом, чтобы напряжение все время не превышало нормального значения более чем на 0,2 В. Во время выливки внимательно следят за тем, чтобы анод опускался равномерно по всей шахте ванны. Не допускается зависание анода на корке электролита и касание его заборной трубы во избежание ее прогорания.

Количество вылитого металла из ванны определяют через смотровое окно по заполнению ковша, объем которого известен. Для более точного определения вылитого металла применяют специальные устройства, позволяющие взвешивать ковш по время выливки.

После окончания выливки “летку” и обрушившиеся места корки электролита заделывают глиноземом, на электролизере устанавливают нормальное рабочее напряжение. Вакуум-ковш с металлом транспортируют либо к месту переливки металла в литейные ковши открытого типа, либо в приемную печь литейного отделения.

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Основные направления, повышения эффективности производства

Повышение эффективности переработки лома и отходов алюминия

Анализ сложившейся в настоящее время в странах СНГ ситуации с производством вторичных алюминиевых сплавов показывает существенное отставание от западноевропейских заводов по переплавке алюминиевого лома и отходов.

На фоне складывающейся в России неблагоприятной ситуации с заготовкой лома и отходов алюминия, а также следование сложившейся за долгие годы привычке крупных литейных предприятий использовать сплавы, приготовленные из первичных металлов, для производителей вторичных алюминиевых сплавов наступают нелёгкие времена.

Между тем, производство вторичного алюминия в силу меньших энергетических затрат и существенно меньших чем при производстве первичного металла выбросов вредных веществ в окружающую природную среду, будет возрастать. По прогнозам доля вторичного алюминия в общем потреблении к 2030 году может возрасти до 22 — 24 млн. т. в год.

В связи с этим, сегодня вновь становятся актуальными следующие направления в развитии производства вторичных алюминиевых сплавов:

1. Использование рациональной для каждого предприятия схемы обращения с алюминиевыми шлаками.

2. Совершенствование технологии подготовки алюминиевого лома к плавке.

3. Снижение затрат на рафинирование от магния при производстве сплавов с Mg < 0,1 % с одновременным решением вопросов снижения выбросов солей в окружающую среду.

4.Совершенствование технологии переработки ломов на высококачественные сплавы.

Снижение потерь металла со шлаками определяются причинами шлакообразования при плавке алюминиевого лома:

1. наличием загрязнений на амортизационном ломе, его влажностью и степенью коррозии, скорость нагрева лома в печи во время плавки;

2. теплопередачей в слой шихты в пространстве печи;

3. наличием в составе шихты фрагментов лома с повышенным содержанием магния.

МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ И ПЛАВКЕ ЛОМОВ

Снижение выхода шлака и потерь металла с ними предопределяют следующие мероприятия по подготовке шихты к плавке, а также и по проведению самого процесса плавления лома в печи.

К ним относятся в первую очередь применение технологии дробления, сепарации (пневматической и магнитной) позволяющей:

-во-первых, очистить лом от механических загрязнений и окислов;

-во-вторых, высушить лом за счёт тепла выделяемого при дроблении.

Реализация этих рекомендаций позволит сократить объём шлаков за счёт удаления засора (балласта) перед плавкой, и, как следствие, сократить потери металла с ним.

Из практики известно, что плавка предварительно очищенного лома позволяет сократить потери металла как минимум на половину величины удалённого при дроблении механического засора и окислов от коррозии лома.

Проведённые ещё в начале 80-х годов промышленные исследования по плавке дробленого лома на дробилке фирмы «Линдеман» (Подольский ВЦМ) показали, что извлечение металла повышается на 1,5% при плавке в отражательных печах, а плавка лома с использованием флюсов позволяет повысить извлечение металла в сплавы ещё на 2%.

Расчёты показывают, что при производительности завода ~ 2000т. в месяц, плавка дроблёного лома позволит получить дополнительно, по меньшей мере, 35 тонн алюминиевых сплавов, а использование предварительно высушенных флюсов при плавке (расход 5-7% от веса сплава) позволит получить дополнительно ещё такое же количество металла.

Для реализации вышеописанных предложений необходимо, как минимум, приобретение установки дробления и сепарации алюминиевого лома с последующим её использованием вкупе с ручной предварительной сортировкой ломов по группам сплавов на сортировочном конвейере с грохочением для удаления землистого засора.

ПЕРЕРАБОТКА ШЛАКОВ

В настоящее время на заводах использующих пламенную отражательную плавку образуется порядка 14-16% от веса перерабатываемого лома шлаков и выгребов. На практике в шлаках, после ручной выборки корольков содержание алюминия составляет не более 20%. При относительно малых объёмах шлакообразования (500-3000 тонн в год), приобретение установки глубокой переработки шлаков стоимостью 300-400 тыс. $ вряд ли будет экономически оправданным.

Для условий малых и средних предприятий оптимально использование установок горячего выдавливания металла из шлака, которые позволит извлекать из шлаков до 80% содержащегося в них жидкого алюминия и решит вопрос «выгорания металла» в процессе его остывания, существенно снизит «пыление» шлака при хранении и транспортировке.

Например, использование горячего прессования шлаков для объёма образования -3000 т/год, позволит получить дополнительно:

3000 х 0,25 х 0,8 х 0,95 = 570 т. в год металла;

где: 0,25 — содержание металла в шлаке;

0,8 — извлечение при прессовании;

0,95 — извлечение при переплаве выжимка.

Остальное количество металла может быть реализовано заводам, специализирующимся на переработке алюминиевых шлаков.

Расчётный срок окупаемости установки горячего прессования шлаков составит 3 – 5 месяцев.

Можно также утверждать, что использование горячего прессования шлаков позволит сократить ручной труд и снизить потери металла при остывании шлаков в шлаковницах и на складе.

Переработка окисленной части шлака должно осуществляться по стандартной технологии: дробление — сепарация с выделением королькового металла в концентрат с содержанием металла не менее 50 %.

В последние годы некоторые предприятия используют вращающиеся наклоняющиеся печи грушевидной формы с петлевым факелом для переработки концентрата от обогащения алюминиевых шлаков. Технология предполагает низкий расход солей (5-7%), а, следовательно, и малые потери металла со шлаками, меньший унос хлоридов с отходящими газами. Однако практика показывает, что плавка шлаков во вращающихся поворотных печах, в отличие от плавки кускового лома, не даёт желаемых результатов. Причина, на наш взгляд, заключается в том, что регулирование технологического процесса осуществляется на грани «искусства» во-первых, из-за высокой летучести хлоридов (когда они испарятся, в слое шлака могут пойти металло-термические реакции), во-вторых, из-за измельчения расплавленных корольков металла слоем окислов.

Теоретические и экспериментальные исследования процессов плавки алюминиевого лома показывают, что для снижения потерь металла за счёт окисления плавка должна протекать в режимах максимально возможного теплового потока от источника тепла к приёмнику. При плавке мелкого сыпучего шлака или шлакового концентрата этого можно достичь путем подачи тепла в тонкий слой материала, а для резкого сокращения окисляемой поверхности металла (единичных капель металла) необходимо создать условия для их слияния: «мягкое» перемешивание в присутствии поверхностно активных добавок – расплавленных хлоридов и фторидов.

Эти условия могут быть созданы в условиях поворотной и вращающейся противоточной цилиндрической печи.

Плавка осуществляется с изменением наклона печи от 0 до 5 – 7 град. и малом числе оборотов при высоте слоя материала 100 – 200 мм. Испытания по плавке шлаков показали, что при расходе солей не более 7% извлечение в жидкий металл составляет до 95% от исходного содержания. Аналогичные результаты получены и при переплаве цинковой изгари и цинковых шлаков, проблема извлечения металла из которых остаётся актуальной до сих пор. В каждом конкретном случае и для каждого конкретного металлизированного сырья и полупродуктов необходимо подбирать количество флюсов, температуру процесса и скорость перемещения нагреваемых сырья и продуктов плавки.

РАФИНИРОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Одним из направлений повышения рентабельности производства вторичных алюминиевых сплавов является расширение номенклатуры и выпуск высокомарочных сплавов по мировым стандартам. В условиях значительного повышения цен на амортизационный лом и всё возрастающих цен на энергоносители — это единственный способ удержаться на мировом рынке металлов.

В настоящее время для удаления из сплавов избыточного магния используется, в основном, рафинирующие флюсы на основе хлоридов и фторидов калия, натрия и алюминия. Затраты на приобретение флюсов на некоторых, производящих высокомарочные литейные сплавы предприятиях, существенны. В связи с этим повышение эффективности их использования актуальна, как с точки зрения снижения себестоимости сплавов, так и снижения вредных выбросов в окружающую среду. На практике, при существующих технологиях флюсования, расход активного флюса (смесь криолита, фтористого алюминия и сильвинита) обычно составляет 7-10 кг на 1 кг магния, что в 2-3 раза больше теоретически необходимого. Повышенный расход флюсов увеличивает выход шлаков рафинирования, и, как следствие, потери металла с ним. Так, например, на заводе, использующем до 30 т/мес. флюса «ЭКОРАФ 3» из-за двойного его перерасхода образуется порядка 50 т. шлака дополнительно. В этот шлак будет, увлекается: 50 х 40% = 20 т алюминия, а теряется в связи с неполнотой извлечения и окисления порядка 8 т. металла.

Приведенные данные показывают, насколько важен вопрос оптимизации технологии рафинирования как с точки зрения сокращения расхода флюсов до теоретически необходимого, так и связанного с этим снижения выбросов хлоридов и фторидов в окружающую среду.

Наиболее приемлемым вариантом в этом случае был бы вариант поиска более дешевого флюса с наименьшим (близким к стехиометрическому) расходом.

Кроме того, технология должна предусматривать минимизацию времени рафинирования, которое в настоящее время составляет 45-90 минут, и при более глубоком рафинировании от магния (до 0,1%), может, существенно возрасти.

В настоящее время имеются технологии плавки и рафинирования вторичного алюминия позволяющие сократить потери со шлаками, снизить расход флюсов и времени рафинирования, снизить выбросы галогенов в окружающую среду, в т.ч. и их залповые выбросы. Вопрос заключается в правильном их применении на основе известных представлений в области теории металлургических процессов и теории печей и гидродинамики расплавов при искусственном их перемешивании.

Для доведения качества сплавов до уровней мировых стандартов по содержанию водорода и неметаллических включений на заводах необходимо внедрить систему рафинирования металла в процессе его разлива на конвейер, включающий продувку расплава азотом с последующей фильтрацией через стеклосетку или пенокерамический фильтр. Инвестиции на создание и освоение такой установки составят прядка 10 тыс. $, эксплуатационные затраты — около 1,2 $ на тонну сплава. Такая установка с положительным эффектом прошла широкомасштабные промышленные испытания на Ташкентском и Харьковском заводах Вторцветмет ещё в 80-х годах.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ АЛЮМИНИЕВОГО ЛОМА В ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ ЗАВОДА

Анализ условий теплопередачи, реализуемой в топливных печах отражательного типа показывает, что теплопередача в них осуществляется, в основном, за счёт лучистого теплообмена (радиацией) и зависит от нескольких факторов: коэффициента лучеиспускания от газа и кладки на материал (шихта, ванна расплава), разности температур между теплоотдающими и тепловоспринимающими поверхностями в четвертой степени, величине этих поверхностей и времени воздействия. Поскольку все эти величины, за исключением температуры теплоотдающих поверхностей, практически постоянны, то существенно повысить теплоотдачу можно только повышением температуры в печном пространстве. Повышение теплоотдачи естественно приведет к повышению скорости плавки шихты.

При плавке алюминия скорость нагрева шихты во многом определяет и количество окислившегося в процессе плавки металла.

При переходе с установившейся на заводах технологии плавки на плавку с «горячим ходом», (до 1200С под сводом плавильной печи) извлечения можно повысить ещё, как минимум на 1,5%.

Однако в существующих на заводах отражательных печах с горелками отечественного производства, работающими на холодном или подогретом до 200С воздухе достижение такой температуры в плавильном пространстве потребует повышение расхода топлива, как минимум на 25-30%, что повлечёт за собой увеличение объёма дымовых газов и их температуры. Существующие системы дымоотвода и газоочистки вряд ли справятся с новыми параметрами отходящих газов.

В сложившейся ситуации напрашивается два технических решения:

— применение системы регенерации тепла дымовых газов с использованием горелок работающих на подогретом до 900С воздухе.

Система позволяет сократить на 25-30% расход топлива и снизить температуру отходящих дымовых газов до 200 — 260С.

Последний факт существенно облегчит работу системы пылеулавливания и значительно сократит выбросы вредных веществ в окружающую среду.

— Использование обогащённого кислородом дутья (до30% О2), что позволит существенно повысить температуру факела при одновременном снижении количества отходящих газов, уменьшение количества воздуха на их разбавление для снижения температуры перед рукавными фильтрами. В настоящее время, в связи с появлением высокопроизводительных кислородных станций на молекулярных ситах, либо использования жидкого кислорода это решение становится реальностью.

ВЫВОДЫ

В условиях всё возрастающего дефицита сырья для выплавки высококачественных вторичных алюминиевых сплавов внедрение рациональных схем подготовки и металлургической переработки лома алюминия, повышающей извлечение и качество металла является актуальной задачей.

К наиболее приемлемым, с точки зрения минимизации инвестиций, являются следующие мероприятия:

— использование рациональных схем переработки алюминиевых шлаков, позволяющих возвращать в производство увлеченный при выгребе шлака из печи металл и сокращающих окисление металла при хранении шлаков на складе;

— приобретение установок дробления и сепарации алюминиевого лома;

— внедрение передовых технологий рафинирования алюминиевых сплавов с цель сокращения расходов активных флюсов и повышения качества металлов по содержанию неметаллических включений и водорода;

— применение современных систем регенерации тепла отходящих газов с цель подогрева воздуха поступающего на горение до 900С с одновременным снижением температуры отходящих газов до 200 — 260С;

— использование дутья обогащенного кислородом для повышения теплоотдачи факела в плавильных печах.

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Право на безопасный труд является одним из основных прав рабочих, которое гарантируется Конституцией Российской Федерации. Под охраной труда в соответствии с “Основами законодательства РФ об охране труда” понимается “система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая правовые, социально — экономические, организационно — технические, лечебно — профилактические, реабилитационные и иные мероприятия”. Рассмотрим основные положения по организации этой работы.

5.1 Санитарно-гигиенические характеристики условий труда

Выделяющиеся в атмосферу корпуса газообразные вещества воздействуют на обслуживающий персонал и создают возможность профессионального заболевания. Поэтому содержание таких соединений в атмосфере рабочей зоны строго лимитировано, а их предельно допустимые концентрации приведены ниже:

Существенное влияние на условия труда в корпусах оказывает выделение тепла от электролизеров, в результате чего в летний период температура на рабочих местах, особенно в одноэтажных корпусах и при многорядном расположении ванн, не редко превышает 50 0С, а зимой практически не отличается от наружной температуры вследствие большого воздухообмена.

Влажность воздуха на рабочих местах определяется влажностью наружного воздуха.

Отдельные технологические и ремонтные операции, проводимые в цехе, сопровождаются значительным шумом, который воздействует на органы слуха и на организм в целом.

Выполнение некоторых операций (работа на самоходных машинах по обслуживанию ванн, при использовании переносных машин по забивке штырей на ваннах с БТ, пневмоинструмента и пр.) связана с воздействием вибрации на рабочего. Эти факторы не являются постоянно действующими и при нормальном состоянии техники и технологии не превышают допустимых норм.

Характерная особенность электролитического производства алюминия — термическое воздействие и, как следствие, ожогов тела человека. Ожоги возможны при расплескивании расплава из ванны под воздействием выделяющихся газов, при работе по выливке и переливке жидкого металла, при соприкосновении с раскаленными частями технологического оборудования и инструмента и пр.

Использование значительных количеств различных химических веществ не исключает возможность отравления организма работающих и получения профессионального заболевания.

Перемещение большого количества сырья, инструмента, готовой продукции и отходов производства, выполняемого с помощью различных подъемных и транспортных устройств, связано с потенциальной опасностью непреднамеренного наезда на человека, опрокидывания, обрыва и падения груза, что также представляет опасность для здоровья.

Наиболее опасным производственным фактором в корпусе является возможность поражения человека электрическим током, так как практически все части электролизера имеют значительный потенциал (до 850 В) по отношению к земле или заземленным предметам. Кроме технологической электроэнергии в корпусе имеются линии переменного тока, от которых питаются различные транспортные машины (краны, МНП), а также сети, обслуживающие электродвигатели, установленные на электролизерах. Поэтому при нарушениях правил электробезопасности всегда имеется возможность поражения человека электрическим током. Кроме того, в цехе эксплуатируются большое количество трубопроводов, находящихся под давлением, применяются баллоны со сжиженными газами, что также может стать источником травматизма.

Несмотря на применяемые меры по улучшению условий труда у работников электролизных цехов, в отдельных случаях возникают профессиональные заболевания, и основным из них является флюороз, который вызывается отложением солей фтора в костях. Наиболее часто флюороз выражается в поражении суставов, желудочно-кишечного тракта, зубов и печени. У рабочих, длительно контактирующих с пеком, могут возникнуть различные кожные заболевания. Постоянное совершенствование техники и технологии производства алюминия приводит к снижению риска профессионального заболевания.

