Сырье для производства алюминия

Исходное сырье

Алюминий − один из наиболее распространенных в природе элементов:

по содержанию в земной коре (7,45 %) он уступает только кислороду и крем-

нию.

Вследствие высокой химической активности алюминий в природе встре-

чается только в связанном виде. Число минералов, содержащих алюминий,

очень велико: по данным академика А. Е. Ферсмана, таких минералов насчи-

тывается около 250.

Ниже приведены наиболее важные из этих минералов с указанием содер-

жания в них Аl2O3, %:

Корунд Al2O3 100

Диаспор, бемит Al2O3·Н2О 85,0

Шпинель Al2O3·MgO 71,0

Гиббсит (гидраргиллит) Al2O3·3Н2О 65,4

Кианит, андалузит, силлиманит Al2O3·SiO2 63,0

Каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O 39,5

Серицит, мусковит К2О·3Аl2О3·6SiO2·2Н2О 38,4

Алунит К₂S0₄·Аl₂(S04)₃·4Аl(ОН)₃ 37,0

Анортит CaO·Al₂O₃·2SiO₂ 36,7

Нефелин (Na,К)2O·Al₂O₃·2SiO₂ 32,3÷35,9

Лейцит K₂O·Al₂O₃·4SiO₂ 23,5

Альбит Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂ 19,3

Ортоклаз К₂О·АlО₃·6SiO₂ 18,4

Из содержащих алюминий минералов наиболее распространены в приро-

де алюмосиликаты: полевые шпаты (ортоклаз, альбит), нефелин, минералы

группы силлиманита, лейцит и др. Эти алюмосиликаты имеют первичное

происхождение и являются главной составляющей многих вулканических по-

род. Первичное происхождение имеют также химические соединения оксида

алюминия с оксидами других металлов (шпинели) и корунд. Прозрачные раз-

новидности корунда, окрашенные оксидами других металлов или бесцветные, являются драгоценными камнями (рубин, сапфир, лейкосапфир).

Под воздействием изменений температуры, кислых и щелочных раство-

ров, углекислоты происходит разрушение горных пород первичного происхо-

ждения. В результате такого разрушения образовались многочисленные вто-

ричные породы, которые характеризуются более высоким содержанием окси-

да алюминия. В составе этих вторичных пород алюминий находится в виде

гидроксидов (бокситы), каолинита (глины, каолины, глинистые сланцы), алу-

нита (алунитовые породы). Из алюминиевой руды, как правило, сначала получают оксид алюминия (глинозем). Далеко не все горные породы, содержащие алюминий, можно использовать для получения глинозема.

При оценке качества алюминиевой руды учитывают целый ряд факторов:

химический и минералогический состав руды, возможность извлечения из нее глинозема известными способами, а также условия залегания руды, удаленность месторождения от путей сообщения, наличие источников топлива, воды и многие другие. В настоящее время в качестве алюминиевых руд используют бокситы, нефелиновые и алунитовые породы, каолины, кианитовые породы. Возможным сырьем для получения глинозема также являются серициты, высокоглиноземистые золы, образующиеся при сжигании углей, металлургические шлаки, отходы обогащения углей.

Бокситы − важнейшая алюминиевая руда. На долю бокситов приходится

основная часть мирового производства глинозема. Алюминиевая промышленность зарубежных стран практически полностью работает только на бокситах.

В нашей стране наряду с бокситами для производства глинозема в значитель-

ных количествах используются нефелиновые и алунитовые руды.

Бокситы являются сложной горной породой, алюминий в которых нахо-

дится в виде гидроксидов − диаспора и бемита (одноводные оксиды), гиббсита

или гидраргиллита (трехводный оксид). Наряду с гидроксидами часть алю-

миния может находиться в бокситах в виде корунда, каолинита и других минералов. Кроме того, в состав боксита в виде различных химических соединений входят железо, кремний, титан и другие элементы. Железо может находиться в бокситах в виде гематита Fе2О3, гетита 2Fе₂0₃.Н₂О, сидерита FеСО₃, пирита FeS₂, шамозита 4FеО·Аl₂O₃·3SiO₂·4Н₂O и ряда других соединений. Кремний присутствует в бокситах в виде кварца, опала, халцедона (различные модифи-

