Основные минералы алюминия. Основные свойства алюминиевой руды для применения в промышленности

	Химическая формула


	А1 2 О 3 · ЗН 2 О
	А1 2 О 3 · Н 2 О
	А1 2 О 3 · Н 2 О
Каолинит	Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O

	(Na x , K y ) 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2
	(Na x , K y ) 2 · Al 2 (SO 4) 3 · 4Al(OH) 3
	K 2 O · A1 2 O 3 · 4SiO 2
	Al 2 O 3 · SiO 2
Андалузит	Al 2 O 3 · SiO 2
Силлиманит	Al 2 O 3 · SiO 2

5. Главнымсырьем для алюминиевой промышленности являются бокситы; однако ограниченность запасов высококачественных бокситов в отдельных странах привела к необходимости использования для получения алюминия также других видов сырья (апатит-нефелиновых, нефелиновых, алунитовых руд).

Боксит – руда, состоящая в основном из гидроксидов алюминия (гиббсит, бёмит, диаспор), а также оксидов и гидроксидов железа и глинистых минералов, в которой отношение содержания оксида алюминия к содержанию оксида кремния (кремниевый модуль) не менее 2. Сопутствующие бокситам породы с кремниевым модулем менее 0,85 называют сиаллитами, а с модулем 0,85–2,0 – аллитами.

В зависимости от минерального состава выделяют два основных типа боксита – моногидратный (бёмитовый и диаспоровый) и тригидратный (гиббситовый).

Оксид кремния является основной вредной примесью, присутствует в бокситах как в форме свободного кварца, так и в составе минералов глин – каолинита, галлуазита, накрита, диккита, хлорита (преимущественно шамозита), гидрослюд.

Из минералов железа в бокситах присутствуют гематит, гётит, гидрогематит, гидрогётит, лепидокрокит, маггемит, магнетит. Они неравномерно пропитывают основную массу боксита и в смеси с высокодисперсными минералами свободного глинозема слагают участки колломорфной структуры. В составе бокситов часто встречается сидерит. В качестве второстепенных примесей отмечены фосфаты, цеолиты, алуниты; из акцессорных минералов – рутил, циркон, сфен, эпидот, турмалин, ильменит, роговая обманка, гранат и др. Кроме основных химических элементов в бокситах присутствуют в рассеянном состоянии – галлий, ванадий, скандий, уран и др.

Минеральная форма основного компонента влияет на выбор режима технологической переработки боксита, ибо минералы глинозема обладают различной вскрываемостью, т. е. реакционной способностью по отношению к растворам щелочи. При выделении типов руд на отдельных месторождениях необходимо учитывать не только минералогическую, но и литологическую характеристику бокситов. Подразделение бокситов на литологические разновидности (каменистые, рыхлые, глинистые и др.) имеет существенное значение, так как во многих случаях в прямой связи с ниминаходятся технологические и физико-механические свойства. Как правило, каменистые бокситы имеют более высокий кремниевый модуль по сравнению с глинистыми разностями.

6. Бокситы следует рассматривать как комплексное сырье, в котором наряду с алюминием практический интерес в настоящий момент представляют ванадий и галлий. При переработке бокситов по методу Байера эти металлы в значительной мере переходят в алюминатные растворы. Схемы извлечения ванадия и галлия из растворов освоены в промышленном масштабе. Использование других полезных компонентов этих руд – железа, титана, скандия, хрома – промышленностью не освоено, и пока практического интереса они не представляют.

7. Основные промышленные типы месторождений алюминия приведены в табл. 2.

Геохимические свойства алюминия обусловлены характером строения электронной оболочки его атома, легко теряющего валентные электроны. Близость ионных радиусов А13+ и Si4+ определяет широкие вариации их изоморфных замещений в алюмосиликатах в условиях четверной координации. Как химически активный элемент алюминий формирует большое число минералов: насчитывается свыше 350 минеральных видов, в состав которых он входит в качестве главного компонента. Большая их часть относится к силикатам. Свыше 40% алюминиевых минералов представлены алюмосиликатами. Среди алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, например ортоклаз K, альбит Na и анортит Ca, являющиеся главной составной частью многих магматических пород. Из других алюмосиликатов, имеющих промышленное значение, необходимо отметить также лейцит K, нефелин (Na,K)AlSiO 4 и кианит Al 2 O(SiO 4). В результате разрушения алюмосиликатов первичного происхождения (главным образом полевых шпатов) образовались многочисленные вторичные породы, характеризующиеся более высоким содержанием алюминия (бокситы, алуниты, каолины и др.), в состав которых входит алюминий входит алюминий в форме гидроокислов (например, каолинит Al 4 (OH) 8), или в виде гидроокисей (диаспора, бёмита AlO(OH) или гидроаргиллита Al(OH 3)). Образование каолиновых глин из полевых шпатов происходит под действием воды и углекислоты. Растворимые соли уносятся, а нерастворимые остатки частично образуют отложения на месте, а частично оседают в руслах рек. Под действием на алюмосиликаты кислых горячих вод, содержащих свободную серную кислоту, образовались основные сульфаты алюминия, в частности алунит KAl 3 2 6 .