5.2 Электробезопасность

Рассмотрим основные вопросы электробезопасности в цехах электролиза. Как уже было сказано выше, эдектролизы соединяются последовательно в большие группы — (серии) и и подключаются к кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Число ванн на серии зависит от конструкции электролизера и величины напряжения, которое может обеспечить КПП, и достигает 200 шт. Все конструктивные инструменты электролизеров надежно изолированы от земли и заземленных конструкций. Но проведение технологических операций по обслуживанию ванн приводит к полным или частичным замыканиям ванн на землю и возникновению токов утечки, которые могут достигать значительных величин. Точки утечки проходят по подземным сооружениям (трубопроводы, железобетонные конструкции, оболочки кабелей и пр.), их выход во влажный грунт сопровождается электрохимической коррозией, которая разрушает вышеуказанные сооружения и способствует возникновению аварий. Нарушение изоляции электролизеров приводит к тому, что одновременное прикосновение к конструкциям, находящимся под протеканием электрического тока через тело человека. Сила тока выше 0,1 А является смертельной для человека, и поэтому безопасным считается напряжение не более 36 В, а в некоторых случаях (работа внутри металлических сосудов и пр.) допускается применением напряжения не более 12 В.

Лица не электротехнических специальностей могут обслуживать электрифицированные устройства (станки, переносные приборы и инструменты и пр.) только после производственного инструктажа, в том числе по электробезопасности.

Для защиты персонала от поражения электрическим током, протекающим по электролизерам, предусматриваются различные мероприятия.

Электрическая изоляция. Электролизные корпуса представляю собой сложные инженерные сооружения, и необходимость защиты людей от поражения электрическим током предопределяет необходимость разработки множества изоляционных узлов. Сложность заключается в том, что приходится изолировать от земли многотонные строительные конструкции.

Особую опасность представляет появление потенциалов земли на конструкциях шинного канала в одноэтажных корпусах при выполнении таких операций, как чистка каналов от пыли, сварочные работы при капитальном и текущем ремонтах катодных кожухов и ошиновки.

Стальные вентиляционные решетки, которые располагаются вдоль корпусов, укладываются на изоляционные прокладки. Катодные кожухи и ошиновка устанавливаются на конструкции с прокладками из электроизоляционного материала — чаще всего асбоцемента. Электролизеры от стен устанавливают на расстоянии не менее 4 м, а между рядами электролизеров расстояние должно быть не менее 7 м. Металлические перекрытия шинных каналов (рифленки) крепят одним концом к катодному кожуху, и поэтому они находятся под потенциалом ванны. Трубопроводы и газоходы устанавливают в корпусе на высоте более 3,5 м, и все трубопроводы и газоходы должны иметь электроизоляционные вставки через каждые 40 м, а газоходы каждой ванны соединяются с общим газоходом через электроизоляционную вставку.

Разделительные трансформаторы. Питание электродвигателей, установленных на конструкциях электролизера (механизмы подъема анодов, анодных рам и штор), осуществляется через разделительные трансформаторы, у которых вторичная обмотка не заземлена. Это позволяет исключить попадание постоянного тока в сеть переменного тока, что могло бы привести к тяжелым авариям в питающих трансформаторах. Поэтому такие разделительные трансформаторы устанавливаются на две ступени: обеспечивающие потребителей в корпусе напряжением 380/220 В, а трансформаторы второй ступени — непосредственно в корпусе и к ним подключаются 4-8 электролизеров. При необходимости проведения ремонтных работ на электролизерах сварочные трансформаторы и другой электрифицированный инструмент подключается через эти же разделительные трансформаторы. В системах АСУТП смонтированы устройства, позволяющие фиксировать ухудшение электроизоляции между обмоткой двигателя и сетью постоянного тока.

Грузоподъемные механизмы мостовых кранов (крюки, штанги, механизмы на комплексных кранах) должны иметь тройную изоляцию от моста крана, который перемещается по не изолированным от земли подкрановым путям — рельсы, тележки изолируются от моста крана. Механизмы, установленные на тележки, изолируют от ее корпуса, и крюк изолируют от обоймы. Каждая ступень изоляции должна иметь сопротивление не менее 1,5 Мом, измененное переносным мегомметром напряжением 1000 В.

В процессе эксплуатации изоляция периодически очищается от пыли и грязи и ее состояние контролируется электрослужбой.

5.3 Техника безопасности при обслуживании электролизеров

Персоналу необходимо знать, что обслуживание ванн должно проводиться в исправной спецодежде и валенках, а работы, связанные с расплавом (пробивка корки, подгартывание глинозема, гашение анодных эффектов, выливка металла, переплавка холодного металла и пр.) должны выполняться в опущенной на лицо и надежно закрепленной шляпе с защитными очками. Все работы в корпусе ведутся в респираторе.

Обжиг и пуск электролизеров. В зависимости от способа пуска электролизеров (новых или после капитального ремонта), их типа (БТ, ВТ, ОА) и способа и способа обжига условия и безопасности труда в корпусе имеют свои особенности. При пуске новых серий с СОА главной особенностью являются резко повышенная загазованность погонами пека, образующаяся при формировании анодов. Объем работ при пуске новых серий всегда больше, а условия труда всегда хуже, чем при пуске ванн после капитального ремонта.

Перед пуском электролизеры тщательно проверяются всеми специалистами цеха — технологами, механиками и электриками. Пространство вокруг электролизера и шинные каналы очищаются от посторонних предметов и мусора, подготавливаются необходимый технологический инструмент, сырье и металлы, потребность в которых может возникнуть в период обжига и пуска (асбест, изоляционные прокладки, оборотный электролит, фториды и пр.).

Часто контроль над распределением тока по подине осуществляют путем определения величины тока, текущего по блюмсам, для чего открывают рифленки. Проводить такие замеры можно лишь под присмотром технологического персонала; после замеров шинные каналы должны быть закрыты, так как санитарно-гигиенические условия труда в этот период очень тяжелые, что повышает вероятность травматизма.

При пуске заливать металл и электролит в ванну значительно проще, так как не требуется формировать новый анод. Пуск таких ванн не отличается от пуска новых ванн, но подина и анод при пуске на жидком металле, особенно в зимнее время, должны быть прогреты с целью удаления влаги и предотвращения взрывов. В процессе пуска ванна должна быть огорожена, и весь персонал, не участвующий в операциях по пуску, должен быть удален за ограждения.

В послепусковой период меры безопасности не отличаются от требований для нормально работающих ванн.

Пробивка корки электролита является одной из основных операций по обработке ванны. В зависимости от типа электролизера для выполнения этой операции применяются те или иные машины.

Основная опасность при выполнении этих операций заключается в воздействии на человека высокой температуры, а также возможности ожогов в результате выброса электролита. Как показывает практика, в ходе этих операций происходят несчастные случаи из-за наезда машин на людей. Поэтому выполнять эти операции необходимо максимально внимательно и осторожно.

При съеме с поверхности электролита скопившейся пены необходимо пользоваться прогретым инструментом, а при оплескивании шумовкой боковой поверхности анода следует находиться сбоку от оплескиваемого места.

Питание ванн сырьем производится разными способами и с применением различных машин. При перевозке глинозема в машинах типа МРС или им подобных необходимо быть внимательным, чтобы не сбить людей, так как скорость машин достаточно высока; за 5 м. перед проездами, поворотами и обгона людей и транспорта необходимо подать звуковой сигнал.

Сырье на корку следует засыпать только при переднем ходе машины; движение задним ходом допускается только при разворотах, въезде и выезде из-под силоса или стоянки.

Свежий глинозем или другое сырье не следует загружать на открытую поверхность электролита, так как сырье может содержать влагу или быть холодным, что может привести к взрыву. Засыпать свежий глинозем необходимо на предварительно прикрытую поверхность старым глиноземом, опустив течку как можно ближе к корке во избежание пыления.

Питание ванн фторидами производится зачастую вручную по индивидуальному графику. В ходе этих операций следует помнить, что фториды могут содержать от 0,6 до 6,0 % влаги, и потому необходимо их надежно прогреть до подачи в расплав. Фториды следует засыпать на корку электролита и присыпать сверху глиноземом, что в значительной мере предотвращает возгонку и потери трифторида алюминия.

Переплавка оборотного электролита и “козлов”. Для поддержания оптимальных технологических параметров, а также для повышения технико-экономических показателей в ваннах переплавляют твердый алюминий в виде чушек или отходов линейного производства. Одной из распространенных операций является переплавка извинченных из демонтированной ванны бесформенных плит (козлов), содержащих алюминий и электролит. Извлеченные из подины после ее охлаждения водой “козлы” содержат влагу, и поэтому их переплавка требует соблюдения особых предосторожностей. Переплавка “козлов” осуществляется только со стороны среднего прохода корпуса и с применением специальной подставки, которая придает “козлу” наклонное положение. Подставка подвозится краном и устанавливается передними ногами на борт ванны. Затем подвозится “козел” и осторожно опускается на корку электролита для просушки и подогрева в течение смены. Далее мостовым краном “козел” осторожно опускается в расчищенный от корки электролит до его соприкосновения с подиной, прислоняется к подставке и надежно закрепляется на ней. После оплавления нижней части “козел” опускается ниже и вновь закрепляется на подставке. Электролизер, на котором плавится “козел”, должен быть огражден, и должны быть выставлены предупредительные плакаты.

Переплавка отходов литейного производства производится в ванне после их прогрева на борту ванны или на корке электролита. При переплавке отходов на ваннах с ОА целесообразно снять один анод.

Чистка шинных каналов может выполнятся только по письменному разрешению мастера смены и после проведения замеров напряжения между днищем, стенками и арматурой шинного канала и токоведущими шинами, результаты которых заносятся в специальный журнал. Чистку канала можно начинать при наличии напряжения не выше 36 В; в противном случае необходимо изолировать опасные места деревом, резиновыми ковриками и пр. Непосредственно чистку каналов ведет бригада в составе не менее двух человек, причем наиболее опытный электролизник назначается производителем работ — наблюдающим — и отвечает за соблюдение членами бригады мер безопасности. Необходимо помнить, что под слоем пыли может оказаться оголенная арматура. Запрещается чистить каналы на ваннах, которые могут дать течь расплава в шинный канал.

Выливка металла из ванны производится с помощью вакуум-ковша, в котором создается разрежение (450-600 мм ртутного столба) при его подключении к вакуум-линии или эжекторам. Количество выливаемого металла задается старшим мастером корпуса на основе замеров уровня металла в ванне. Выливка из ванн, расположенных в корпусе продольно, осуществляется со стороны среднего прохода корпуса, как правило, 1 раз в двое суток; на ваннах большой мощности при поперечном их расположении в корпусе вылива производится ежедневно в торце ванны.

Перед выливкой ванна отключается от АСУТП, измеряются уровни металла и электролита, и 5-10 мин. до выливки очищается летка для установки вакуум-носка, куски корки подтягиваются к борту, а с поверхности электролита тщательно снимается пена. Выливку металла выполняет выливщик, который проходит специальный инструктаж по правилам безопасности. Электролизник в процессе выливки следит за изменением напряжения и, опуская анод, поддерживает его на заданном уровне, не допуская увеличения более чем на 0,2 В. После окончания выливки летка закрывается глиноземом. При проведении этой операции никакие другие работы на ванне не выполняются, а посторонние лица удаляются от ванн.

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Схема. Получения криолита флотацией угольной пены

Угольная пена

Дробление

Измельчение

Классификация

Пески Пульпа

Основная флотация

Концентрат Хвосты

Перечистная флотация Контрольная флотация

Концентрат Хвосты Промпродукт-2

Сгущение На шламовое поле

Фильтрация Промпродукт-1

Сушка

Флотационный криолит

Рис.1 — Схема. Получения криолита флотацией угольной пены

6.2 Схема. Механическая флотационная машина

Рис. 2. — Схема механической флотационной машины

1 — засасываемый воздух;

2 — минерализованная пена;

4 — мешалка — импеллер;

5 — сливное отверстие.

ЛИТЕРАТУРА

1. Борисоглевский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я., Сиратзутдинов Г.А., «Металлургия алюминия». М.: Металлургия, 1999.

2. Беляев А.И. «Металлургия легких металлов», М.: Металлургия, 1978.

3. «Цветные металлы» журнал №5, 1996.

4. Багров Н.М., Трофимов Г.А., Адреев В.В. «Основы отраслевых технологий: учебное пособие» СПБ. Издательство СПбГУЭФ 2006.

5. Матюнин В.М. Карпман М.Г., Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов, 2002.

6. Д. Парфенов «Обработка цветных металлов: борьба противоречий» — издание Аналитического центра «Национальная металлургия» 2004.

7. Уткин Н.В. «Цветная металлургия» — учебник для ВУЗов по специальности «Металлургия цветных металлов» Челябинск 1988.

9. По материалам семинара «РЕЦИКЛИНГ АЛЮМИНИЯ» опубл. В журнале «Металле снабжение и сбыт» №4, с.88 — 91.

10. В. Фёдоров. Вторичный алюминий важное сырьё XXI века! Журнал Вторичные ресурсы № 4-5, с.58-59

1. 13. Ю.П. Купряков. Шахтная плавка вторичного сырья цветных металлов, Москва. ЦНИИцветметэкономики и информации. 1995.

www.ronl.ru

Реферат - Производство алюминия цветных металлов 3

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Биохимия и минералогия алюминия

1.2 Виды алюминиевых руд, их генезы и состав

2. СПЕЦ. ЧАСТЬ

2.1 Производство криолита из угольной пены

2.2 Химический состав угольной пены

2.3 Назначение смешанного вторичного криолита

3. КПВО

3.1 Отчерпывание электролита из электролизеров в урны

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Основные направления, повышения эффективности производства

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

5.1 Санитарно-гигиенические характеристики условий труда

5.2 Электробезопасность

5.3 Техника безопасности при обслуживании электролизеров

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Схема. Получения криолита флотацией угольной пены

6.2 Схема. Механическая флотационная машина

ЛИТЕРАТУРА

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на территории России находятся несколько заводов по производству первичного алюминия, часть из них объединены в крупные алюминиевые корпорации. Крупнейшая компания – «РУСАЛ», в состав которой входят Братский (БрАЗ), Саяногорский (САЗ, оснащённый электролизёрами с предварительно обожжёнными анодами (ОА)), Красноярский (КрАЗ), Новокузнецкий (НкАЗ) алюминиевые заводы, а также Ачинский глинозёмный комбинат, ряд заводов по производству изделий из алюминия и др. «РУСАЛ» входит в тройку крупнейших производителей алюминия в мире.

Второй по величине алюминиевой компанией России является ОАО «СУАЛ», включающее в себя Иркутский (ИркАЗ), Уральский (УАЗ), Богословский (БАЗ), Кандалакшский (КАЗ), Волгоградский (ВгАЗ), Надвоицкий (НАЗ) алюминиевые заводы, Полевский криолитовый завод, научно-исследовательский и проектный институт «СибВАМИ» и др. Эта компания занимает 2 место в нашей стране по производству алюминия и 1 место – по производству глинозёма.

Россия по-прежнему сохраняет ведущие позиции в мировом производстве и экспорте первичного алюминия. Однако для российской алюминиевой промышленности характерна зависимость от рынка глинозёма – основного сырьевого материала.

1.1 Биохимия и минералогия алюминия

Алюминий — самый распространенный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5-6,6 мол. доли % или 8 масс. %. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al2O3.2SiO2.2h3O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al2O3.xh3O и минералы корунд Al2O3 и криолит AlF3.3NaF.

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al2O3 в расплавленном криолите. Al2O3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al2O3 около 2050оС, а криолита — 1100оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al2O3, содержащую около 10 масс % Al2O3, которая плавится при 960оС и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF3, CaF2 и MgF2 проведение электролиза оказывается возможным при 950оС.

В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s22s22p63s23p1. Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный — 0,126 нм, условный радиус иона Al3+ — 0,057 нм. Энергия ионизации Al — Al+ 5,99 эВ.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3.Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl4-, Alh5-, алюмосиликаты), но и 6 (Al2O3,[Al(Oh3)6]3+).

В виде простого вещества алюминий — серебристо-белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7 г/см3 (т.пл. 660оС, т. кип. ~2500оС). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO3, K2Cr2O7) или анодным окислением толщина защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминия позволяет изготавливать из него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной кислоты.

Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.

Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью. Важнейшие из них — дюралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумин (85 — 90% Al, 10 — 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с йодом — при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:

2Al + 6h3O = 2Al(OH)3 + 3h3­

Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и h3SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется.

Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na2CO3.

В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.

Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al2O3), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.

Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в частности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь (“термит”) состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe3O4. Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO2. Основная реакция идет по уравнению:

8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe + 3350 кДж

Причем развивается температура около 3000оС.

Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050оС) и нерастворимую в воде массу. Природный Al2O3 (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al2O3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.

Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al2O3, получаемым сплавлением боксита (техническое название — алунд).

Прозрачные окрашенные кристаллы корунда — красный рубин — примесь хрома — и синий сапфир — примесь титана и железа — драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют в качестве квантовых генераторов — лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

Al(OH)3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке Nh5OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида — алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + Al(OH)3= Na[Al(OH)4]

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al2O3 с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO2. Большинство из них в воде нерастворимо.

С кислотами Al(OH)3 образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

В водной среде анион Al3+ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:

[Al(Oh3)6]3+ + h3O = [Al(OH)(Oh3)5]2+ + Oh4+

Константа его диссоциации равна 1.10-5, т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al3+ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.

Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO44- заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO45-. Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители — минералы

ортоклаз K2Al2Si6O16 или K2O.Al2O3.6SiO2

альбит Na2Al2Si6O16 или Na2O.Al2O3.6SiO2

анортит CaAl2Si2O8 или CaO.Al2O3.2SiO2

Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты — природные и особенно искусственные — применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.

Галогениды алюминия в обычных условиях — бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF3 основан на действии безводного HF на Al2O3 или Al:

Al2O3 + 6HF = 2AlF3 + 3h3O

Соединения алюминия с хлором, бромом и йодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl3, AlBr3 и AlI3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

Плотности паров AlCl3, AlBr3 и AlI3 при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам — Al2Hal6. Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена — с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M3[AlF6] и M[AlHal4] (где Hal — хлор, бром или йод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F2, эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na3[AlF6]. Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

2Al(OH)3+ 12HF + 3Na2CO3= 2Na3[AlF6] + 3CO2+ 9h3O

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (Alh4)n. Разлагается при нагревании выше 105оС с выделением водорода.

При взаимодействии Alh4 с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:

LiH + Alh4 = Li[Alh5]

Гидридоалюминаты — белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они — сильные восстановители. Применяются (в особенности Li[Alh5]) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al2(SO4)3.18h3O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2.12h3O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсорбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе — уксуснокислую соль) Al(Ch4COO)3, используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.

Несмотря на наличие громадных количеств алюминия в почках, растениях, как правило, содержат мало этого элемента. Еще значительно меньше его содержание в животных организмах. У человека оно составляет лишь десятитысячные доли процента по массе. Биологическая роль алюминия не выяснена. Токсичностью соединения его не обладают.

1.2 Виды алюминиевых руд, их генезы и состав

Основными промышленными рудами, содержащими алюминий, являются бок­сит, нефелин, алунит и каолин.

Качество этих руд оценивают по содержанию в них глинозема Al O, ко­торый содержит 53% Al. Из других показателей качества алюминиевых руд наиболее важным является состав примесей, вредность и полезность кото­рых определяются применением руды.

Боксит является лучшим и во всем мире основным сырьем для по­лучения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По хими­ческому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al O nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов. Наиболее распространенными гидратами глинозема, вхо­дящими в состав бокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидрар­геллит. Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении ко­леблется в очень широких пределах — от 35 до 70%.

Входящие в состав боксита минералы образуют очень тонкую смесь, что затрудняет обогащение. В промышленности в основном применяют сырую ру­ду. Процесс извлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и состоит из двух стадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него получают алюминий.

Предметом мировой торговли является как сам боксит, так и извлечен­ный из него или других руд глинозем.

На территории СНГ залежи бокситов распределены неравномерно, и бок­ситы разных месторождений неравноценны по качеству. Месторождения наи­более высококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы бокситов имеются также в Европейской части СНГ и в Западном Казахста­не.

У нас в стране все добываемые бокситы разделены на десять марок. Ос­новное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента-глинозе­ма и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема (Al O SiO). Кремниевый модуль является очень важным показателем ка­чества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и тех­нология переработки.

Основные показатели качества бокситов всех десяти марок приведены в таблице. Там же указано и преимущественное применение бокситов разных марок.

Бокситы одних и тех же марок используют для различных назначений, так например, боксит марки Б-1 может использо­ван для производства глинозема, плавленых огнеупоров и глиноземистых цементов. Однако в зависимости от назначения к бокситу одной и той же марки при одинаковых основных показателях качества (содержание Al O и кремниевом модуле) предъявляют разные требования по содержанию при­месей серы, окиси кальция и фосфора.

Содержание влаги в бокситах любых марок установлено в зависимости от их месторождения: наименьшая влажность (не более 7 %) установлена для бокситов южно-уральских месторождений, а для северо-уральских, каменск-уральских и тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%. Показатель влажности не является браковочным признаком и служит то­лько для расчетов с потребителем.

Боксит поставляют в кусках размером не более 500 мм. Перевозят его навалом на платформах или в гондолах.

НефелинNa(AlSiO) — минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O. Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленно­сти.

Алунит (квасцовый камень) KAl (SO) (OH) — минерал белого, се­рого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O.

Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.

Каолин Al O 2SiO 2H O — распространенная горная порода. По внешнему виду это белая землянистая масса, являющаяся продуктом разрушения кристаллических пород-гранитов, гнейсов и др. Твердость около 1, содержит 37.5 % Al O. Каолин применяют для производства фарфоро­вых и фаянсовых изделий, изоляторов, а также как наполнитель в рези­новой промышленности.

2. СПЕЦ. ЧАСТЬ

2.1 Производство криолита из угольной пены

Доставленная из электролизного цеха угольная пена подвергается магнитной сепарации (во избежание попадания в дробилку металлических предметов) и затем дробится на щековой дробилке, а после направляется на мокрое измельчение в шаровую мельницу. Измельченная в мельнице пена разделяется в спиральном классификаторе на два продукта — пульпу, вмещающую тонкие частицы пены, и пески, состоящие из более крупных частиц пены.

Эффективность помола твердых частиц, содержащихся в сливе классификатора, характеризуется следующим показателем — 80-90% частиц пены относятся к классу крупности — 0,075 мм, что обеспечивает хорошее разделение частиц угля и электролита.

Пески возвращают на доизмельчение в шаровую мельницу. Слив из классификатора, разбавленный водой до соотношения Ж: Т= (3-4):1, поступает в контактный чан на перемешивание с флотореагентом и далее направляется на флотацию.

Флотационная обработка основана на свойстве не смачивающихся водой (гидрофобных) материалов прилипать к находящимся в водном растворе пузырькам воздуха. Гидрофобность материалов может быть усилена введением в раствор флотореагентов, которые, попадая на поверхность мелкодисперсных гидрофобных частиц, еще более ухудшают их смачиваемость водой, и поэтому они более интенсивно прилипают к пузырькам воздуха и вместе с ними выносятся на поверхность пульпы. Для увеличения эффективности процесса флотации важно иметь тонкое измельчение материала, т.к. крупные частицы не могут удерживаться пузырьками воздуха.

В процессе флотации угольной пены присутствуют два вида частиц: хорошо смачиваемые водой (гидрофильные) частицы электролита и гидрофобные частицы угля.

Для усиления гидрофобных свойств угля в качестве флотореагента применяют смесь соснового масла с керосином в соотношении 1:9 или технического скипидара и керосина в соотношении 2:1. На производство 1 тонны флотационного криолита расходуется 1700 кг угольной пены, 0,4 кг соснового масла и 3-4 кг керосина. Возможно применение также и других видов флотореагентов.

Частицы угля, адсорбировавшие на своей поверхности флотореагент, становятся практически не смачиваемыми водой и увлекаются вверх пузырьками воздуха, образуя пену, которая непрерывно механическими гребками снимается с поверхности пульпы. В результате пульпа обогащается частицами электролита, которые оседают на дно флотационной машины, а затем удаляются из нее как конечный продукт флотации — концентрат. Угольные частицы, снимаемые с пеной, являются вторым конечным продуктом флотации (хвосты), который направляется в отвал. Химический состав хвостов флотации следующий, %: F — 8,8; Nа — 6,7; А1 — 5,7; Са — 0,7; Мg — 0,5; SiO2 — 0,25; Fe2Оз — 1,6; S04-0,5; ппп- 72,1.

Процесс флотации проводится во флотационной машине (см. рис.2., стр. 38), представляющей собой емкость прямоугольного сечения, разделенную поперечными перегородками на ряд камер, снабженных импеллерами, вращающимися со скоростью 275-600 об/мин. Благодаря наличию отверстий в придонной части перегородок уровень пульпы во всех камерах одинаков. Пульпа подается в первую камеру машины и последовательно переходит из одной камеры в другую. Из последней камеры первой флотомашины непрерывно самотеком выпускается пульпа, обогащенная криолитом, а угольные частицы в виде пены снимаются гребками пекогонов с поверхности пульпы каждой камеры в общий желоб. В первой группе камер первой флотомашины проводится основная флотация. Хвосты же основной флотации отправляются на контрольную флотацию, которая осуществляется в нескольких камерах второй флотомашины. В остальных камерах первой и второй флотомашин, соединенных последовательно, производится перечистка криолита с получением криолитового концентрата. После контрольной флотации и выделения промпродукта-2 хвосты отправляют в отвал.

Первичный криолитовый концентрат направляется на перечистную флотацию, продуктами которой являются: промпродукт-1, возвращаемый на измельчение и классификацию, и криолитовый концентрат, который после сгущения, фильтрации и сушки отправляется в электролизные корпуса. Как правило, криолитовая пульпа, полученная флотацией угольной пены, смешивается с пульпой регенерационного криолита, и в электролизный цех направляется смешанный криолит.

Сухой готовый флотационный криолит должен содержать, %: F — более 44; Nа — не более 30; А1 — более 12; С — 1,5; Si02-0,9; Fе20з-0,5; Н20-1,5.

На каждую тонну получаемого флотационного криолита приходится образование 700 кг хвостов, которые направляются на шламовое поле (примерно 40% от исходной массы угольной пены).

Основным компонентом хвостов флотации является углерод, но компоненты электролита по-прежнему содержатся в них в опасных для экологии концентрациях. Если считать, что при производстве 1 тонны алюминия снимается 50 кг пены, около 20 кг из нее отправляется на шламовое поле. К этому надо добавить уловленную пыль в мокрых скрубберах, количество которой составляет около 20 кг на тонну алюминия (для электролизеров ВТ). Общее количество шламов и хвостов флотации составляет порядка 40 кг на тонну алюминия.

Следовательно, завод с годовой производительностью 250 тысяч тонн алюминия отправляет на шламовое поле более 10 тысяч тонн веществ, содержащих фтористые и иные химические соединения. Поэтому сооружение и эксплуатация шламовых полей относится к экологическим проблемам производства алюминия.

2.2 Химический состав угольной пены

Химический состав угольной пены приблизительно следующий (%):

F — 29-31; Nа — 15-18; А1 — 10-13; Са — 0,8-1,5; Мg -0,2-0,5; SiO2 — 0,2-0,5; Ре20з — 0,2-0,8; С — 28-30.

2.3 Назначение смешанного вторичного криолита

Алюминиевая промышленность является крупным потребителем фтористых солей — криолита. Криолит при электролитическом получении алюминия служит расплавленной средой (растворителем) для глинозема.

Криолит — не что иное, как соль фтора. Единственная соль, которая растворяет глинозем в процессе электролиза. То есть без этой «мелочи» добыть алюминий невозможно. Криолит можно покупать (свежий — его изготавливают на специальных заводах), а можно произвести самому (так называемый вторичный, из уловленных фторсодержащих веществ).

Уловленные газы не только не поступают в атмосферу, но и служат важному делу — получению очень нужного для электролиза продукта. После сложных химических процессов из него образуется вторичный смешанный криолит. Перед тем как поступить в электролизный цех, криолит должен быть высушен. Влага — его вредная составляющая, которая ведет к повышенному расходу сырья и электроэнергии и избыточным выбросам.

Поскольку высушенный криолит — вещество очень пылящее, устанавливают мощную трехступенчатую газоочистную систему. Все, что она улавливает, вновь возвращается в основное производство. Безотходный принцип организации технологии — путь, сулящий немалую экономию и оздоровление экологической обстановки.

Смешанный вторичный криолит, предназначенный для производства алюминия, стекла, эмалей, для вторичной обработки металлов и для изготовления абразивных изделий

3. КПВО

3.1 Отчерпывание электролита из электролизеров в урны

Как известно, образующийся в процессе электролиза алюминий скапливается в шахте ванны под слоем электролита. Для поддержания нормального технологического режима и превращения алюминия в товарную продукцию его периодически извлекают (выливают) из электролизера. Современные электролизеры средней мощности нарабатывают в сутки 550—700 кг алюминия, а большой мощности—до 1200 кг. В зависимости от принятой технологии и с учетом трудовых затрат выливку алюминия из ванн осуществлять по различным графикам. В отечественной промышленности наибольшее распространение получил график, предусматривающий выливку из ванн алюминия через двое суток; в отдельных случаях выливку ведут ежедневно.

Выливку металла из ванн осуществляют под разрежением специальными вакуумными ковшами, которые транспортируются при помощи электромостовых кранов или специальными самоходными машинами. К стальному корпусу вакуумного ковша, футерованному огнеупорным кирпичом, при помощи фланцевых соединений монтируются съемная заборная труба из чугуна.

На верхней крышке ковша имеется герметизированный люк для извлечения застывшего расплава при чистке ковша. С противоположной от заборной трубы стороны в корпусе ковша предусмотрено смотровое отверстие для наблюдения за ходом наполнения вакуум-ковша.

После монтажа футеровки вакуум-ковш тщательно просушивают, а перед началом выливки прогревают.

Для создания в ковше разрежения принимают различные схемы. Наибольшее распространение получили схемы централизованного создания вакуума в специально оборудованных высокопроизводительными вакуум-насосами отделениях электролизного цеха. В этом случае от вакуумных станций во все корпуса проводят трубопроводы, называемые вакуум-линиями. При помощи гибкого шланга вакуум-ковш подключают к такой линии и в него засасывается металл. Существуют схемы создания разрежения установленными на каждом ковше вихревыми насосами. Для этого применяют линии сжатого воздуха, имеющиеся в корпусах, а на вакуум-ковше устанавливают эжектор.

Выливку металла из электролизера осуществляют через пробиваемое в корке электролита отверстие — “летку”; место для выливки металла для каждого электролизера строго постоянно.

В этом месте форму настыли поддерживают в состоянии, позволяющем беспрепятственно выливать металл. Для уменьшения вероятности заплавления конца заборной трубы вакуум-ковша подину ванны в районе “летки” перед выливкой очищают от осадка.

Операции выливки металла выполняют в следующей последовательности:

К подготовленному для выливки электролизеру подвозят полностью смонтированный вакуум-ковш и его заборную трубу опускают под слой электролита на глубину не менее 100 мм. При этом внимательно следят, чтобы конец трубы не коснулся подины ванны. Затем уплотняют смотровое отверстие и одновременно подключают ковш к системе, создающей внутри него разрежение. За счет созданного в ковше разрежения металл всасывается в ковш. За поступлением в ковш металла следят через смотровое отверстие.

По мере уменьшения алюминия в электролизере на нем возрастает напряжение вследствие роста сопротивления увеличивающегося междуполюсного зазора. Поэтому одновременно с выливкой опускают анод с таким расчетом, чтобы напряжение все время не превышало нормального значения более чем на 0,2 В. Во время выливки внимательно следят за тем, чтобы анод опускался равномерно по всей шахте ванны. Не допускается зависание анода на корке электролита и касание его заборной трубы во избежание ее прогорания.

Количество вылитого металла из ванны определяют через смотровое окно по заполнению ковша, объем которого известен. Для более точного определения вылитого металла применяют специальные устройства, позволяющие взвешивать ковш по время выливки.

После окончания выливки “летку” и обрушившиеся места корки электролита заделывают глиноземом, на электролизере устанавливают нормальное рабочее напряжение. Вакуум-ковш с металлом транспортируют либо к месту переливки металла в литейные ковши открытого типа, либо в приемную печь литейного отделения.

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Основные направления, повышения эффективности производства

Повышение эффективности переработки лома и отходов алюминия

Анализ сложившейся в настоящее время в странах СНГ ситуации с производством вторичных алюминиевых сплавов показывает существенное отставание от западноевропейских заводов по переплавке алюминиевого лома и отходов.

На фоне складывающейся в России неблагоприятной ситуации с заготовкой лома и отходов алюминия, а также следование сложившейся за долгие годы привычке крупных литейных предприятий использовать сплавы, приготовленные из первичных металлов, для производителей вторичных алюминиевых сплавов наступают нелёгкие времена.

Между тем, производство вторичного алюминия в силу меньших энергетических затрат и существенно меньших чем при производстве первичного металла выбросов вредных веществ в окружающую природную среду, будет возрастать. По прогнозам доля вторичного алюминия в общем потреблении к 2030 году может возрасти до 22 — 24 млн. т. в год.

В связи с этим, сегодня вновь становятся актуальными следующие направления в развитии производства вторичных алюминиевых сплавов:

1. Использование рациональной для каждого предприятия схемы обращения с алюминиевыми шлаками.

2. Совершенствование технологии подготовки алюминиевого лома к плавке.

3. Снижение затрат на рафинирование от магния при производстве сплавов с Mg < 0,1 % с одновременным решением вопросов снижения выбросов солей в окружающую среду.

4.Совершенствование технологии переработки ломов на высококачественные сплавы.

Снижение потерь металла со шлаками определяются причинами шлакообразования при плавке алюминиевого лома:

1. наличием загрязнений на амортизационном ломе, его влажностью и степенью коррозии, скорость нагрева лома в печи во время плавки;

2. теплопередачей в слой шихты в пространстве печи;

3. наличием в составе шихты фрагментов лома с повышенным содержанием магния.

МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ И ПЛАВКЕ ЛОМОВ

Снижение выхода шлака и потерь металла с ними предопределяют следующие мероприятия по подготовке шихты к плавке, а также и по проведению самого процесса плавления лома в печи.

К ним относятся в первую очередь применение технологии дробления, сепарации (пневматической и магнитной) позволяющей:

-во-первых, очистить лом от механических загрязнений и окислов;

-во-вторых, высушить лом за счёт тепла выделяемого при дроблении.

Реализация этих рекомендаций позволит сократить объём шлаков за счёт удаления засора (балласта) перед плавкой, и, как следствие, сократить потери металла с ним.