кации SiO2), каолинита, шамозита и некоторых других минералов. Основные

титановые минералы в бокситах: анатаз и рутил TiO₂ и ильменит FeO·TiO₂. В

бокситах могут присутствовать также карбонаты кальция СаСО3 и магния

MgCO₃, органические соединения, соединения серы, фосфора, хрома и других

элементов. Сера присутствует в бокситах в основном в виде пирита и его кол-

лоидной разновидности − мельниковита, фосфор − в виде апатита

3Cа₃(РO₄)₂·СаF₂. В небольших количествах в бокситах часто присутствуют со-

единения редких элементов: ванадия, галлия, циркония, ниобия и др. Всего в

 

составе бокситов в виде различных соединений обнаружено 42 химических

элемента. Химический состав бокситов, а также их физические свойства весьма различны. В них содержится Аl₂О₃ 35÷70 %, SiO₂ − от десятых долей до 25 %, Fе₂О₃ 2÷40 %, TiO₂ − от следов до 11 %. Содержание ряда элементов в бокситах измеряется сотыми и даже тысячными долями процента, например ванадия 0,025÷0,15 %, галлия 0,001÷0,007 %.

По внешнему виду бокситы часто похожи на глину, цвет их − от белого до темно-красного (чаще всего красный с различными оттенками). Структура бокситов может быть плотной и пористой. Плотность их от 1,2 до 3,5 г/см3,твердость от 2 до 7 (по шкале Мооса).

Различают каменистые, рыхлые и глинистые бокситы, которые отличают-

ся не только своими физическими свойствами, но и химическим и минерало-

гическим составом. Каменистые бокситы являются, как правило, высокожелезистыми; содержание оксида кремния в них обычно невелико. Рыхлые бокси-

ты отличаются от каменистых в основном более высоким содержанием каолинита при уменьшенном количестве гидроксида алюминия. Глинистые бокситы характеризуются высоким содержанием каолинита и низким содержанием оксидов железа.

В зависимости от того, в какой минералогической форме гидроксиды

алюминия находятся в бокситах, они делятся на диаспоровые, бемитовые,

гиббситовые и смешанные. В смешанных бокситах одновременно присутствуют две формы гидроксида алюминия (диаспор-бемитовые, гиббсит-бемитовые

бокситы). Наибольшее влияние на качество бокситов оказывает содержание в них

оксидов алюминия и кремния. Отношение содержания Аl2О3 в боксите к со-

держанию SiO2 (по массе) называют кремневым модулем боксита. Чем

больше величина кремневого модуля, тем выше качество боксита.

По ГОСТ 972−84 в зависимости от вида потребления бокситы

подразделяются на 7 марок:

ЭБ-1 и ЭБ-2 – Производство электрокорунда

ЦБ-1 – Производство глиноземистого цемента

ЦБ-2 – Производство цемента

ОБ – Производство огнеупоров

ГБ – Производство глинозема

МБ – Мартеновское производство стали

Комплексный показатель качества боксита, перерабатываемого на глино-

зем (марка ГБ), зависит от технологической схемы его переработки и от содержания в нем А12O3, SiO2 и других составляющих, которые оказывают влияние на эффективность переработки. Большая часть мировых запасов бокситов сосредоточена в остаточных

месторождениях. Это − основные месторождения Африки, полуострова Индостан, Центральной и Южной Америки, Австралии.

Разведанные запасы бокситов в нашей стране относительно невелики и

качество их в основном невысокое. Кроме того, часть месторождений находится в районах, трудных для освоения, и непригодна для разработки болееэффективным открытым способом.

Наиболее важным является Североуральское месторождение бокситов в

Свердловской области. Ряд месторождений бокситов бемит- диаспорового

типа открыт на Южном Урале в Челябинской области и Башкирской АССР.