Таблица 1.

Основные минералы алюминия

Рассмотрим подробнее основные минералы, содержащие алюминий.

Корунд - продукт вулканического происхождения занимает первое место в таблице важнейших минералов. Твердость по шкале Мооса -- 9, удельный вес -- 3,8 г/см 2 . Это простейший по составу, очень богатый алюминием минерал. Благодаря высокой устойчивости кристаллической структуры корунд мало восприимчив к кислотам и щелочам, поэтому в качестве сырья для производства алюминия этот минерал не используется.

Нефелин - основной породообразующий минерал таких щелочных горных пород, как нефелиновые сиениты, уртиты и др. Твердость нефелина по шкале Мооса -- 5-6, удельный вес -- 2,6 г/см 2 . В горных породах он встречается в виде зернистых или сплошных агрегатов. Чистый нефелин бесцветен, но примеси соединений железа, титана и других металлов придают ему серый, зеленый или буровато-красный цвет. При погружении в минеральные кислоты он теряет прозрачность, становится студенистым, напоминающим облако, что и отражено в его названии: греч. nephele -- облако. В природных условиях под воздействием горячих водных растворов, содержащих ионы CO 3 , SO 4 и др., нефелин легко изменяется и замещается канкринитами, цеолитами и др. В зависимости от содержания в породе собственно нефелина, цветных компонентов -- пироксенов, полевых шпатов выделяют уртиты, ийолтты, мальиньиты, ювиты, сиениты и др. Ценность нефелинового сырья заключается в его комплексности. Помимо оксида алюминия из нефелиновых пород извлекаются щелочи в составе соды и поташа, а остаток -- белитовый шлам служит сырьем для производства цемента. алюминий минерал кристаллический промышленный

Каолинит - водный алюмосиликат, являющейся основной составной частью каолинов и глин. В качестве основных примесей в состав глин входят кварц, слюды, карбонаты кальция, магния и др. Мономинеральные глинистые породы белого цвета разных оттенков, состоящие из минералов каолиновой группы (каолинит, накрит, диктит), носят название каолины. Каолины играют большую роль в строении верхней геосферы земного шара, образуя главную часть осадочных пород. Они собираются в моренах ледников, на дне озер, в болотах, в дельтах рек, образуют илы дна океанических глубин. Из них состоят мощные отложения последних оледенений Евразии, Северной Америки, а также Гренландии.

Кианит - чистый кианит бесцветен, но примеси хрома и железа часто придают ему нежную окраску: от серо-сизой, зеленовато-голубой -- до темно-сине-зеленой и даже желтой. Кианит образуется при перекристаллизации богатых глиноземом осадочных пород, встречается также в кварцевых жилах. Твердость кианита по шкале Мооса -- 4,5-7, удельный вес -- 3,5 -- 3,7 г/см 2 .

Алунит - продукт воздействия на алюмосиликаты природных кислых вод. В минералогическом плане алунит представляет собой алюминиевые квасцы, в состав которых вместо калия или наряду с ним может входить и натрий. В алунитовой руде помимо минерала алунита присутствуют также кварц, каолинит, щелочные алюмосиликаты (серцит, пирофиллит и др.).

Несколько миллиардов лет назад поверхность Земли была покрыта огромными озерами, в которых клокотала огненная жидкая магма. Из кратеров исполинских вулканов на раскаленную Землю изливались потоки лавы, низвергались тучи пепла, сыпался град камней. Из трещин и провалов, из жерл вулканов и лавовых озер с шипением и свистом вырывались струи газов, вздымались облака водяных паров.