Из практики известно, что плавка предварительно очищенного лома позволяет сократить потери металла как минимум на половину величины удалённого при дроблении механического засора и окислов от коррозии лома.

Проведённые ещё в начале 80-х годов промышленные исследования по плавке дробленого лома на дробилке фирмы «Линдеман» (Подольский ВЦМ) показали, что извлечение металла повышается на 1,5% при плавке в отражательных печах, а плавка лома с использованием флюсов позволяет повысить извлечение металла в сплавы ещё на 2%.

Расчёты показывают, что при производительности завода ~ 2000т. в месяц, плавка дроблёного лома позволит получить дополнительно, по меньшей мере, 35 тонн алюминиевых сплавов, а использование предварительно высушенных флюсов при плавке (расход 5-7% от веса сплава) позволит получить дополнительно ещё такое же количество металла.

Для реализации вышеописанных предложений необходимо, как минимум, приобретение установки дробления и сепарации алюминиевого лома с последующим её использованием вкупе с ручной предварительной сортировкой ломов по группам сплавов на сортировочном конвейере с грохочением для удаления землистого засора.

ПЕРЕРАБОТКА ШЛАКОВ

В настоящее время на заводах использующих пламенную отражательную плавку образуется порядка 14-16% от веса перерабатываемого лома шлаков и выгребов. На практике в шлаках, после ручной выборки корольков содержание алюминия составляет не более 20%. При относительно малых объёмах шлакообразования (500-3000 тонн в год), приобретение установки глубокой переработки шлаков стоимостью 300-400 тыс. $ вряд ли будет экономически оправданным.

Для условий малых и средних предприятий оптимально использование установок горячего выдавливания металла из шлака, которые позволит извлекать из шлаков до 80% содержащегося в них жидкого алюминия и решит вопрос «выгорания металла» в процессе его остывания, существенно снизит «пыление» шлака при хранении и транспортировке.

Например, использование горячего прессования шлаков для объёма образования -3000 т/год, позволит получить дополнительно:

3000 х 0,25 х 0,8 х 0,95 = 570 т. в год металла;

где: 0,25 — содержание металла в шлаке;

0,8 — извлечение при прессовании;

0,95 — извлечение при переплаве выжимка.

Остальное количество металла может быть реализовано заводам, специализирующимся на переработке алюминиевых шлаков.

Расчётный срок окупаемости установки горячего прессования шлаков составит 3 – 5 месяцев.

Можно также утверждать, что использование горячего прессования шлаков позволит сократить ручной труд и снизить потери металла при остывании шлаков в шлаковницах и на складе.

Переработка окисленной части шлака должно осуществляться по стандартной технологии: дробление — сепарация с выделением королькового металла в концентрат с содержанием металла не менее 50 %.

В последние годы некоторые предприятия используют вращающиеся наклоняющиеся печи грушевидной формы с петлевым факелом для переработки концентрата от обогащения алюминиевых шлаков. Технология предполагает низкий расход солей (5-7%), а, следовательно, и малые потери металла со шлаками, меньший унос хлоридов с отходящими газами. Однако практика показывает, что плавка шлаков во вращающихся поворотных печах, в отличие от плавки кускового лома, не даёт желаемых результатов. Причина, на наш взгляд, заключается в том, что регулирование технологического процесса осуществляется на грани «искусства» во-первых, из-за высокой летучести хлоридов (когда они испарятся, в слое шлака могут пойти металло-термические реакции), во-вторых, из-за измельчения расплавленных корольков металла слоем окислов.

Теоретические и экспериментальные исследования процессов плавки алюминиевого лома показывают, что для снижения потерь металла за счёт окисления плавка должна протекать в режимах максимально возможного теплового потока от источника тепла к приёмнику. При плавке мелкого сыпучего шлака или шлакового концентрата этого можно достичь путем подачи тепла в тонкий слой материала, а для резкого сокращения окисляемой поверхности металла (единичных капель металла) необходимо создать условия для их слияния: «мягкое» перемешивание в присутствии поверхностно активных добавок – расплавленных хлоридов и фторидов.

Эти условия могут быть созданы в условиях поворотной и вращающейся противоточной цилиндрической печи.

Плавка осуществляется с изменением наклона печи от 0 до 5 – 7 град. и малом числе оборотов при высоте слоя материала 100 – 200 мм. Испытания по плавке шлаков показали, что при расходе солей не более 7% извлечение в жидкий металл составляет до 95% от исходного содержания. Аналогичные результаты получены и при переплаве цинковой изгари и цинковых шлаков, проблема извлечения металла из которых остаётся актуальной до сих пор. В каждом конкретном случае и для каждого конкретного металлизированного сырья и полупродуктов необходимо подбирать количество флюсов, температуру процесса и скорость перемещения нагреваемых сырья и продуктов плавки.

РАФИНИРОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Одним из направлений повышения рентабельности производства вторичных алюминиевых сплавов является расширение номенклатуры и выпуск высокомарочных сплавов по мировым стандартам. В условиях значительного повышения цен на амортизационный лом и всё возрастающих цен на энергоносители — это единственный способ удержаться на мировом рынке металлов.

В настоящее время для удаления из сплавов избыточного магния используется, в основном, рафинирующие флюсы на основе хлоридов и фторидов калия, натрия и алюминия. Затраты на приобретение флюсов на некоторых, производящих высокомарочные литейные сплавы предприятиях, существенны. В связи с этим повышение эффективности их использования актуальна, как с точки зрения снижения себестоимости сплавов, так и снижения вредных выбросов в окружающую среду. На практике, при существующих технологиях флюсования, расход активного флюса (смесь криолита, фтористого алюминия и сильвинита) обычно составляет 7-10 кг на 1 кг магния, что в 2-3 раза больше теоретически необходимого. Повышенный расход флюсов увеличивает выход шлаков рафинирования, и, как следствие, потери металла с ним. Так, например, на заводе, использующем до 30 т/мес. флюса «ЭКОРАФ 3» из-за двойного его перерасхода образуется порядка 50 т. шлака дополнительно. В этот шлак будет, увлекается: 50 х 40% = 20 т алюминия, а теряется в связи с неполнотой извлечения и окисления порядка 8 т. металла.

Приведенные данные показывают, насколько важен вопрос оптимизации технологии рафинирования как с точки зрения сокращения расхода флюсов до теоретически необходимого, так и связанного с этим снижения выбросов хлоридов и фторидов в окружающую среду.

Наиболее приемлемым вариантом в этом случае был бы вариант поиска более дешевого флюса с наименьшим (близким к стехиометрическому) расходом.

Кроме того, технология должна предусматривать минимизацию времени рафинирования, которое в настоящее время составляет 45-90 минут, и при более глубоком рафинировании от магния (до 0,1%), может, существенно возрасти.

В настоящее время имеются технологии плавки и рафинирования вторичного алюминия позволяющие сократить потери со шлаками, снизить расход флюсов и времени рафинирования, снизить выбросы галогенов в окружающую среду, в т.ч. и их залповые выбросы. Вопрос заключается в правильном их применении на основе известных представлений в области теории металлургических процессов и теории печей и гидродинамики расплавов при искусственном их перемешивании.

Для доведения качества сплавов до уровней мировых стандартов по содержанию водорода и неметаллических включений на заводах необходимо внедрить систему рафинирования металла в процессе его разлива на конвейер, включающий продувку расплава азотом с последующей фильтрацией через стеклосетку или пенокерамический фильтр. Инвестиции на создание и освоение такой установки составят прядка 10 тыс. $, эксплуатационные затраты — около 1,2 $ на тонну сплава. Такая установка с положительным эффектом прошла широкомасштабные промышленные испытания на Ташкентском и Харьковском заводах Вторцветмет ещё в 80-х годах.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ АЛЮМИНИЕВОГО ЛОМА В ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ ЗАВОДА

Анализ условий теплопередачи, реализуемой в топливных печах отражательного типа показывает, что теплопередача в них осуществляется, в основном, за счёт лучистого теплообмена (радиацией) и зависит от нескольких факторов: коэффициента лучеиспускания от газа и кладки на материал (шихта, ванна расплава), разности температур между теплоотдающими и тепловоспринимающими поверхностями в четвертой степени, величине этих поверхностей и времени воздействия. Поскольку все эти величины, за исключением температуры теплоотдающих поверхностей, практически постоянны, то существенно повысить теплоотдачу можно только повышением температуры в печном пространстве. Повышение теплоотдачи естественно приведет к повышению скорости плавки шихты.

При плавке алюминия скорость нагрева шихты во многом определяет и количество окислившегося в процессе плавки металла.

При переходе с установившейся на заводах технологии плавки на плавку с «горячим ходом», (до 1200С под сводом плавильной печи) извлечения можно повысить ещё, как минимум на 1,5%.

Однако в существующих на заводах отражательных печах с горелками отечественного производства, работающими на холодном или подогретом до 200С воздухе достижение такой температуры в плавильном пространстве потребует повышение расхода топлива, как минимум на 25-30%, что повлечёт за собой увеличение объёма дымовых газов и их температуры. Существующие системы дымоотвода и газоочистки вряд ли справятся с новыми параметрами отходящих газов.

В сложившейся ситуации напрашивается два технических решения:

— применение системы регенерации тепла дымовых газов с использованием горелок работающих на подогретом до 900С воздухе.

Система позволяет сократить на 25-30% расход топлива и снизить температуру отходящих дымовых газов до 200 — 260С.

Последний факт существенно облегчит работу системы пылеулавливания и значительно сократит выбросы вредных веществ в окружающую среду.

— Использование обогащённого кислородом дутья (до30% О2), что позволит существенно повысить температуру факела при одновременном снижении количества отходящих газов, уменьшение количества воздуха на их разбавление для снижения температуры перед рукавными фильтрами. В настоящее время, в связи с появлением высокопроизводительных кислородных станций на молекулярных ситах, либо использования жидкого кислорода это решение становится реальностью.

ВЫВОДЫ

В условиях всё возрастающего дефицита сырья для выплавки высококачественных вторичных алюминиевых сплавов внедрение рациональных схем подготовки и металлургической переработки лома алюминия, повышающей извлечение и качество металла является актуальной задачей.

К наиболее приемлемым, с точки зрения минимизации инвестиций, являются следующие мероприятия:

— использование рациональных схем переработки алюминиевых шлаков, позволяющих возвращать в производство увлеченный при выгребе шлака из печи металл и сокращающих окисление металла при хранении шлаков на складе;

— приобретение установок дробления и сепарации алюминиевого лома;

— внедрение передовых технологий рафинирования алюминиевых сплавов с цель сокращения расходов активных флюсов и повышения качества металлов по содержанию неметаллических включений и водорода;

— применение современных систем регенерации тепла отходящих газов с цель подогрева воздуха поступающего на горение до 900С с одновременным снижением температуры отходящих газов до 200 — 260С;

— использование дутья обогащенного кислородом для повышения теплоотдачи факела в плавильных печах.

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Право на безопасный труд является одним из основных прав рабочих, которое гарантируется Конституцией Российской Федерации. Под охраной труда в соответствии с “Основами законодательства РФ об охране труда” понимается “система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая правовые, социально — экономические, организационно — технические, лечебно — профилактические, реабилитационные и иные мероприятия”. Рассмотрим основные положения по организации этой работы.

5.1 Санитарно-гигиенические характеристики условий труда

Выделяющиеся в атмосферу корпуса газообразные вещества воздействуют на обслуживающий персонал и создают возможность профессионального заболевания. Поэтому содержание таких соединений в атмосфере рабочей зоны строго лимитировано, а их предельно допустимые концентрации приведены ниже:

Существенное влияние на условия труда в корпусах оказывает выделение тепла от электролизеров, в результате чего в летний период температура на рабочих местах, особенно в одноэтажных корпусах и при многорядном расположении ванн, не редко превышает 50 0С, а зимой практически не отличается от наружной температуры вследствие большого воздухообмена.

Влажность воздуха на рабочих местах определяется влажностью наружного воздуха.

Отдельные технологические и ремонтные операции, проводимые в цехе, сопровождаются значительным шумом, который воздействует на органы слуха и на организм в целом.

Выполнение некоторых операций (работа на самоходных машинах по обслуживанию ванн, при использовании переносных машин по забивке штырей на ваннах с БТ, пневмоинструмента и пр.) связана с воздействием вибрации на рабочего. Эти факторы не являются постоянно действующими и при нормальном состоянии техники и технологии не превышают допустимых норм.

Характерная особенность электролитического производства алюминия — термическое воздействие и, как следствие, ожогов тела человека. Ожоги возможны при расплескивании расплава из ванны под воздействием выделяющихся газов, при работе по выливке и переливке жидкого металла, при соприкосновении с раскаленными частями технологического оборудования и инструмента и пр.

Использование значительных количеств различных химических веществ не исключает возможность отравления организма работающих и получения профессионального заболевания.

Перемещение большого количества сырья, инструмента, готовой продукции и отходов производства, выполняемого с помощью различных подъемных и транспортных устройств, связано с потенциальной опасностью непреднамеренного наезда на человека, опрокидывания, обрыва и падения груза, что также представляет опасность для здоровья.

Наиболее опасным производственным фактором в корпусе является возможность поражения человека электрическим током, так как практически все части электролизера имеют значительный потенциал (до 850 В) по отношению к земле или заземленным предметам. Кроме технологической электроэнергии в корпусе имеются линии переменного тока, от которых питаются различные транспортные машины (краны, МНП), а также сети, обслуживающие электродвигатели, установленные на электролизерах. Поэтому при нарушениях правил электробезопасности всегда имеется возможность поражения человека электрическим током. Кроме того, в цехе эксплуатируются большое количество трубопроводов, находящихся под давлением, применяются баллоны со сжиженными газами, что также может стать источником травматизма.

Несмотря на применяемые меры по улучшению условий труда у работников электролизных цехов, в отдельных случаях возникают профессиональные заболевания, и основным из них является флюороз, который вызывается отложением солей фтора в костях. Наиболее часто флюороз выражается в поражении суставов, желудочно-кишечного тракта, зубов и печени. У рабочих, длительно контактирующих с пеком, могут возникнуть различные кожные заболевания. Постоянное совершенствование техники и технологии производства алюминия приводит к снижению риска профессионального заболевания.

5.2 Электробезопасность

Рассмотрим основные вопросы электробезопасности в цехах электролиза. Как уже было сказано выше, эдектролизы соединяются последовательно в большие группы — (серии) и и подключаются к кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Число ванн на серии зависит от конструкции электролизера и величины напряжения, которое может обеспечить КПП, и достигает 200 шт. Все конструктивные инструменты электролизеров надежно изолированы от земли и заземленных конструкций. Но проведение технологических операций по обслуживанию ванн приводит к полным или частичным замыканиям ванн на землю и возникновению токов утечки, которые могут достигать значительных величин. Точки утечки проходят по подземным сооружениям (трубопроводы, железобетонные конструкции, оболочки кабелей и пр.), их выход во влажный грунт сопровождается электрохимической коррозией, которая разрушает вышеуказанные сооружения и способствует возникновению аварий. Нарушение изоляции электролизеров приводит к тому, что одновременное прикосновение к конструкциям, находящимся под протеканием электрического тока через тело человека. Сила тока выше 0,1 А является смертельной для человека, и поэтому безопасным считается напряжение не более 36 В, а в некоторых случаях (работа внутри металлических сосудов и пр.) допускается применением напряжения не более 12 В.

Лица не электротехнических специальностей могут обслуживать электрифицированные устройства (станки, переносные приборы и инструменты и пр.) только после производственного инструктажа, в том числе по электробезопасности.

Для защиты персонала от поражения электрическим током, протекающим по электролизерам, предусматриваются различные мероприятия.

Электрическая изоляция. Электролизные корпуса представляю собой сложные инженерные сооружения, и необходимость защиты людей от поражения электрическим током предопределяет необходимость разработки множества изоляционных узлов. Сложность заключается в том, что приходится изолировать от земли многотонные строительные конструкции.

Особую опасность представляет появление потенциалов земли на конструкциях шинного канала в одноэтажных корпусах при выполнении таких операций, как чистка каналов от пыли, сварочные работы при капитальном и текущем ремонтах катодных кожухов и ошиновки.

Стальные вентиляционные решетки, которые располагаются вдоль корпусов, укладываются на изоляционные прокладки. Катодные кожухи и ошиновка устанавливаются на конструкции с прокладками из электроизоляционного материала — чаще всего асбоцемента. Электролизеры от стен устанавливают на расстоянии не менее 4 м, а между рядами электролизеров расстояние должно быть не менее 7 м. Металлические перекрытия шинных каналов (рифленки) крепят одним концом к катодному кожуху, и поэтому они находятся под потенциалом ванны. Трубопроводы и газоходы устанавливают в корпусе на высоте более 3,5 м, и все трубопроводы и газоходы должны иметь электроизоляционные вставки через каждые 40 м, а газоходы каждой ванны соединяются с общим газоходом через электроизоляционную вставку.

Разделительные трансформаторы. Питание электродвигателей, установленных на конструкциях электролизера (механизмы подъема анодов, анодных рам и штор), осуществляется через разделительные трансформаторы, у которых вторичная обмотка не заземлена. Это позволяет исключить попадание постоянного тока в сеть переменного тока, что могло бы привести к тяжелым авариям в питающих трансформаторах. Поэтому такие разделительные трансформаторы устанавливаются на две ступени: обеспечивающие потребителей в корпусе напряжением 380/220 В, а трансформаторы второй ступени — непосредственно в корпусе и к ним подключаются 4-8 электролизеров. При необходимости проведения ремонтных работ на электролизерах сварочные трансформаторы и другой электрифицированный инструмент подключается через эти же разделительные трансформаторы. В системах АСУТП смонтированы устройства, позволяющие фиксировать ухудшение электроизоляции между обмоткой двигателя и сетью постоянного тока.

