Глава 1
Свойства и применение алюминия
Алюминий - химический элемент III группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Вследствие высокой химической активности алюминий в природе находится только в связанном виде. По содержанию в земной коре он занимает первое место среди металлов - 8,13 % [1] и третье место после кислорода и кремния. По данным академика А.Е. Ферсмана, насчитывается более 250 минералов алюминия, которые преимущественно сосредоточены вблизи поверхности земли, и более 40 % из них относится к алюмосиликатам.
1.1. История развития алюминиевой промышленности
Первые неудачные попытки выделения алюминия в свободном виде были предприняты английским химиком Гемфри Деви в 1810 г. Впервые металлический алюминий выделил в 1825 г. датский физик Ганс Кристиан Эрстед, а уже в 1854 г. француз Анри Сент-Клер Девиль, используя работы Эрстеда и Фридриха Вёлера, начал его коммерческое производство. По способу русского ученого Н.Н. Бекетова в г. Гмелингеме (Германия) в 1885 г. построен завод, где за пять лет произведено 58 т алюминия - более четверти всего мирового производства алюминия, полученного химическим путем за период с 1854 по 1890 г.
Производство алюминия химическим способом не могло обеспечить промышленность дешевым и достаточно чистым металлом. Положение коренным образом изменилось после организации промышленного производства электроэнергии и передачи ее на дальние расстояния.
История многотоннажного промышленного производства алюминия начинается с 1886 г., когда Поль Эру (Франция) и Чарльз Холл (США) почти одновременно предложили получать алюминий электролизом глинозема в расплавленном криолите. С этого времени новый способ производства алюминия начал широко развиваться, чему способствовали совершенствование технологии получения алюминия и прогресс в электроэнергетике [2]. Производство алюминия методом электролиза криолитоглиноземного расплава впервые было организовано Ч. Холлом в г. Кенсингтоне близ Питтсбурга (США) в ноябре 1888 г. В небольшой мастерской были установлены две ванны, работавшие на токе 1800 А и производящие 22,5 кг алюминия в сутки [3].
В 1888 г. во Франции было основано Металлургическое общество (Societe Electrometallurgique), которое приобрело патент П. Эру. Вскоре начал работать небольшой завод Фрож в департаменте Изер, а в 1893 г. под руководством П. Эру пущен большой завод в Ла Пра в Савойях [3].
1.1.1. Алюминиевая промышленность России. До революции в России не было собственной алюминиевой промышленности, но теоретические исследования в области электролиза алюминия проводились П.П. Федотьевым - профессором Петербургского политехнического института. В марте 1929 г. на опытной установке, построенной на заводе "Красный выборжец" (Санкт-Петербург) под руководством П.П. Федотьева на электролизерах, рассчитанных на силу тока 2 кА, получено 8 кг первого российского алюминия.
В августе 1929 г. состоялось решение Правительства СССР о строительстве первых алюминиевых заводов. В мае 1930 г. в Ленинграде был пущен Опытный алюминиевый завод, а в 1931 г. создан научно-исследовательский и проектный институт Гипроалюминий", сыгравший большую роль в разработке технологии и в подготовке квалифицированных кадров инженеров и рабочих.
Строительство первых алюминиевых заводов осуществлялось на базе мощных гидроэлектростанций, ввод которых был предусмотрен планом ГОЭЛРО. Одновременно сооружались мощности по производству глинозема, электродной продукции и фторидов.
Свойства и применение алюминия
14 мая 1932 г. выдал первый алюминий Волховский алюминиевый завод (ВАЗ) - первенец алюминиевой промышленности России, и эта дата является днем рождения отечественной алюминиевой промышленности.
В 1933 г. пущен Днепровский (г. Запорожье, Украина) алюминиевый завод (ДАЗ), использующий электроэнергию Днепрогэса. В 1939 г. начато строительство Уральского - УАЗ (г. Каменск-Уральский, Свердловская обл.) алюминиевого завода. Во время Великой Отечественной войны Волховский и Днепровский алюминиевые заводы оказались на оккупированной территории, и правительством были приняты меры по форсированному строительству алюминиевых заводов в Кузбассе и на Урале. Новокузнецкий алюминиевый завод (НкАЗ) ввели в эксплуатацию в 1943 г., а Богословский - БАЗ (г. Краснотурьинск, Свердловская обл.) выдал первый металл в День Победы - 9 мая 1945 г.