Южноуральские бокситы характеризуются повышенным содержанием крем-

незема и оксида углерода (IV), а также высокой твердостью. Их добывают также подземным способом. Добываемые бокситы в среднем содержат, % (по

массе): Аl2O3 50÷53; SiO2 5÷10 и Fе2О3 21÷22. В Северном Казахстане (в районе Тургайского прогиба) известен ряд месторождений гиббситовых бокситов: Амангельдинское, Краснооктябрьское, Белинское, Аятское и др. Тургайские

бокситы в основном относятся к среднежелезистому типу, имеют относительно высокое содержание каолинита и низкий кремневый модуль. Тургайские бокситы добывают открытым способом. В основной массе бокситов в среднем содержится 42÷44 % Аl2O3, 9÷11 % SiO2 и 16÷20 % Fе2О3 при кремневом модуле 4÷5.

В Ленинградской области находится Тихвинское месторождение гиббсит-

бемитовых бокситов. Химический состав и физические свойства тихвинских

бокситов весьма разнообразны, но в целом качество их невысокое. В настоя-

щее время запасы тихвинских бокситов в основном исчерпаны. В Архангель-

ской области в районе Северной Онеги ведется разработка месторождения

гиббсит-бемитовых бокситов. Североонежские бокситы характеризуются вы-

соким содержанием глинозема (51÷56%), небольшим содержанием оксида же-

леза (6÷9%), но имеют низкий средний кремневый модуль − около трех. Североонежские бокситы в отличие от бокситов других месторождении содержат относительно много хрома (0,5÷0,8%.Сr2O3); кремнезем (16÷20%) находится в боксите в основном в виде каолинита. Бокситы добывают открытым способом. Зарубежная алюминиевая промышленность в основном работает на высококачественных бокситах гиббситового типа. Лишь в отдельных странах

(Франция, Греция и др.) имеются заводы, работающие на бемитовых бокситах.

Крупные месторождения бокситов находятся в Австралии, на африканском

континенте (Гвинея, Гана), в странах Южной Америки (Суринам, Гайана, на

Ямайке, Бразилия). В Азии большие запасы бокситов имеются

в Индии, Индонезии, Китае, Малайзии. На европейском континенте крупные

месторождения бокситов имеются во Франции, Венгрии, Югославии и Гре-

ции. Такие страны Европы, как ФРГ, Норвегия, Швеция и Англия, обладаю-

щие сравнительно развитой алюминиевой промышленностью, собственных

месторождений бокситов почти не имеют и используют привозное сырье (глинозем и бокситы). Соединенные Штаты значительную часть перерабатывае-

мых бокситов ввозят из других стран. Канада, имеющая развитую алюминие-

вую промышленность, собственных бокситов не имеет и экспортирует сырье

(бокситы и глинозем) из многих стран Америки и Африки.

 

В нашей стране также перерабатывается некоторое количество бокситов,

поступающих из зарубежных стран: Гвинеи, Югославии, Греции. Поступаю-

щий из Гвинеи гиббситовый боксит имеет следующий состав, % (по массе):

Al₂O₃ 45÷48; Fe₂O₃ 20÷25; SiO₂ 1,5÷2,5.

Наряду с бокситами в нашей стране для производства глинозема исполь-

зуют нефелины и алуниты. Вовлечение в производство новых видов сырья

позволило не только расширить сырьевую базу алюминиевой промышленно-

сти, но и более рационально разместить алюминиевую промышленность.

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов, уртитов и других по-

род. Запасы уртитов были обнаружены на Кольском полуострове − в Хи-

бинских горах. Основными компонентами Кольских уртитов являются апатит

3Cа₃(РО₄)₂·СаF₂ и нефелин (Na, K)2O·Al₂O₃·2SiO₂. Содержание апатита в руде

в среднем составляет 43 %, нефелина 38 %, остальное − пироксены, сфен, ти-

таномагнетит, полевой шпат и другие минералы. В природном нефелине моле-

кулярное отношение SiO₂ к Al₂O₃ несколько более 2; состав нефелина может

быть выражен следующей формулой (Na,К)2O·Al₂O₃·(2+n) SiO₂,где n = 0÷0,5.

Руду подвергают флотационному обогащению. При этом получается апа-

титовый концентрат, который используют для производства фосфорных удо-

брений, и нефелиновые хвосты. Хвосты вновь подвергают флотации (пере-

чистке) и получают нефелиновый концентрат − сырье для производства гли-

нозема.

Нефелиновый концентрат представляет собой измельченный материал, в

котором от 20 до 40 % фракции менее 0,085 мм. Содержание нефелина в нефе-

линовом концентрате достигает 95%.