Грузоподъемные механизмы мостовых кранов (крюки, штанги, механизмы на комплексных кранах) должны иметь тройную изоляцию от моста крана, который перемещается по не изолированным от земли подкрановым путям — рельсы, тележки изолируются от моста крана. Механизмы, установленные на тележки, изолируют от ее корпуса, и крюк изолируют от обоймы. Каждая ступень изоляции должна иметь сопротивление не менее 1,5 Мом, измененное переносным мегомметром напряжением 1000 В.

В процессе эксплуатации изоляция периодически очищается от пыли и грязи и ее состояние контролируется электрослужбой.

5.3 Техника безопасности при обслуживании электролизеров

Персоналу необходимо знать, что обслуживание ванн должно проводиться в исправной спецодежде и валенках, а работы, связанные с расплавом (пробивка корки, подгартывание глинозема, гашение анодных эффектов, выливка металла, переплавка холодного металла и пр.) должны выполняться в опущенной на лицо и надежно закрепленной шляпе с защитными очками. Все работы в корпусе ведутся в респираторе.

Обжиг и пуск электролизеров. В зависимости от способа пуска электролизеров (новых или после капитального ремонта), их типа (БТ, ВТ, ОА) и способа и способа обжига условия и безопасности труда в корпусе имеют свои особенности. При пуске новых серий с СОА главной особенностью являются резко повышенная загазованность погонами пека, образующаяся при формировании анодов. Объем работ при пуске новых серий всегда больше, а условия труда всегда хуже, чем при пуске ванн после капитального ремонта.

Перед пуском электролизеры тщательно проверяются всеми специалистами цеха — технологами, механиками и электриками. Пространство вокруг электролизера и шинные каналы очищаются от посторонних предметов и мусора, подготавливаются необходимый технологический инструмент, сырье и металлы, потребность в которых может возникнуть в период обжига и пуска (асбест, изоляционные прокладки, оборотный электролит, фториды и пр.).

Часто контроль над распределением тока по подине осуществляют путем определения величины тока, текущего по блюмсам, для чего открывают рифленки. Проводить такие замеры можно лишь под присмотром технологического персонала; после замеров шинные каналы должны быть закрыты, так как санитарно-гигиенические условия труда в этот период очень тяжелые, что повышает вероятность травматизма.

При пуске заливать металл и электролит в ванну значительно проще, так как не требуется формировать новый анод. Пуск таких ванн не отличается от пуска новых ванн, но подина и анод при пуске на жидком металле, особенно в зимнее время, должны быть прогреты с целью удаления влаги и предотвращения взрывов. В процессе пуска ванна должна быть огорожена, и весь персонал, не участвующий в операциях по пуску, должен быть удален за ограждения.

В послепусковой период меры безопасности не отличаются от требований для нормально работающих ванн.

Пробивка корки электролита является одной из основных операций по обработке ванны. В зависимости от типа электролизера для выполнения этой операции применяются те или иные машины.

Основная опасность при выполнении этих операций заключается в воздействии на человека высокой температуры, а также возможности ожогов в результате выброса электролита. Как показывает практика, в ходе этих операций происходят несчастные случаи из-за наезда машин на людей. Поэтому выполнять эти операции необходимо максимально внимательно и осторожно.

При съеме с поверхности электролита скопившейся пены необходимо пользоваться прогретым инструментом, а при оплескивании шумовкой боковой поверхности анода следует находиться сбоку от оплескиваемого места.

Питание ванн сырьем производится разными способами и с применением различных машин. При перевозке глинозема в машинах типа МРС или им подобных необходимо быть внимательным, чтобы не сбить людей, так как скорость машин достаточно высока; за 5 м. перед проездами, поворотами и обгона людей и транспорта необходимо подать звуковой сигнал.

Сырье на корку следует засыпать только при переднем ходе машины; движение задним ходом допускается только при разворотах, въезде и выезде из-под силоса или стоянки.

Свежий глинозем или другое сырье не следует загружать на открытую поверхность электролита, так как сырье может содержать влагу или быть холодным, что может привести к взрыву. Засыпать свежий глинозем необходимо на предварительно прикрытую поверхность старым глиноземом, опустив течку как можно ближе к корке во избежание пыления.

Питание ванн фторидами производится зачастую вручную по индивидуальному графику. В ходе этих операций следует помнить, что фториды могут содержать от 0,6 до 6,0 % влаги, и потому необходимо их надежно прогреть до подачи в расплав. Фториды следует засыпать на корку электролита и присыпать сверху глиноземом, что в значительной мере предотвращает возгонку и потери трифторида алюминия.

Переплавка оборотного электролита и “козлов”. Для поддержания оптимальных технологических параметров, а также для повышения технико-экономических показателей в ваннах переплавляют твердый алюминий в виде чушек или отходов линейного производства. Одной из распространенных операций является переплавка извинченных из демонтированной ванны бесформенных плит (козлов), содержащих алюминий и электролит. Извлеченные из подины после ее охлаждения водой “козлы” содержат влагу, и поэтому их переплавка требует соблюдения особых предосторожностей. Переплавка “козлов” осуществляется только со стороны среднего прохода корпуса и с применением специальной подставки, которая придает “козлу” наклонное положение. Подставка подвозится краном и устанавливается передними ногами на борт ванны. Затем подвозится “козел” и осторожно опускается на корку электролита для просушки и подогрева в течение смены. Далее мостовым краном “козел” осторожно опускается в расчищенный от корки электролит до его соприкосновения с подиной, прислоняется к подставке и надежно закрепляется на ней. После оплавления нижней части “козел” опускается ниже и вновь закрепляется на подставке. Электролизер, на котором плавится “козел”, должен быть огражден, и должны быть выставлены предупредительные плакаты.

Переплавка отходов литейного производства производится в ванне после их прогрева на борту ванны или на корке электролита. При переплавке отходов на ваннах с ОА целесообразно снять один анод.

Чистка шинных каналов может выполнятся только по письменному разрешению мастера смены и после проведения замеров напряжения между днищем, стенками и арматурой шинного канала и токоведущими шинами, результаты которых заносятся в специальный журнал. Чистку канала можно начинать при наличии напряжения не выше 36 В; в противном случае необходимо изолировать опасные места деревом, резиновыми ковриками и пр. Непосредственно чистку каналов ведет бригада в составе не менее двух человек, причем наиболее опытный электролизник назначается производителем работ — наблюдающим — и отвечает за соблюдение членами бригады мер безопасности. Необходимо помнить, что под слоем пыли может оказаться оголенная арматура. Запрещается чистить каналы на ваннах, которые могут дать течь расплава в шинный канал.

Выливка металла из ванны производится с помощью вакуум-ковша, в котором создается разрежение (450-600 мм ртутного столба) при его подключении к вакуум-линии или эжекторам. Количество выливаемого металла задается старшим мастером корпуса на основе замеров уровня металла в ванне. Выливка из ванн, расположенных в корпусе продольно, осуществляется со стороны среднего прохода корпуса, как правило, 1 раз в двое суток; на ваннах большой мощности при поперечном их расположении в корпусе вылива производится ежедневно в торце ванны.

Перед выливкой ванна отключается от АСУТП, измеряются уровни металла и электролита, и 5-10 мин. до выливки очищается летка для установки вакуум-носка, куски корки подтягиваются к борту, а с поверхности электролита тщательно снимается пена. Выливку металла выполняет выливщик, который проходит специальный инструктаж по правилам безопасности. Электролизник в процессе выливки следит за изменением напряжения и, опуская анод, поддерживает его на заданном уровне, не допуская увеличения более чем на 0,2 В. После окончания выливки летка закрывается глиноземом. При проведении этой операции никакие другие работы на ванне не выполняются, а посторонние лица удаляются от ванн.

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Схема. Получения криолита флотацией угольной пены

/>Угольная пена

/>/>Дробление

/>/>/>/>Измельчение

/>/>/>/>/>/>/>Классификация

/>/>Пески Пульпа

/>/>/>/>Основная флотация

/>/>Концентрат Хвосты

/>/>/>Перечистная флотация Контрольная флотация

/>/>/>

/>/>/>Концентрат Хвосты Промпродукт-2

/>

/>Сгущение На шламовое поле

/>/>

/>/>/>Фильтрация Промпродукт-1

/>

/>Сушка

Флотационный криолит

/>

Рис.1 — Схема. Получения криолита флотацией угольной пены

6.2 Схема. Механическая флотационная машина

/>

Рис. 2. — Схема механической флотационной машины

1 - засасываемый воздух;

2 - минерализованная пена;

4 - мешалка - импеллер;

5 - сливное отверстие.

ЛИТЕРАТУРА

Борисоглевский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я., Сиратзутдинов Г.А., «Металлургия алюминия». М.: Металлургия, 1999.

Беляев А.И. «Металлургия легких металлов», М.: Металлургия, 1978.

«Цветные металлы» журнал №5, 1996.

Багров Н.М., Трофимов Г.А., Адреев В.В. «Основы отраслевых технологий: учебное пособие» СПБ. Издательство СПбГУЭФ 2006.

Матюнин В.М. Карпман М.Г., Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов, 2002.

Д. Парфенов «Обработка цветных металлов: борьба противоречий» — издание Аналитического центра «Национальная металлургия» 2004.

Уткин Н.В. «Цветная металлургия» — учебник для ВУЗов по специальности «Металлургия цветных металлов» Челябинск 1988.

Материалы международной конференции: «Металлургия лёгких металлов на рубеже веков. Современное состояние и стратегия развития», 3-6 сентября 2001.

По материалам семинара «РЕЦИКЛИНГ АЛЮМИНИЯ» опубл. В журнале «Металле снабжение и сбыт» №4, с.88 — 91.

В. Фёдоров. Вторичный алюминий важное сырьё XXI века! Журнал Вторичные ресурсы № 4-5, с.58-59

13. Ю.П. Купряков. Шахтная плавка вторичного сырья цветных металлов, Москва. ЦНИИцветметэкономики и информации. 1995.

www.ronl.ru

Реферат - Производство алюминия 2

Содержание

Введение

1 Технологическая часть

2 Расчетная часть

2.1 Конструктивный расчет

2.2 Материальный расчет

2.3 Электрический расчет

2.4 Энергетический расчет

Список литературы

Введение

Основоположниками электрического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США.

23 апреля 1886 года Поль Эру и 9 июля того же года Чарльз Холл заявили, независимо друг от друга аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Эти даты следует считать началом возникновения алюминиевой промышленности. В последующие годы электролитическое производства алюминия стало развиваться чрезвычайно интенсивно.

К началу текущего столетия производство алюминия существовало в шести странах: Швейцарии, Франции, США, Германии, Англии и Австрии. В настоящее время производство алюминия осуществляется на более ста электролизных и глиноземных заводов мира.

Алюминиевая промышленность, созданная в нашей стране, занимает одно из ведущих мест в мире, как по объемам производства, так и по технической оснащенности. В августе 1929 года правительство приняло решение о строительстве первых в СССР алюминиевых заводов.

Наибольшее развитие, алюминиевая промышленность, получила с вводом в действие мощных алюминиевых заводов, оборудованными электролизерами с верхним токоотводом и, особенно, таких гигантов цветной металлургии как Братский и Красноярский алюминиевые заводы. На базе электроэнергии гидроэлектростанций рек Сибири и Волги были пущены заводы: Волгоградский (1959г.), Иркутский (1962г.), Красноярский (1964г.), Братский (1966г.) и д.р.

В настоящее время существенно изменяется технологическая оснащенность алюминиевых заводов, характерны не только высокие темпы роста производства металла, но и стремление к максимальной механизации трудоемких процессов улавливанию и регенерации солей, фтора, перехода от выпуска чушкового металла к производству полуфабрикатов, широкому использованию систем управления, максимальной рационализации процесса электролизера.

Технологическое перевооружение алюминиевых заводов выдвигает их в число наиболее совершенных в мировой алюминиевой промышленности.

1. Технологическая часть

Электролиз алюминия является материалоемким процессом. В качестве основного сырья для производства алюминия используется глинозем. Глинозем должен быть чистым, содержать минимальное количество влаги, хорошо растворяться в электролите, не давать осадков в электролизере на подине и иметь низкую степень пыления.

Основной средой, в которой протекает процесс электролиза, является электролит. Основными компонентами является криолит (Na3 AlF6 ), фтористый алюминий (AlF3 ) и глинозем (Al2 О3 ). Электролит промышленных электролизеров отличается от криолита некоторым избытком фтористого алюминия, что характеризуется криолитовым отношением электролита (к.о.), молекулярным отношением NaF:AlF3.

Помимо основных компонентов, электролит содержит в небольших количествах некоторые другие вещества, образующихся за счет примесей, вносимых с сырьем или вводимых специально для улучшения физико-химических свойств расплава СаF2, MgF2, NaCe, LiF.

Для чистого криолита к.о. = 3, электролит с таким к.о. считается нейтральным. Электролиты, содержащие избыток NaF и к.о. > 3 — называются щелочными, а электролиты, имеющие избыток AIF3 и к.о. < 3 называются кислотными.

На практике к.о. электролитов поддерживается 2,6 — 2,8. Это обеспечивается избытком NaF в электролите в количестве 2,5 — 5%. На передовых заводах эксплуатирующих электролизеры с обожженными анодами, электролиты еще более кислые — к.о. поддерживают 2,2 — 2,4.

Состав электролита

Na3 AlF6 (криолит) 70 — 90%;

Al2 О3 (оксид алюминия) 1 — 10%;

СаF2, MgF2 от 6 — 9%.

Процесс электролиза алюминия проводят при t0955 — 9650C.

Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технологического режима, рассчитанными при проектировании в зависимости от конструктивных особенностей электролизера. К этим параметрам относятся:

Сила тока — устанавливается в зависимости от размеров, конструкции и технологического состояния электролизеров.

Среднее напряжение — вычисляется по показаниям серийных счетчиков вольт/часов.

Рабочее напряжение — контролируется по показаниям вольтметров и поддерживается в пределах, оговариваемых рабочими технологическими инструкциями.

Среднее напряжение — состоит из рабочего напряжения, напряжения анодных эффектов и перепада напряжения в ошиновке между электролизерами.

Количество технологического алюминия — в электролизере характеризуется высотой столба (уровня) металла в шахте ванны. Уровень металла в силу высотой теплопроводности алюминия позволяет регулировать теплоотдачу электролизера.

Количество электролита — тоже характеризуется его уровнем в шахте ванны. Практика показывает, что оптимальный уровень электролита находится в пределах 150 — 180мм., для самообжигающихся анодов.

Анодные эффекты — подразделяют на тусклые (меньше 10В.), средние (менее 25В.), ясные (более 25В.). Анодные эффекты оказывают существенное влияние на тепловой режим электролизера.

Форма рабочего пространства — нормально работающего электролизера характеризуется обязательным наличием защитного гарнисажа в зоне электролита, круто падающей настыли в зоне металла и отсутствием осадка и настыли на подине под анодом.

Перепад напряжения — в подине электролизера во многом зависит от формы рабочего пространства ванны и определяется путем измерения приборами, составляет 0,3 — 0,4В.

Основными технологическими параметрами, определяющими правильность формирования самообжигающегося анода, являются высота конуса стекания, уровень и температура жидкой анодной массы.

Для конструкции с верхним токоподводом — минимальное расстояние от штырей до подошвы анода, число горизонтов, на которых установлены штыри, высота выступающих частей конструкций, применяемых для охлаждения жидкой части анода.

2. Расчетная часть

2.1 Конструктивный расчет электролизера

Сила тока (J) 155 кА;

Анодная плотность (da ) 0,68 А/см2 ;

Ширина анода (Вa ) 2750мм.;

Высота конуса спекания (hк ) 1300мм.;

Высота уровня жидкой анодной массы (hж ) 350мм.;

Уровень электролита (hэ ) 180мм.;

Уровень металла (hм ) 300мм.;

Толщина корки электролита (hч ) -50мм.

При конструктивном расчете определяются основные размеры электролизера.

Определение размеров анода

По заданной силе тока J = 155кА, и анодной плотности тока da = 0,68, определенной по зависимости тока da = 0,68, определенной по зависимости анодной плотности от Аллы тока, определяем площадь сечения анода:

Приняв ширину анода = 2750мм., находим длину анода:

Высота анода , складывается из высоты уровня жидкой анодной массы:

и высоты конуса спекания:

Внутренние размеры шахты

Их определяют с учетом найденных размеров анода и выбранного расстояния анода от боковой и торцевой стенок бортовой футеровки кожуха.

Расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки

до торцевой футеровки

1. Внутренняя сторона шахты ванны

2. Внутренняя длина шахты ванны

3. Глубина шахты ванны

Определяем уровнем технологического

уровнем электролита

толщиной корки электролита с глиноземом

Расчет анодных штырей

Длина стальной части штыря 1950мм.

Диаметр верхней части 138мм.

Диаметр нижней части 100мм.

Длина конусной части 1080мм.

Длина штыря со штангой 2700мм.

Длина алюминиевой части 750мм.