В послевоенные годы были построены алюминиевые заводы в г. Кандалакша - КАЗ (Мурманская обл.), Канакере - КанАЗ (Армения), Надвойцы - НАЗ (Карелия), Сумгаите - САЗ (Азербайджан), Волгограде - ВгАЗ, Шелехове - ИркАЗ (Иркутская обл.), Красноярске - КрАЗ, Братске - БрАЗ, Турсун-Заде - ТадАЗ (Таджикистан) и Саяногорске - СаАЗ. Основные сведения об этих заводах приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1 Характеристика алюминиевых заводов России и СНГ на 01.01.1998 г.
Завод
|
Год пуска
|
Тип электролизера
|
Сила тока, кА
|
Производительность, тыс. т/год
|
Выпуск в 1997 г., тыс. т
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
б
|
Волховский
Уральский
Богословский
Новокузнецкий
Кандалакшский
Надвоицкий
Волгоградский
|
1932
1939
1945
1943
1951
1954
1959
|
ОА
БТ, ОА
БТ
БТ, ВТ
БТ
БТ, ОА
ВТ
|
50
70, 160
60-90
82-88,
130, 155
75-79
68
130, 155
|
20,1
77,1
152,7
267,9
67,4
71,8
141,1
|
10,6
77,4
146,8
262,7
66,2
58,0
119,8
|
Красноярский
Братский
Саянский
|
1964
1966
1985
|
ВТ, ОА
ВТ
ОА
|
155, 100
155
175, 255
|
749,1
814,0
325,3
|
781,9
790,8
325,9
|
Итого по России...
Запорожский
Канакерский
Таджикский
Сумгаитский
|
1933
1950
1975
1955
|
БТ
БТ
ОА
БТ
|
63-65
64
165, 255
60-72
|
2937,5
108
300
58
|
2895,3
98,5
183,9
|
Итого по СНГ (без России)
|
|
|
|
466
|
282,4
|
Всего по СНГ...
|
|
|
|
3403,5
|
3177,7
|
Практически на всех алюминиевых заводах проводилась реконструкция, модернизация оборудования, строительство газоочистных сооружений и т.д. На Канакерском алюминиевом заводе, расположенном в пригороде Еревана, электролизный цех закрыли по экологическим соображениям. По имеющимся данным, в настоящее время принимаются меры по восстановлению производства алюминия на Сумгаитском алюминиевом заводе.
В последующих главах подробно рассмотрены достоинства и недостатки применяемого технологического оборудования. Пока же отметим, что в практике электролитического производства алюминия используются две принципиально различные конструкции: электролизеры с самообжигающимися анодами (СОА), которые, в свою очередь, делятся на электролизеры с боковым БТ и верхним ВТ подводом тока, и электролизеры с предварительно обожженными анодами (ОА). Экологические и технико-экономические показатели заметно выше у электролизеров ОА. В России в отличие от зарубежных заводов преобладает конструкция электролизеров с СОА (табл. 1.2), что можно расценить как серьезное техническое отставание от ведущих компаний мира.
Производство алюминия на электролизерах с самообжигающимися анодами при их переводе на "сухую" анодную массу, внедрении автоматизированных систем подачи сырья и эвакуации анодных газов может быть достаточно эффективным еще некоторое время. Однако постоянное повышение тарифов на электроэнергию и ужесточение требований к экологии неизбежно приведут к их замене на электролизеры с обожженными анодами.
1.1.2. Ведущие производители алюминия. Крупнейшими производителями алюминия – более 1 млн. т/год - являются США, Россия, Канада, Китай, Австралия и Бразилия, на долю которых приходится около 63 % всего мирового производства этого металла.