На протяжении своей геологической истории лик нашей планеты неоднократно менялся. Нередко ее сотрясали подземные толчки страшной силы. С грохотом, подобным залпу тысяч артиллерийских орудий, рушились горы, возникали глубокие озера, каньоны, водопады. Проходили миллионы лет, и на месте равнин вновь громоздились горы. С течением времени под действием воды и ветра они снова разрушались — выветривались. Так повторялось много раз.

Когда Земля начала остывать, то в ее нарождающейся тонкой коре преобладали более легкие металлы — алюминий и кремний. Тяжелые же элементы — железо, золото, свинец постепенно опускались вглубь — к центру Земли. Соединяясь с кислородом, алюминий и кремний образовали со временем многочисленное семейство алюмосиликатов.

Если сделать разрез земной коры, то он будет похож на своеобразный слоеный пирог, состоящий из разной \»начинки\» — комплексов различных горных пород и полезных ископаемых. Почетное место среди них занимают всевозможные силикаты и алюминиевые минералы, составляющие почти 80 % земной коры. Насчитывается свыше 250 минералов, в состав которых входит алюминий, а он по содержанию в земной коре занимает третье место среди всех химических элементов (8,8 %).

Большую часть алюминиевых минералов, из которых слагаются горные породы, представляют собой алюмосиликаты, состоящие из атомов алюминия, кремния, кислорода и щелочных щелочноземельных элементов. Алюмосиликатам суждено было сыграть исключительно важную роль в развитии цивилизации. По существу все орудия каменного века — ножи, топоры, наконечники для стрел и ножей, а также разнообразные постройки были выполнены из алюмосиликатов.

Их можно встретить в руинах городов, в остатках древних сооружений — всюду, где обитал доисторический человек. Кому не знакомы граниты, еще в древние времена украшавшие дворцы царей и вельмож. Они придают городам парадность и монументальность. Великолепное творение Фальконе — памятник Петру Первому в Ленинграде установлен на массивной гранитной скале, привезенной из Лахты. Москвичам знаком памятник Карлу Марксу, высеченный из глыбы украинского гранита.

Гранитные колонны Исаакиевского и Казанского соборов, цоколи Адмиралтейства, Фондовой биржи и многих других исторических зданий в Ленинграде и других городах неизменно вызывают восхищение всех ценителей искусства. Выдающийся норвежский скульптор Густав Вигеллан создал из гранита изумительную композицию из двухсот каменных фигур, изображающих всю человеческую жизнь — от рождения до смерти. Пожалуй, гранит — один из самых распространенных на Земле алюмосиликатов — с давних пор привлекал внимание зодчих, скульпторов, строителей своей прочностью, надежностью, долговечностью.

Уже несколько тысячелетий на берегах Невы перед зданием Академии художеств в Ленинграде \»живут\» египетские сфинксы, вытесанные из красного гранита (египетского сиенита). Они были привезены в Петербург в 1832 году, а найдены в 20-х годах во время раскопок вблизи Фив. Ни зной, ни холод, ни вода не смогли их разрушить.

Еще большую роль в истории культуры и техники сыграли продукты выветривания алюмосиликатов — глины. Им обязаны своим происхождением гончарные изделия древних и современный художественный и технический фарфор; кирпич, \»рожденный\» из глины, стал соперником камня в строительстве и позволил древним и современным зодчим быстро возводить жилые дома и монументальные общественные здания.

Мало кому известно, что глина может служить… продуктом питания. В конце XVIII века академик Э.Г.Лаксман путешествовал по Сибири, изучая образцы различных руд и горных пород. В районе Охотска его как почетного гостя угощали местным лакомством, приготовленным жителями из оленьего молока и каолина. Известно, что и на севере Дальневосточного края охотно ели \»земляную сметану\» — замешанную с водой белую, похожую на студень коалиновую глину.

Съедобные глины были известны и в других областях нашей Родины. Например, в Узбекистане, в Хорезмском крае. Гораздо шире ассортимент съедобных глин в Австралии и на некоторых островах Океании. Путешественники и туристы отмечают, что местные жители по праздникам подают на стол особые сорта белых и цветных глин — синих, зеленых.

С незапамятных времен внимание человека привлекали драгоценные камни, представляющие собой соединения алюминия с некоторыми примесями. Ярко светятся в предутренней дымке рубиновые звезды на островерхих башнях московского Кремля.