Определяем средний диаметр штыря:

Среднее значение штыря:

Общее сечение штырей в аноде:

Плотность тока в стальной части штырей:

Средняя токовая нагрузка на 1 штырь, принимается 2160А (max 2200A).

Конструкция катода

Основные размеры конструктивных элементов сборноблочного катодного устройства определяется найденными геометрическими размерами выпускаемых промышленностью прошивных угольных блоков и стальных токопроводящих стержней.

Размеры подовых блоков выбираем:

400 х 500 х 2000

где

Подовые секции укладывают в подину с шириной шва

Количество катодных секций

т.к. расстояние между катодными секциями, будет при таких данных слишком мало, принимаем

Расстояние между катодными блоками и боковой футеровкой шахты:

Расстояние между катодными блоками и боковыми блоками в торцах шахты

Разметы катодного кожуха зависят от геометрических размеров шахты ванны и толщены слоя футеровочных и теплоизоляционных материалов.

асбестовый лист, толщина ;

шамотная крупка засыпка на дне 50мм.

стороны борта 50мм.

Кирпичная футеровка включает Р рядов шамотного и Q рядов легковесного шамотного кирпича, всего 4-6 рядов.

Углеродистая подушка из подовой массы

Расчет внутреннего размера кожуха

Внутренние размеры определяются внутренними размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляционных материалов. При условии применения в качестве боковой футеровки угольных плит толщиной 200мм. и теплоизоляционного слоя толщиной 50мм., а для подины шахты ванны, кроме катодных блоков высотой 400мм. теплоизоляционного слоя из 5 рядов кирпича по 65мм.

Внутренние размеры катодного кожуха составят:

длина

ширина

высота

Расчет плотности тока в одном катодном стержне

Выбираем катодные стержни размером 115 х 230 х 2590, катодные блоки 30 штук.

Полученные данные оформляем в сводную таблицу №1.

Таблица 1 — Сводные данные

2.2 Материальный расчет электролизера

При производстве алюминия в процессе электролиза криалитно-глиноземного расплава расходуется глинозем и угольный анод с образованием газообразных окисей и двуокиси углерода. Кроме того, в результате испарения электролита и разложения его составляющих химическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результате пылеуноса вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегося анода, часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих ее коксование.

При материальном расчете определяют производительность электролизера и расход сырья на производство алюминия.

производительность электролизера (Р ), при силе тока J = 155А и принятом выходе по току = 86% составляет:

где 0,3354 — электрохимический эквивалент для ;

— сила тока;

— выход по току.

Р = 44,79 кг/г — такое количество сырца требуется для ведения технологического процесса.

Расходные коэффициенты

Таблица 2 — Расходные коэффициенты

На получение сырца — 44,79кг/ч., необходимо израсходовать:

глинозема

1,920 * 44,79 = 85,99кг/ч.

свежего криолита

0,002 * 44,79 = 0,0896кг/ч.

фтористого алюминия

0,028 * 44,79 = 1,25кг/ч.

криолита вторичного

0,047 * 44,79 = 2,1кг/ч.

анодной массы

0,530 * 44,79 = 23,74кг/ч.

Итого: 113,17кг/ч.

При получении сырца, Р = 44,79кг/ч., выделяется кислород. 48; где 48 и 54 количество молей и в глиноземе.

44,79 / 54 * 48 = 39,8кг.

Из этого количества кислорода перейдет в состав и .

Расход количества углерода, который окисляется кислородом, выделяющиеся в результате электрохимического разложения глинозема, принимаем состав анодных газов.

= 60%;

= 40%.

= 39,8 * 60 * 2 / (2 * 60 + 40) = 29,9кг/ч.

= 39,8 * 40 / (2 * 60 + 40) = 9,95кг/ч.

Потери глинозема составляют:

(1,92 — 1,89) * 44,79 = 1,34кг/ч.

где 1,89 — теоретический расход глинозема.

Отсюда отсчитываем количество углерода связанного двуокись углерода (углеродистый) газ.

в окись углерода СО (угарный газ)

где 16; 12 — молекулярная масса и .

Таким образом при получении 44,79кг/ч. сырца выделяется:

= 29,9 + 11,21 = 41,1кг/ч.

= 9,95 + 7,46 = 17,4кг/ч.

Потери анодной массы с летучими при коксовании

0,530 * 44,79 * 0,3 * (1 — 0,8) = 1,42кг/ч.

с угольной пеной:

0,530 * 44,79 * 0,06 = 1.42кг/ч.

с примесями: (зола и т.д.)

0,530 * 44,79 — (1,42 + 1,42)] * (1 — 0,96) = 0,89кг/ч.

Потери фторсолей на пропитку угольной подины

ширина подины; Вш 4050

ширина анода; L ш 9440

удельная пропитка подины 230

коэффициент пересчета Fu криолита 1,842

срок службы электролизера 4 * 365 * 24

Потери фтора с угольной пены

0,060 * 44,79 * 0,7 = 1,88кг/ч.

где 0,060 — выход пены из анодной массы;

0,7 — содержание фторсолей в угольной пене.

Потери фтора в атмосферу корпуса электролизера

фтористый алюминий 1,25

свежий криолит 0,09

расход криолита вторичного 2,1

(0,09 + 1.25 + 2,1) — (0,4 + 1,88) * 0,2 = 0,23

где 0,40 — потери на пропитку угольной подины;

1,88 — потери F с угольной пены;

0,2 — коэффициент газов уходящих в атмосферу.

Потери фтора в газоочистку

(0,09 + 1,25 + 2,1) — (0,41 + 1,88) * 0,8 = 1,6кг/ч.

где 0,8 — 80% КПД начального укрытия по фтору.

По проведенным расчетам составляем материальный баланс процесса электролиза на один электролизер.

Таблица 3 — Материальный баланс электролизера на силу тока 155000А

2.3 Электрический расчет электролизера

Электрический расчет электролизера выполняется с целью определения греющего, среднего и рабочего напряжения.

Исходные данные:

Сила тока 155кА

Выход по току 86%

Размер анода 2750 х 8440мм.

Площадь анода 227941

Высота столба анода 1600мм.

Количество штырей 72шт.

Анодная плотность тока 0,68А/см2

Размер шахты 4050 х 9440мм.

Глубина шахты 550мм.

Расстояние от анода до продольной

стенки шахты 650мм.

до торцевой стенки 550мм.

Количество подовых секций 15 х 2 = 30шт.

Сечение катодных стержней 115 х 230мм.

Ошиновка электролизера. Анодная ошиновка

Определяем общее сечение шин стояков, при этом принимаем плотность тока в шиноподводе 0,4

Принимает алюминиевые шины сечения 430 х 60мм, тогда число шин в стояках будет равно:

П = 387500 / (430 * 60) = 15 шт.

Катодная ошиновка

Катодная часть ошиновки состоит из гибких листпусков отводящих ток от катодных стержней подшин к катодным шинам. Сечение лент в пакете 1.5 х 200мм.

где 0,7 — плотность тока в лентах А/мм;

30 — количество пакетов

Тогда количество лент в одном пакете

Падение напряжения в анодной ошиновке

Падение напряжения в анодной ошиновке состоящей из стояков L ст — 3,0м. и анодных пакетов 9,9м. (размеры определяются конструкцией электролизера).

Сечение анодной ошиновки определено 387500 по которым протекает ток J = 155кА

где ча.о. — электросопротивление анодной ошиновки

Для определения электросопротивления анодной ошиновки — ча.о., необходимо найти удельное сопротивление , при средней t0500C.

Принимаем удельное электросопротивление при t0200C.

d = 0,004

Отсюда электросопротивление в анодной ошиновке будет равно:

Падение напряжения в аноде

При ориентированных расчетах определения падения напряжения в аноде используем уравнение:

Находим площадь сечения анода

Sa = 275 * 844 = 232100мм2

где к — количество штырей 72шт.;

— средне расстояние от торцов всех токоведущих штырей до подошвы;

— анодная плотность тока принимаем 0,7;

— вреднее удельное электросопротивление 0,008ом.см.

Среднее расстояние от торцов штырей до подошвы анода () может быть определено из выражения:

где — минимальное расстояние от торца штыря до подошвы анода 25см.;

nч — число горизонтов установки штырей принимаем 2;

— шаг между горизонтами 20.

Подставляем в формулу М.А. Коробова найденные значения:

Ua = 0,565 B

Принимает из практических данных, что падение напряжения штырь-штанга U шт — 0,01В падение напряжения в контактах U конт — 0,01В.

Падение напряжения в анодном узле

Состоит из суммы падений напряжения в аноде и контактах.

Падение напряжения в электролите

Где сила тока 15000А.

Р — удельное сопротивление электролита, 0,500ом.см. при К.О. 2,5;

— межполюсное расстояние 5,5см.

Sa — 232100см2

2 * (А + В) — периметр

(844 + 275) * 2 = 2238см.

Падение напряжения в катодном устройстве

Складывается из напряжения в подине, в частях катодных стержней, в соединительных пакетах, в контактах соединений стержень-пакет-ошиновка.

где — приведенная длина тока по катодному блоку.

— удельное сопротивление прошивных блоков, принимаем по данным ВАМН 3,72*10-3 .

Вш — половина ширины шахты ванны.

а — ширина бортовой настыли шахты ванны, при условии оптимальной ее формы и составляет 60см.

— ширина катодного блока с учетом набивочного шва 55 + 4 = 59см.

S ст — площадь сечения катодного стержня 115 х 230 = 365см2 .

ia — анодная плотность тока 0.7А/см.

Приведенную длину пути тока () по катодному блоку, вычисляем по уравнению:

где Н — высота катодного блока 40см.

и в — соответственно ширина и высота катодного стержня с учетом чугунной заливки = 13см. в = 26см.

Тогда

В формулу Коробова подставляем полученные значения:

Падение напряжения на участках катодных стержней на выступающих из подины участков катодных стержней.

Определяем исходя из следующих данных:

Общая площадь катодных стержней:

S к = 115 *230 * 30 = 793500мм2

где 30 — количество стержней.

Длина выступающей части катодных стержней из конструктивного расчета

При этой температуре удельное электросопротивление стали составляет

Сопротивление стальных стержней

Исходя из полученных данных, определяем падение напряжения на участках катодных стержней.

Падение напряжения в алюминиевых соединительных лентах Δ U л

Определяем площадь сечения алюминиевых лент:

Конструктивная длина алюминиевых лент:

Удельное сопротивление алюминия при средней t0лент 800C

.

Находим общее сопротивление в соединительных лентах

Падение напряжения в них составит:

Принимаем из практических данных катодные контакты 0,01В

Падение напряжения в катодном узле

Складывается из падения напряжения на подине, катодных контактов, падения напряжения на алюминиевых лентах и участках катодных стержней.

Напряжение разложения

Для электролизеров с полусухими анодами с верхним токоподводом напряжения разложения рассчитывается по формуле:

где

Падение напряжения от анодных эффектов

Определяем по формуле:

где — превышение напряжения в электролизере во время анодных эффектов.

t — продолжительность анодного эффекта.

n — количество вспышек.

24; 60 — количество минут в сутках.

Частота анодных эффектов от 0,5 — 1; выбираем 1 анодный эффект.

Напряжение от анодных эффектов от 35 — 50В; выбираем 35В.

Продолжительность анодных эффектов 2 — 3мин.; выбираем 2 минуты.

Расчет падения напряжения в ошиновке

Падение напряжения в катодной ошиновке при ее длине , площади поперечного сечения и удельном сопротивлении составит:

Греющее напряжение

Определяем по формуле:

где U а.у. — падение напряжения в анодном узле.

U к.у. — падение напряжения в катодном узле.

U эл. — падение напряжения в электролите.

U н.р. — направление разложения.

U ан.эф. — падение напряжения от анодного эффекта.

Суммируя все составляющие находим среднее напряжение:

Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем по практическим данным 0,04В .

Отсюда

Удельный расход электроэнергии

где J — сила тока.

A — часовая производительность.

24 — количество часов в сутках

Баланс напряжения электролиза

Таблица 4 — Баланс напряжения электролиза

Продолжение Таблицы 4

2 .4 Энергетический расчет электролизера

Нормальную работу электролизера можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равняется его приходу.

Энергетический расчет заключается в определении составляющих прихода и расхода энергии в процессе электролиза и в составлении теплового баланса электролизера на основании этих составляющих:

Исходные данные:

сила тока — 155кА

η — 86%

глинозем — 1920кг/т

анодная масса — 530кг

часовая производительность — 44,49кг/ч

электрохимический эквивалент — 0,336

Часовая производительность определяется по формуле:

где А — производительность.

J — сила тока

η — выход по току.

0,336 — электрохимический эквивалент.

А = 0,336 * 155 * 0,86

А = 44,79кг/ч

Зная А, определяем

Приход тепла

Qприх = Qреак + Qан + Qэн

где Qреак — тепло обратной реакции.

Qан — тепло от сгорания анода.

Qэн — тепло от электроэнергии.

Тепловые эффекты реакций протекают при электролизе, получены при t0

25 (2980К)

Q прих = 2191799, 86 кДж/ч

Расходные коэффициенты

Таблица 5 — Показатели расходных коэффициентов

1. От взаимодействия продуктов электролиза (или тепло обратной реакции)

Тепло обратной реакции определяем по формуле:

где — тепловой эффект реакции из Табл.№5 15681.

где — 0,86 — выход по току.

2. Использование тепла анодных газов СО2 и СО при охлаждении от 9600до 5000С где Рсо2 и Рсо — число молей в час данных газов.

где m = 0,6 (60%), доля СО2 и СО в анодных газах.

Отсюда находим Qан * газов

где цифровые данные 24,886 и 15,238 из Табл.№5 и

3. Тепло от электроэнергии

Расход тепла

а) На электрохимическую реакцию

(на разложение глинозема)

б) На нагрев материалов

Температура окружающей среды 250С — загружаем сырье и доводим до t0процесса 9600C

где

где — расход на часовую производите2ьность (табл.№5).

в) Тепло теряемое с отходящими газами СО2 и СО

и — число молей в час данных газов (определены ранее).

г) Тепло, теряемое наружными поверхностями электролизера

При расчете приняты t0 окружающего воздуха 2980К (250С), t0 поверхностей электролизера определяем замерами.

Тепло, теряемое, с рассчитываемых поверхностей, определяем как суммарные потери конвенций и излучение.

Расчеты ведутся по формуле:

где n — коэффициент разложения поверхности

En — степень черноты.

— коэффициент излучении.

20,53 — коэффициент излучения абсолютно черного тела.

S — площадь поверхности.

— в С0поверхности воздуха.

— t0в К поверхности воздуха.

Значения тепловых потерь заносим в Таблицу № 6.

Таблица 6 — Показатели тепловых потерь

Всего потери тепла с поверхности Q пов = 928744кДж/ч

Определение площадей теплоотдавающих поверхностей

Катодный кожух

а) Sдн. = 9,940 * 4,550 = 45,23м2 .

б) Sгор. = 45,23 — (9,44 * 4,05) = 6,99 м2 .

в) Sвер. = (9,940 + 4,550) * 2 * 1,325 = 38,40 м2 .

Катодные стержни

30 шт., выступают на 0,3м.

а) Sверт. = 30 * (0,23 * 0,155 + 2 * 0,300 * 0,115)

Sверт. = 2,86 м2 .

б) Sгор. = Sгор. вв. + Sгор.ви. = 30 * 2 * (0,3 * 0,23)

Sгор = 4.14 м2 .

Корка электролита

Газосборный колокол не доходит до кожуха на 1500м.

Sкор. = Р * 0,15

где Р — периметр внутренней поверхности катодного кожуха

Р = 2 * 9,44 + 2 * 4,05 = 26,98 м2 .

Sкор = 26,98 * 0,15 = 4,1 м2 .

Поверхность анода

а) Sгор. = 2,75 * 8,44 = 23,38 м2 .

где Р — периметр анода.

б) Sв1 = Р * = 22,38 * 0,4 = 8,95 м2 .

в) Sв2 = = 22,38 * 1,2 = 26,86 м2 .

где — 0,400мм.

— 1,200мм.

Поверхность анодных штырей

dш = 1,38 на Н — 0,7м. количество 72 шт.

Sш = 72 * * d * Н = 72 * 3,14 * 0,138 * 0,7

Sш = 21,84 м2 .

Поверхность газосборного колокола

а) Sнакл =0,26 * Рнакл = 0,26 * 27,46 = 7,14 м2 .

б) Sгор = 0,1 * Ргор = 0,1 * 25,82 = 2,6 м2 .

Потери тепла извлекаемые металлом определяются по формуле:

где Q — теплоемкость .

Q — 1,11кДж/ч/град.кг

А — производительность

Q ме = 1,11 * (960 — 25) * 44,7

Q ме = 46391,9Дж/час.

Расход тепла

Опеределяем из полученных данных:

Q расх = Q разл + Q нагр + Q газ + Q пов + Q ме

Q расх = 1060245 + 123992,4 + 32396 + 928774 + 46391,9

Q расх = 2191799,3 кДж/ч

Таблица 7 — Тепловой баланс

Список литературы

1. Троицкий И.А., Железнов В.А. “Металлургия алюминия”, 1977.

2. Терентьев В.Г., Школьников Р.М., Гринберг И.С., Черных А.Е., Зельберг Б.И., Чалых В.И. “Производство алюминия”, 1998.

3. Янко Э.А., Лозовский Ю.Д., “Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом”, 1976.