В США такие компании представляют: "Alcoa", "Reynolds" и "Kaiser". В Канаде лидирует фирма "Alcan", во Франции - "Pechiney", в Норвегии - "Hydro Aluminium", в Германии - "VAW". Однако в настоящее время продолжается передел собственности; наиболее известные фирмы давно перешагнули границы своих государств и стали транснациональными.
Таблица 1.2 - Характеристика используемых электролизеров, 1995 г. [4]
Регион
|
Произведено алюминия, млн. т
|
Выпуск алюминия
на электролизерах ОА, %
|
всего
|
на электролизерах
|
|
|
СОА
|
ОА
|
Весь мир
|
19,90
|
6,20
|
13,70
|
68,84
|
В том числе:
|
|
|
|
|
Европа
|
3,52
|
0,80
|
2,72
|
77,27
|
Америка
|
8,73
|
2,01
|
6,72
|
76,98
|
Азия
|
3,31
|
0,88
|
2,43
|
73,19
|
Австралия
|
1,42
|
—
|
1,42
|
100,0
|
Россия
|
2,91
|
2,51
|
0,40
|
13,75
|
Алюминиевая компания Америки "Alcoa" - самая крупная, старейшая и процветающая компания в мире является многоотраслевой и производит на своих заводах около 11 млн.т. глинозема, более 2600 тыс.т. алюминия в год. В последние годы произошло объединение компаний "Alcoa" и "Reynolds", но процесс интеграции компаний не завершен.
В России крупнейшая компания - "Русский алюминий", которая образована в марте 2000 г. в результате слияния компании "Сибирский алюминий" и основных производителей алюминия в России. В состав "Русского алюминия" входят СаАЗ, БрАЗ, КрАЗ, НкАЗ, а также Самарский, Красноярский и Белокалитвинский металлургические заводы, Саянский и Канакерский (Армения) заводы по производству фольги, Ачинский и Николаевский глиноземные комбинаты и др. Компания является вторым в мире производителем электролитического алюминия и объединяет более 70 % производителей первичного алюминия в России. На ее заводах работает более 65 тыс. человек, производится более 2 млн.т. глинозема, 2,42 млн.т. первичного алюминия, полуфабрикаты и конечная продукция из алюминия и его сплавов.
Значительная доля алюминия производится известной канадской фирмой "Alcan", которой помимо многих крупных алюминиевых заводов, расположенных в Канаде, принадлежат мощности по производству глинозема и алюминия в Австралии, США, Великобритании и других странах.
Знаменитая французская фирма "Pechiney" не только владеет большей частью мощностей по производству алюминия во Франции, но по ее технологии работают заводы в Великобритании, Норвегии, Австралии, Индии, Венесуэле. Конструкции электролизеров и технология работы на них широко известны во всем мире и пользуются заслуженным авторитетом.
Норвежская фирма "Hydro Aluminium", известная не только производственными достижениями своих четырех заводов, но и результатами работы своего научного центра, - также один из крупнейших европейских производителей алюминия.
Многоотраслевая немецкая компания "VAW", основанная в 1917 г., производит первичный и перерабатывает вторичный алюминий, выпускает огнеупоры, керамику, продукты химии, вырабатывает электроэнергию. В содружестве с компаниями "KHD Humboldt Wedag AG" и "Lurgy" она усовершенствовала систему сухой очистки анодных газов, оборудование для производства и монтажа обожженных анодов и пр.
К числу видных европейских производителей новых технологий в области электрометаллургии алюминия можно отнести фирму "Moltech" (Швейцария), известную своими разработками защитных покрытий катодных блоков, нерасходуемых анодов и подовой массы, не содержащей пек.
Широко известны работы французской фирмы "Procedair", специализирующейся в области очистки газов от фтора, смолистых веществ и пр. По всему миру эксплуатируется более 10 тыс. электролизеров, использующих оборудование сухой газоочистки этой фирмы.
В настоящее время электролиз криолитоглиноземного расплава - практически единственный способ получения металлического алюминия. Основным сырьем для этого процесса служит глинозем (оксид алюминия) - А12О3, который получают различными гидрохимическими методами. Производство глинозема - самостоятельный гидрометаллургический передел алюминиевой промышленности, и технология его получения рассматривается в специальной литературе [1, 5].
|