По техническим условиям (МРТУ 6-12-54−80) нефелиновый концентрат

должен содержать (в пересчете на сухое вещество) не менее 28,5% Аl₂O₃ и

17,5% (Na₂O+K₂O). Средний химический состав концентрата следующий, %

(по массе): Аl₂O₃ 28,5; SiO₂ 44; Fe₂O₃ 3,5; (Na₂O+K₂O) 18.

Месторождение уртитов Кия-Шалтырское обнаружено в Кемеровской об-

ласти, которое характеризуются высоким качеством и в отличие от других известных нефелиновых руд могут перерабатываться без предварительного обогащения.

По техническим условиям (ТУ 48-0113−81) нефелиновая руда этого месторождения должна содержать не менее 26,5 % Аl₂O₃ и 12,4,% (Na₂O+K₂O в пересчете на Na₂O). Руда представляет собой светло-серую, средне- и крупнозернистую породу, содержащую в среднем 85 % нефелина. По содержанию оксида алюминия кияшалтырская руда мало отличается от Кольского нефелинового концентрата, но содержит меньше щелочей и больше оксида железа.

Наряду с глиноземом при переработке нефелиновых руд и концентратов

получают соду и поташ. Кроме того, отходы глиноземного производства − белитовые шламы используют для получения цемента. Следовательно, нефелиновые руды являются комплексным сырьем, что делает переработку их экономически целесообразной, несмотря на низкое по сравнению с бокситами содержание глинозема. Алуниты входят в состав алунитовых пород, месторождения которых об наружены в Азербайджане, Казахстане, Узбекистане и на Украине. В минералогическом отношении алунит представляет собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K₂SO₄·А1₂(SO₄)3·4А1(ОН)₃.

Различают натриевую и калиевую разновидности алунита: натриевая – с молекулярным отношением Na₂O:K₂O=(1,76÷6):1, калиевая − Na₂O:K₂O=1:2. В промышленных месторождениях обычно находится изоморфная смесь этих

двух разновидностей с преобладанием калиевой.

Минералы группы силлиманита (кианит, силлиманит, андалузит) входят

в состав ряда горных пород, месторождения которых обнаружены на Коль-

ском полуострове, в Сибири, на Урале. Наиболее крупным из них является месторождение кианитов на Кольском полуострове. Среднее содержание кианита в руде этого месторождения 30÷40%. При обогащении руды методом флотации выделен концентрат, содержащий до 60 % Аl₂O₃. Кианитовый концентрат − хорошее сырье для получения алюмокремниевых сплавов и высокоглиноземистых огнеупоров.

Глины и каолины − наиболее распространенные глиноземсодержащие

породы. В стране имеется ряд крупных месторождений высококачественных

глин и каолинов на Урале и в Сибири. Алюминий находится в глинах в виде

водного алюмосиликата − каолинита. Чистые глины с высоким содержанием

каолинита и соответственно небольшим содержанием примесей называются

каолинами. Качество каолинов, как алюминий содержащего сырья, определя-

ется, прежде всего, содержанием каолинита и возможностью их обогащения.

Каолины в настоящее время используют для получения кремнеалюминиевого

сплава − силикоалюминия непосредственным восстановлением; они являются также возможным сырьем для получения глинозема кислотными способами и способом спекания.

Серицит Ка₂О·ЗАl₂O₃·6SiO₂·2Н₂О − водный алюмосиликат калия содер-

жит около 10 % К₂О и свыше 39 % Аl₂O₃. При флотационном обогащении не-

которых медных руд получаются хвосты с высоким содержанием серицита.

Повторной флотацией хвостов удается выделить концентрат, состоящий почти

из чистого серицита. Этот концентрат может быть использован для получения

глинозема, щелочи и цемента.

Сырьем для получения глинозема могут служить каменноугольные золы,

отходы обогащения каменных углей и глиноземистые шлаки, образующие-

ся при восстановительной плавке некоторых железных руд. Содержание Аl₂O₃

в золе от сжигания некоторых углей, а также в хвостах от обогащения углей

достигает 30÷40 %, остальное − в основном кремнезем.