4. Справочник металлурга по цветным металлам “Производство алюминия”.

www.ronl.ru

Реферат: Производство алюминия

Введение

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать методическую литературу по проблеме исследования.

2. Ознакомиться с историей производства алюминия в России.

3. Ознакомиться с основными направлениями применения алюминия.

4. Выявить новые технологии в производстве алюминия.

1. Производство алюминия в России

1.1 Производство алюминия

Алюминий - химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металла самое важное - оксид Al2O3.

Алюминий - серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см3) , пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 oC. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой - оксидом алюминия. Оксид алюминия (Al2O3) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al2O3 + 2NaOH + 3h3O = 2Na[Al(OH)4]

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6h3O = 2Al(OH)3 + 3h3

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

2Al + 2NaOH +6h3O = 2Na[Al(OH)4] + 3h3.

Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 - белое, полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия - боксит содержит 28-60% глинозема - оксида алюминия Al2O3.

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

Процесс производства первичного алюминия состоит из трех основных фаз. Сначала осуществляется добыча необходимого сырья - бокситов, нефелинов и алунитов. Затем происходит химическая обработка руды, в результате которой получается глинозем (А1203). Из глинозема электролитическим методом получают собственно алюминий. Обычно для производства 1 т алюминия необходимо примерно 2 т глинозема. Количество бокситов, необходимое для того, чтобы в итоге произвести тонну алюминия, сильно зависит от содержания в них оксида алюминия. Так, западным компаниям обычно требуется 4—5 т бокситов, тогда как отечественного сырья может потребоваться около 7—8 т. Наиболее сложна и энергоемка последняя фаза производства первичного алюминия. Современные заводы при производстве тонны алюминия потребляют в среднем 1 3,5 МВт-ч электроэнергии2, средний расход анодной массы составляет 500-530 кг, используется также дорогостоящий фтористый алюминий[1].

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 oC), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите - минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

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

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

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

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

1.2 Запасы и производство бокситов и другого алюминиесодержащего сырья в России

В мире основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие от 32 до 60% глинозема (оксид алюминия А1203). К важным алюминиевым рудам относят также алуниты и нефелины.

Крупнейшие производители промышленных бокситов — страны, в которых сосредоточены основные запасы. Так, в 1998 г. в Австралии было добыто 45 млн. т, в Гвинее — 1 6,5 млн. т и в Бразилии — 1 2,5 млн. т, что составило 59% от мировой добычи (около 1 25 млн. т).

По мировым меркам, Россия обладает незначительными запасами промышленных бокситов — около 400 млн. т, что составляет менее 0,7% мировых запасов. При этом большинство отечественных месторождений на сегодняшний день уже в значительной степени выработаны. Кроме того, российские месторождения содержат в основном не бокситы, а нефелины, а они — худшее сырье для производства глинозема. Да и значительная часть запасов российских бокситов со сравнительно небольшим содержанием алюминия, по западным меркам, не относится к категории промышленных.

Крупнейший производитель алюминиесодержащего сырья в России - Северо-Уральские бокситовые рудники. Они до последнего времени обеспечивали Россию лучшим сырьем при достаточно высоком уровне добычи. Основные запасы рудников находятся в районе Североуральска на глубине более полукилометра. В настоящее время старые шахты практически выработаны. Бокситы добываются с глубины 700—800 м и имеют очень высокую себестоимость.

Близки к исчерпанию и месторождения Южно-Уральской и Тихвинской групп.

Ввиду слабости собственной сырьевой базы российские производители алюминия в значительной мере ориентируются на привозной глинозем. Но уповать на стабильность поставок глинозема из-за рубежа не приходится. Традиционные поставщики глинозема в Россию — Украина и Казахстан — намерены расширять собственные производства алюминия и, следовательно, у них будет меньше «свободного» сырья для экспорта в Россию. Аналогичная ситуация и в дальнем зарубежье: Австралия, крупнейший в мире экспортер бокситов, тоже постепенно увеличивает собственное производство алюминия, сокращая тем самым возможности поставки сырья на мировой рынок.

В условиях, когда растущий экспорт алюминия из России вызывает недовольство западных конкурентов, некоторые из них могут предпринять (и предпринимают) меры, направленные на сокращение производства на российских заводах. Они, в частности, могут воздействовать на российских производителей путем ограничения экспорта сырья в Россию. Осуществить такое ограничение вполне реально, имея в виду, что рынок глинозема весьма высоко монополизирован. Одна только американская корпорация Alcoa производит почти 13 млн. т глинозема (четверть мирового выпуска), а контролирует чуть ли не половину. В условиях, когда российская алюминиевая промышленность импортирует почти 2/3 необходимого ей сырья, проблема ресурсозависимости становится чрезвычайно важной.

Одним из решений задачи обеспечения ресурсами российских производителей алюминия является разработка новых отечественных месторождений. Наиболее перспективно на сегодняшний день Средне-Тиманское месторождение низкокачественных бокситов в Республике Коми. Общие запасы на Тимане, по различным оценкам, составляют от 260 до 360 млн. т. Одним из достоинств месторождения является то, что его разработку можно вести открытым способом, а это снижает себестоимость добычи на 15 20% по сравнению с шахтными разработками. Главным препятствием для освоения месторождения является полное отсутствие инфраструктуры. Так, кроме обустройства самого рудника, необходимо построить авто- и железную дороги. В настоящее время главными сторонниками освоения Тимана являются руководители Свердловской обл., где находятся основные потребители бокситов (Богословский и Уральский алюминиевые заводы с суммарным годовым выпуском в 230 тыс. т алюминия), и Республики Коми, на территории которой расположено месторождение. По их мнению, ввод в строй только первой очереди нового рудника позволит добывать 3 млн. т бокситов в год, которых заводам хватит для производства 1,2 млн. т глинозема (600 тыс. т алюминия).

Между тем очевидно, что разработка одного Средне-Тиманского месторождения не решит проблему обеспечения отечественным глиноземом I всех российских производителей. Ныне в России добывается около 8,5 млн. т бокситов и нефелинов в год, что обеспечивает производство около 2,4 млн. т глинозема. Для выпуска 3 млн. т алюминия необходимо обеспечить добычу еще по меньшей мере 1 2 млн. т промышленных бокситов, а также построить соответствующие производства глинозема. Таким образом, в ближайшее время импорт бокситов и глинозема неизбежен[2].

1.3 История развитие производства алюминия в России

Промышленное производство алюминия в России началось вначале 30х годов XX века. Для организации промышленного производства алюминия требовалось сырье и дешевая электроэнергия. В то время в России было известно лишь Тихвинское месторождение бокситов. В 1928 - 1930 годы в Санкт-Петербурге были проведены исследования по отработке технологии переработки этих бокситов на глинозем и по выбору оптимальной конструкции электролизера для первых алюминиевых заводов. Результаты этих работ были заложены в основу для проектирования Волховского алюминиевого завода.

Важнейшее значение для организации отечественного производства алюминия имело принятие и реализация плана ГОЭЛРО, что позволило обеспечить дешевой электроэнергией строящиеся заводы. В 1931г. образованы отраслевой институт алюминиевой и магниевой промышленности (ВАМИ) и в последующие годы Всероссийского института легких сплавов (ВИЛС).

Первая промышленная партия алюминия была получена на Волховском алюминиевом заводе 14 мая 1932 г. Этот день считается днем рождения алюминиевой промышленности России.

В 1933г. был пущен в эксплуатацию Днепровский алюминиевый завод на Украине.

В 1938г. на базе Тихвинского месторождения бокситов построен Бокситогорский глиноземный завод.

В 1931г. на Урале были открыты месторождения бокситов в совокупности образующих Северо-Уральский бокситовый район, который в дальнейшем стал сырьевой базой алюминиевой промышленности Урала.

В 1939г. состоялся пуск Уральского алюминиевого завода мощностью 70 тыс. т глинозема и 25 тыс. т алюминия.

В годы Великой Отечественной войны, для обеспечения возросших потребностей оборонной промышленности, было принято решение об увеличении мощностей по производству алюминия на Уральском заводе, а также о строительстве Богословского и Новокузнецкого алюминиевых заводов.

В июле 1942 г. мощности Уральского завода по производству алюминия были увеличены в два раза.

7 января 1943 г. страна получила первый сибирский алюминий на Новокузнецком алюминиевом заводе.

Первый глинозем на Богословском заводе получен 3 мая 1943г., в 1944г. начал выдавать продукцию Каменск - Уральский металлургический завод, а в день Победы - 9 мая 1945г., Богословский завод выплавил свой первый алюминий.

В послевоенный период алюминиевая промышленность России продолжала интенсивно развиваться за счет ввода новых и расширения действующих мощностей.

В пятидесятые годы введены в эксплуатацию: Кандалакшский, Надвоицкий и Волгоградский алюминиевые заводы, Белокалитвинское металлургическое производственное объединение и Самарский металлургический завод, специализирующиеся на выпуске полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, а так же Пикалевский глиноземный завод – комплексное предприятие по переработке Кольских нефелиновых концентратов.

В шестидесятые и семидесятые годы в непосредственной близости от источников дешевой электроэнергии, крупнейших ГЭС, были построены Иркутский, Красноярский и Братский алюминиевые заводы.

В этот же период были введены в эксплуатацию Красноярский металлургический завод, Павлодарский алюминиевый завод, Ачинский глиноземный комбинат и «Дмитровский опытный завод алюминиевой консервной ленты».

В 1983г. и в 1985г. вступили в строй Николаевский глиноземный и Саянский алюминиевые заводы, оснащенные современными технологиями и оборудованием.

В 1995г. начал выдавать продукцию завод «Саянская фольга».

В настоящее время алюминиевая промышленность России является крупнейшим в мире производителем и экспортером алюминия.

В 1996г. в отрасли начались структурные преобразования по созданию интегрированных компаний.

В настоящее время в отрасли действуют три алюминиевые компании: «РУСАЛ – Управляющая компания», «СУАЛ – холдинг» и Алко Россия[3].

2. Совершенствование процесса производства алюминия

В последние годы многие аналитики сферы производства легких металлов и сплавов пророчат России звание «алюминиевой сверхдержавы»: современные тенденции на мировом рынке ведут к повышенному спросу на российский металл. У отечественных предприятий действительно есть реальный шанс выйти в лидеры мировой алюминиевой промышленности — при условии, что будет решен вопрос сырья и модернизированы производственные линии.

Если с первой проблемой справиться пока сложно (хотя слияние СУАЛа и РУСАЛа открывает определенные перспективы), то в отношении совершенствования производства российские предприятия идут вперед ударными темпами. Помимо исследовательских и конструкторских подразделений крупных заводов, в стране действуют целые научные центры, такие как ОАО «СибВАМИ», которые занимаются разработкой новейших методик в области производства первичного и вторичного алюминия и его сплавов.

Модернизация производственных линий и увеличение производительности многих отечественных предприятий стали возможными благодаря разработкам Сибирского научно-исследовательского, конструкторского и проектного института алюминиевой и электродной промышленности (СибВАМИ). За последние несколько лет эта организация разработала и успешно внедрила несколько уникальных технологий, способствующих повышению эффективности производства алюминия не только в России, но и за рубежом.

К числу разработок СибВАМИ относятся новая технология производства анодной массы методом сухого смешивания и брикетирования, создание автоматических плавильно-литейных комплексов, а также ряд методик по переработке первичного алюминия. Некоторые инновации института стали поистине революционными для российских предприятий.

По данным аналитиков компании РУСАЛ, около 80% российского алюминия производится с помощью электролизеров Содерберга с самообжигающимися анодами. Технология Содерберга была предложена в 1920-х годах норвежскими исследователями и была принята российскими металлургами как более экономичная и эффективная методика по сравнению с используемой ранее системой Холла-Эру. Самообжигающиеся аноды позволили снизить себестоимость алюминия на 5,2% и практически исключить «человеческий фактор» в процессе электролиза. Однако растущий спрос на http://www.alfametal.ru/?id=shop&idmetal=2алюминий и необходимость увеличить объемы производства выявили недостатки самообжигающихся анодов. Расход электроэнергии и углерода в установках Содерберга довольно высок, как и уровень выделения вредных веществ при производстве. Впрочем, приверженцы данной технологии (а это довольно широкий круг отечественных и зарубежных предприятий) отмечают высокий потенциал самообжигающихся анодов при усовершенствовании отдельных ее элементов. Поэтому модернизация отечественных алюминиевых предприятий касается, в основном, снижения энергозатрат, решения экологических проблем и повышения производительности установок Содерберга.

Совершенствование технологии Содерберга ведется сразу в нескольких российских компаниях. Например, лидер отечественной алюминиевой промышленности компания РУСАЛ (которая входит в так называемый «клуб Содерберга», объединяющий крупнейшие заводы мира) с 2004 года реализует программу модернизации производства за счет внедрения новых моделей электролизеров (РА-300 и РА-400). Эти агрегаты позволяют освоить технологию «сухого» анода и относятся к числу «зеленых» инноваций: их установка на заводе в Хакасии позволила на 50% уменьшить выброс вредных веществ. Новые электролизеры значительно повлияли и на продуктивность завода: в среднем линия РА-300 производит до 2412 кг алюминия в сутки (показатели РА-400 немного выше). Руководство РУСАЛ отмечает, что благодаря внедрению новых технологий в области самообжигающихся анодов производительность завода в ближайшие пять лет может заметно возрасти.

В рамках программы по модернизации в некоторых российских предприятиях широко внедряется еще одна технология — обожженные аноды — ставшая для отечественных металлургов неплохой перспективой развития производства. Концепция обожженных анодов была принята в качестве основной руководством холдинга СУАЛ: переход на новую технологию полным ходом идет на заводе «ИркАЗ», одном из самых крупных заводов компании. По мнению специалистов СУАЛ, обожженные аноды, хоть и дорогая, но более эффективная технология по сравнению с электролизерами Содерберга: при ее использовании загрязнение атмосферы сводится к минимуму, а производительность предприятия значительно повышается.

Экспериментальные линии электролизеров с обожженными анодами были установлены в цехах Уральского алюминиевого завода группы СУАЛ. Первые несколько месяцев испытаний показали высокие результаты по эффективности и экологической безопасности — технология обожженных анодов легла в основу нового проекта СУАЛ по вводу в эксплуатацию новейшей модернизированной линии электролизеров «ИркАЗ-5». По расчетам аналитиков, инвестированные в этот довольно амбициозный проект 400 миллионов долларов должны окупиться в течение нескольких лет после запуска линии: ее теоретическая мощность составляет около 166,5 тысяч тонн алюминия в год — это почти две трети нынешних объемов производства.

Новые технологии производства алюминия в России — это шаг в будущее, шаг к завоеванию абсолютного превосходства на мировом рынке «самолетного металла»[4].

2.2 Основные направления применения алюминия

Алюминий – один из наиболее легких конструкционных металлов. Плотность алюминия примерно в три раза меньше, чем у железа, меди или цинка. Как легкий, коррозионно-стойкий, обладающий высокой электропроводностью и легко регенерируемый металл он играет важную роль в социальном прогрессе.

Сплавы, получаемые из алюминия наряду с низкой плотностью, отличаются высокой прочностью и другими важными механическими свойствами. Легкость обработки позволяет использовать их для производства различных изделий. Конструкции из алюминия требуют более низких затрат в течение длительного, практически неограниченного срока службы, сохраняют свои качества при низких температурах и обладают достаточной огнестойкостью.

Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин - легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Магналии - сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д. (деформируемые магналии).

Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2,5-2,8 г/см3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий - одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.

Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) - насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 oC) и сопротивления атмосферной коррозии.

Сегодня он является важнейшим конструкционным материалом для изготовления и модернизации продукции современного общества.

Технический прогресс и конкурентоспособность продукции в таких отраслях, как, транспортное машиностроение, электротехника, строительство и пищевая промышленность, а также в производстве потребительских товаров длительного пользования и различного оборудования невозможен без использования алюминия.

Основным потребителем алюминия является пищевая промышленность, где он используется в виде фольги и др. материалов для упаковки продуктов питания и напитков.

Непрерывный рост использования алюминия в транспортном секторе и, прежде всего в производстве автомобилей, а также в сооружении грузовых судов, железнодорожных вагонов и скоростных поездов, снижает расход топлива и вредные выбросы в атмосферу. Алюминий продолжает оставаться важнейшим компонентом конструкции самолетов, как военного, так и коммерческого назначения.

В строительном секторе, наряду с традиционными направлениями его применения в производстве окон, дверей, несущих конструкций и в наружной отделке, расширяется использование эффективных модульных компонентов, изготовленных с использованием панелей на основе алюминия.

Благодаря непрерывному техническому прогрессу в вопросах совершенствования технологий производства изделий из алюминия, созданию новых, упрочненных алюминием, композитных материалов с заранее определенными свойствами сферы использования алюминия постоянно расширяться.

Исключительно высокая регенерационная способность и уникальные качества алюминия, сохраняющиеся при его извлечении из ломов и отходов, позволяют многократно использовать его для производства различных изделий. Применение вторичного алюминия позволяет экономить до 95% энергии по сравнению с энергией необходимой для производства первичного алюминия.

Алюминиевая промышленность России, по мере подъема экономики страны будет играть важную и все более возрастающую роль в обеспечении конкурентоспособности национальной продукции на мировом рынке.

Применение алюминия весьма эффективно в тепличном хозяйстве. Оно позволяет перевести строительство теплиц на поточную основу. При этом конструкции получаются довольно легкими, что облегчает труд рабочих, позволяет увеличить пролеты между опорами. Последнее очень важно с точки зрения механизации работ в теплицах. Прочность алюминия при низких температурах делает его незаменимым в условиях Крайнего Севера, Сибири. Зимой в таких теплицах экономится более 20 процентов тепла, до 5 раз сокращается бой стекла (а это миллионы квадратных метров). Благодаря высокой отражательной способности алюминия по сравнению с оцинкованной сталью алюминиевые теплицы отличаются лучшей освещенностью. При сооружении перекрытий зданий со свободным расположением опор, например, выставочных залов свободной, «неправильной'», планировки, очень удобны пространственные решетчатые плиты из алюминиевых сплавов. Примером может служить структурная конструкция над концертным залом в городе Сочи. Она имеет вид неправильного шестиугольника площадью 4370 квадратных метров. Площадь покрытия над прилегающим к залу фойе — 1300 квадратных метров. Эти огромные сооружения не производят впечатления чего-то громоздкого и тяжелого, они создают ощущение парения над опорами. Конструкции действительно очень легки. Не случайно некоторые части покрытия выступают за опоры на расстояние до 15 метров. Высота решетчатой конструкции — 2,45 метра, основной ее элемент — трубы, соединенные сваркой в трехгранные пирамиды, которые при монтаже соединяли высокопрочными болтами[5].

2.3 Алюминиевые сплавы в авиаракетной и ядерной технике

История алюминиевых авиационных сплавов ведет начало с 1911 г., когда в Германии Альфред Вильм установил, что если алюминиевый сплав, содержащий 4% меди и 0.5% магния, закалить и оставить вылеживаться на воздухе, его прочность существенно повысится. Этот процесс получил название "старения", хотя было бы правильнее назвать его "возмужанием".

Как было выяснено в дальнейшем, при старении атомы меди группируются в мельчайшие зоны, число которых - миллионы. Атомы меди имеют меньший диаметр, чем атомы алюминия, поэтому возникает напряжение сжатия и прочность повышается. Сплав Вильма, который впервые был освоен в Германии на заводах "Дюрал-металлверке", получил название "дуралюмин". Впоследствии американцы, повысив содержание в нем магния до 1.5%, создали очень хороший сплав 2024. И поныне он широко применяется в разных модификациях.

Еще в годы Второй мировой войны мы смогли детально ознакомиться со сплавом 2024. В конце войны на советский Дальний Восток залетели американские бомбардировщики Б-29, подбитые японцами. В то время Россия были союзниками США, но Сталин, ничего не сообщив США, издал распоряжение: точно воспроизвести Б-29, любое изменение могло вноситься лишь с его разрешения. Один самолет был разделен на отдельные узлы в конструкторских бюро Ильюшина и Туполева, а во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ) изучили свойства и структуру сплава 2024, составили технические условия его производства, отвечающие американским требованиям.

Трудностей с воспроизведением самолета Б-29 было очень много, особенно с получением плит длиной 30 м для крыльев. Дело в том, что большие плоские слитки, отливаемые непрерывным методом с резким охлаждением водой, в процессе литья иногда разрывались от термических напряжений, и куски весом в несколько сот килограммов разлетались на много метров. Литье слитков все же было освоено, производство налажено. Советские металлурги и конструкторы сумели в короткие сроки изготовить 850 самолетов Ту-4, полностью копировавших Б-29 и получивших название летающие крепости. Такие темпы в начале XXI в. не достижимы в России.

На Семипалатинском полигоне с одного из этих самолетов в 1949 г. была сброшена атомная бомба, положившая конец ядерной монополии США.

Пикирующий бомбардировщик Ту-16. Было известно, что если ввести в алюминиевый сплав цинк, то есть базироваться на четверной системе «алюминий-цинк-магний-медь», то можно существенно улучшить свойства сплава. В своей докторской диссертации академик И. Н. Фридляндер изучил четверную систему «алюминий-цинк-магний-медь» и установил ее фундаментальные закономерности. При определенном соотношении цинка и магния увеличение содержания меди в сплаве приводило к тому, что одновременно повышались прочность, пластичность, коррозионная стойкость и вязкость разрушения. Вот на этом основании российские ученые смогли создать группу очень хороших высокопрочных алюминиевых сплавов В95, В96цЗ и особо прочный В96ц.

Все самолеты КБ Туполева делались из сплава В95, в том числе стратегический бомбардировщик Ту-95 (1955). И современные самолеты - Ту-204, Ту-334 - изготавливают тоже из сплавов В95 и 1163. Исключение составляет самолет Ту-160. У этого самолета единственная задача: перелететь через океан, сбросить ядерную бомбу и удирать с максимальной скоростью. Скорость его полета 2200 км/час. При такой сверхзвуковой скорости обшивка самолета нагревается до 120-140 °С, поэтому для него рекомендован жаропрочный сплав АК4-1.

Антей. В 1950-х годах возникла проблема создания мощного военно-транспортного самолета Ан-22 ("Антей"). Все его силовые узлы должны были делаться в виде больших штамповок. Обычно штамповки закаливают в холодную воду, что обеспечивает высокую скорость охлаждения и высокую прочность. Но для очень больших штамповок "Антея" поводки оказывались таких размеров, что эти штамповки невозможно было механически обрабатывать. Требовался сплав, который при закалке в горячую воду уменьшил бы скорости охлаждения и поводок, не теряя прочности. Мы создали такой высокопрочный оригинальный сплав В93 и из него сделали все большие штамповки и детали.

Силовой каркас из сплава В93 демонстрировался на авиасалоне в Ле Бурже в 1965 г. В качестве легирующей добавки в нем, вместо традиционно применяемых циркония или марганца, мы использовали обычно ограничиваемое железо, что и позволило осуществлять закалку в горячую воду. Что касается "Антея", то он прошел несколько необычных испытаний - полеты в Афганистан, Прагу, Будапешт с грузом порядка 100 т.

По аналогии с Ан-22 построены современные транспортные самолеты Мрия и "Руслан". Они также сделаны из сплава В93. Максимальная их нагрузка 200 т, при которой они могут совершать полеты на расстояние до 4500 км. "Мрия" и "Руслан" - ныне монопольные перевозчики грузов на межконтинентальные расстояния, недавно они перевозили из Европы в Австралию блок атомной электростанции.

Истребители МиГ-23. В 1973 г. были запущены в серию изготовленные из сплава В95 мощные истребители МиГ-23. Но при испытаниях в двух летных школах произошли отрывы крыльев. Правительственная комиссия во главе с генерал-полковником авиации И.И. Пстыгой обратила внимание разработчиков на большие перегрузки, которые испытывает самолет при крутых виражах в боевых условиях. В ходе испытаний, проведенных в Центральном аэрогидродинамическом институте, удалось установить, что вредные примеси железа и кремния сильно снижают конструктивную прочность крыльев. Учитывая это, был создан сплав В95 повышенной чистоты - В95пч. Его применение обеспечило надежность истребителей. Всего выпущено 16 тыс. МиГ-23 из сплава В95пч, катастроф не было. В истребителе пятого поколения фирмы КБ Сухого предполагается использовать наш сверхпрочный сплав В96цЗ. Этот истребитель будет не хуже американского истребителя пятого поколения.

Гидросамолеты и аэробусы. Очень модный сейчас гидросамолет Бе-200 фирмы Г.М. Бериева, предназначенный для тушения пожаров, построен целиком из нашего алюминиево-литиевого сплава 1441. В России имеются международные патенты и соглашения о покупке лицензий на этот сплав в Англии и США.

Первыми высказали желание приобрести Бе-200 китайцы. Но после недавних лесных пожаров в Европе и Австралии круг заказчиков значительно расширился. Именно это и подвигло Европейскую авиационную фирму (EADS) приобщиться к продвижению самолета на мировой рынок, сулящему неплохие дивиденды. Реальный рынок Бе-200 оценивается в 7 млрд. долл.

В 2006 г. должен войти в эксплуатацию европейский аэробус А-380, вмещающий 555 человек. Фирма "Эрбас" имеет уже 135 заказов на аэробус VIP-класса с водным бассейном, теннисными площадками, отдельными каютами для пассажиров. В этом самолете широко применены наши сплавы, в частности узел крепления крыла к центроплану сделан из сплава 1933 на Самарском металлургическом заводе.

С появлением такого самолета приходит конец концепции безопасной повреждаемости. Сейчас европейцы работают над тем, чтобы не допустить появление трещин в конструкции самолета. С этой целью фюзеляж делается не из обычных алюминиевых сплавов, а из многослойных сплавов типа ГЛЕР или наш СИАЛ, то есть берутся тонкие алюминиевые листы, между которыми прокладывается стеклоткань. В этом случае трещины не растут.

Сверхскоростные атомные центрифуги. Только СССР и Россия овладели чрезвычайно эффективной центрифужной технологией обогащения урана-235. США по-прежнему обогащают уран по энергоемкой термодиффузионной технологии. Отечественные центрифуги сделаны из нашего самого прочного в мире сплава В96ц. В Новоуральске, раньше совершенно закрытом городе, крутятся многие сотни тысяч сверхскоростных атомных центрифуг, а по всей России - миллионы.

Ракета-носитель "Энергия". В.П. Глушко и Ю.П. Семенов доложили в свое время Политбюро ЦК КПСС, что готовы создать ракету, которая может конкурировать с американскими шаттлами. Ракета работает на жидком водороде и жидком кислороде. Центральный ее бак, заполненный жидким водородом, имеет диаметр 8 м, высоту 40 м, вокруг него размещены четыре бака с жидким кислородом. Для этих баков потребовался сплав, который при понижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия не только не охрупчивался бы, как это происходит со сталью, а наоборот, упрочнялся и одновременно повышалась бы его пластичность. Вот такой сплав был создан. Сплав 1201 системы "алюминий-медь-марганец" в результате понижения температуры упрочняется на 60%, одновременно повышается его пластичность.

При создании ракеты были очень большие дискуссии, потому что некоторые институты Министерства общего машиностроения считали, что надо строить эти ракеты из менее прочного, но хорошо проверенного надежного сплава АМг6 -системы "алюминий-магний", а со сплавом 1201 мы провалимся. Действительно, трудностей было много, все они преодолены, и такие ракеты строятся только из сплава 1201.

Энергия" вывела в космос орбитальный самолет "Буран", а уже в наши дни из сплава 1201 создаются на заводе им. М.В. Хруничева ракеты для отправки людей и грузов на международную космическую станцию[6].

2.4 Экологические меры безопасности в производстве алюминия

Экологический фактор играет огромную роль в производстве алюминия. Приведем в качестве примера экологическую политику Объединенной компании РУСАЛ. Первая в мире по объемам производства и глинозема, Объединенная компания РУСАЛ стремится занять лидирующие позиции также в области экологии, охраны труда и промышленной безопасности, использовать новые подходы в реализации социальных и благотворительных программ. Осуществляя свою деятельность на 5 континентах в 19 странах мира, она, как глобальная компания, видит свою миссию в том, чтобы устойчивое развитие бизнеса способствовало социально-экономическому процветанию регионов и стран. РУСАЛ стремится стать компанией, которой гордятся сотрудники и их дети, население стран и регионов, где расположены предприятия.

Устойчивое развитие требует продуманной системы мероприятий, охватывающей все области деятельности компании. В ее основе – ответственность перед партнерами, клиентами, сотрудниками и населением стран присутствия, повышенное внимание к экологии, серьезные инвестиции в развитие новых технологий, постоянное совершенствование производственных процессов.

Объединенная компания успешно реализует комплекс программ, направленных на эффективную защиту окружающей среды, улучшение условий труда, повышение благополучия сотрудников и их семей, создание условий для социально-экономического развития регионов. Конструктивный диалог бизнеса и общества является гарантией социальной стабильности, без которой невозможно долгосрочное и успешное развитие бизнеса.

Компания практикует корпоративную социальную отчетность – предоставление общественности подробной информации о результатах реализации проектов и инициатив, нацеленных на развитие компании как социально-ответственной, динамично развивающейся транснациональной корпорации.

В соответствии с концепцией устойчивого развития, а также принятой в 2007 году в рамках инициативы ОК РУСАЛ по минимизации риска климатических изменений “Стратегией безопасного будущего”, компания продолжает внедрять инновационные технологии XXI века и активно использовать экологически чистые источники энергии.

Ответственный бизнес обязан заботиться об охране окружающей среды, и такой подход базируется на трех ключевых принципах:

1.  экологический прогресс обязателен и реален;

2.  основа такого прогресса – инвестиции в инновации;

3.  необходимо поддерживать международные и национальные экологические инициативы.

Принятая ОК РУСАЛ экологическая стратегия всесторонне учитывает сложность поставленных задач и определяет основные направления деятельности.

Соответствие экологическому законодательству и современным стандартам:

·            Все действующие алюминиевые и 70% глиноземных заводов Компании сертифицированы по стандарту ISO 14001 (экологический менеджмент).

·            Создается корпоративная система интегрированного менеджмента для управления экологическими аспектами и рисками.

·            ОК РУСАЛ впервые в России начала проводить замеры выбросов перфторуглеродов (один из газов, влияющих на возникновение парникового эффекта).

Внедрение новых технологий, соответствующих современным мировым стандартам:

·            Ежегодно OК РУСАЛ инвестирует в научно-исследовательскую деятельность $100 млн. В последующие три года общий объем инвестиций в строительство и модернизацию производственных мощностей составит более $10 млрд.

·            Ведутся разработка и внедрение собственных энергосберегающих производственных технологий РА-300, РА-400, РА-500.

·            Продолжается совершенствование технологии Содерберга.

·            Начато создание электролизера с вертикальными инертными электродами.

·            Идут испытания новой технологии с обожженными анодами, работающей на высокой плотности тока.

Внедрение экологически безопасных технологий и модернизация заводов позволит сократить к 2015 году количество выбросов парниковых газов в атмосферу в 1,5 раза.

Принятие обдуманных масштабных решений по экологическим вопросам:

·            Создание партнерства «Национальное углеродное соглашение».

·            Принятие добровольных целей по снижению эмиссии парниковых газов.

·            Принятие 10 принципов Глобального договора

·            Принятие добровольных целей Международного института алюминия в области устойчивого развития.

·            Стремление к соответствию международным требованиям Стокгольмской конвенции по стойким органическим соединениям.

·            Соблюдение «Хартии российского бизнеса» РСПП

·            Минимизация климатических изменений в соответствии с положениями Киотского протокола.

·            Подписание Меморандума о намерении по реализации совместных действий, направленных на снижение выбросов парниковых газов с Программой развития ООН.

Рациональное использование природных ресурсов:

·            Гидроэнергетика – самый экологически чистый источник энергии – обеспечивает практически 80 % энергетических потребностей производства.

·            Постоянное сотрудничество с населением регионов по вопросам экологической безопасности и учет общественного мнения.

алюминий производство боксит сплав

Заключение

Российские алюминиевые сплавы прошли блистательный путь развития. Трудно себе представить, какой из конструкционных материалов может сейчас успешно конкурировать с алюминием. Не случайно он является основой большинства конструкций в ведущих областях техники - в авиации, ракетах, атомной промышленности. Он применяется также в строительстве, преимущественно в виде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Созданы алюминиевые сплавы с прочностью среднелегированной стали, криогенные сплавы высокой пластичности для температуры жидкого водорода, сверхлегкие алюминиевые сплавы с литием - все, что в 1950-х годах считалось невозможным, стало действительностью. Новые сплавы рождались на базе теоретических открытий и обобщений, их применение становилось возможным после преодоления сложных технологических трудностей и в жесткой борьбе с многочисленными оппонентами, призывающими использовать то, что хорошо проверено практикой, и не подвергать себя опасностям, связанным с освоением нового неизведанного материала. Накопленный опыт показывает, что только постоянный и мощный прогресс алюминиевых сплавов обеспечил важнейшим изделиям авиационной, ракетной и ядерной техники лидирующее положение в мире.

Список литературы

1.       Алюминиевая промышленность мира// География. – 2001. - № 10. – С. 21.

2.       Ивановский Л. Е. Физическая химия и электрохимия хлоралюминиевых расплавов. – М.: Наука, 1993.

3.       Кац Я. Российский алюминий 2000// Рынок ценных бумаг.- 2000. - № 8. – С. 35.

4.       Козаренко А. Е. Апатит-нефелиновые месторождения Хибин// География. 2001. - № 4. – С. 4.

5.       Ломако П. Крылатый металл// Правда. – 1982. – 13 июня. – С. 6.

6.       Перспективы развития технологических процессов глиноземного производства.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

7.       Проблемы производства алюминия, магния и электродных материалов.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

8.       Производство алюминия Литейное производство. – 1992. - №9.- С. 84.

9.       Сухарев И. Р. Бокситы – глинозем – алюминий География. – 1998. - № 17. С. 6.

10.  Фридляндер И. Алюминиевые сплавы в авиаракетной и ядерной технике Вестник Российской Академии наук. – 2004. – Т. 74. - № 12. – С.1076.

www.referatmix.ru

Смотрите также

• 
  Польза физкультуры реферат
• 
  Межличностная коммуникация реферат
• 
  Природа конфликта реферат
• 
  Оздоровительное плавание реферат
• 
  Эверест гора реферат
• 
  Раздаточная коробка реферат
• 
  Датчики уровня реферат
• 
  Философия лейбница реферат
• 
  Театры мира реферат
• 
  Реферат макиавелли государь
• 
  Плесневые грибы реферат