Основа рубина — оксид алюминия — корунд с незначительной примесью хрома. Взгляните вечером на залитую яркими электрическими огнями витрину ювелирного магазина. Вот нарядная брошь. Синими огоньками сияют сапфиры. Это тот же корунд, лишь вместо хрома природа наделила его титаном. Рядом массивное ожерелье из голубовато-зеленых аквамаринов напоминает сиянием лазурное южное море в полуденный час. Они обязаны своим происхождением алюмосиликату бериллия.

А вот футляры с кольцами. Каких тут только нет камней: бирюза, как голубое небо в майский день, — алюмосиликат меди; темно-красные, как спелые вишни, гранаты, которые некогда назывались карбункулами, — кристаллы железистого алюминия, бледные и нежные лейко-сапфиры — прозрачные кристаллы безводных оксидов алюминия.

Но самое почетное место (по распространенности) занимают среди алюмосиликатов полевые шпаты: они составляют почти 60 % этих горных пород. Кроме оксидов алюминия и кремния, они содержат еще и оксиды других металлов — калия, натрия, кальция. Эти породы белого или красного цвета нередко образуют мощные залежи, а также встречаются в составе других сложных горных пород, например гнейсов и гранитов, совместно со слюдой.

Тонкие, гибкие листочки, на которые способен раскалываться этот содержащий алюминий минерал, в течение нескольких столетий заменяли на Руси стекло в окнах боярских теремов, княжеских и царских дворцов. В наш век слюде нашли новое применение. Обладая высокими диэлектрическими свойствами, исключительной термостойкостью и значительной механической прочностью, она оказалась первоклассным изоляционным материалом. Слюду применяют в электрических машинах высоких напряжений и больших мощностей, турбо- и гидрогенераторах, тяговых электродвигателях. Из листовой слюды изготовляют также конденсаторы и различные детали для радиоприемников, телевизоров, электронных приборов.

Слюда принадлежит к числу весьма распространенных минералов. Содержание ее в земной коре 3,8 %. Наряду с основными элементами — кремнием, кислородом, водородом, натрием, калием, алюминием и магнием — в ее составе свыше 30 других (бериллий, рубидий, стронций, никель, медь). Известны залежи этого минерала на Украине, в Сибири, Карелии, Казахстане, а за рубежом — в США, Индии, Канаде.

Особое место среди главнейших минералов, содержащих алюминий, занимает криолит. За внешнее сходство со льдом его часто называют \»ледяным камнем\». По химическому составу он представляет собой двойную — натриевую и алюминиевую соль фтористоводородной кислоты.

Страна вечных льдов Гренландия — родина мощных залежей \»ледяного камня\». Таких крупных залежей криолита не встречается больше нигде. В середине прошлого века на юго-западном побережье острова у поселка Ивигтут впервые начали добывать этот ценный минерал. Там залегает он в граните почти монолитным пластом, местами чистый, местами со значительными примесями других минералов — свинцового блеска, цинковой обманки, плавикового шпата. Сначала его добывали для производства саоды, потом из него стали непосредственно извлекать алюминий.

Когда же алюминий начали получать электролизом, то криолит составил главную часть расплава. В небольших количествах его применяют и в некоторых других производствах: в стекольном — при изготовлении молочного стекла, в керамическом — для приготовления эмалей. Криолит является также хорошим плавнем при выплавке меди из руд. Глыбы его, добываемые на разработках в Гренландии, подъемными кранами загружают в трюмы судов и отправляют преимущественно в Данию и США.

Бурный рост алюминиевой промышленности потребовал больших количеств криолита. Гренландского \»ледяного камня\» давно уже не хватает, чтобы удовлетворить растущие потребности алюминиевого производства в разных странах. Химики разработали способы получения криолита искусственным путем, поэтому природный минерал потерял свое былое значение.

Алюминий - это металл, покрытый матово-серебристой оксидной плёнкой, свойства которого определяют его популярность: мягкость, лёгкость, пластичность, высокая прочность, устойчивость к коррозии, электропроводность и отсутствие токсичности. В современных высоких технологиях применению алюминия отведено ведущее место как конструкционному, многофункциональному материалу.

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

Разновидности глинозёмсодержащих руд

Известно более 200 минералов, в состав которых входит алюминий.

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

Особенность природной горной породы боксита

Сырьевым источником могут служить природные залежи бокситов, нефелинов, алунитов, глин, и каолинов. Наиболее насыщены соединениями алюминия бокситы. Глины и каолины представляют самые распространённые породы со значительным содержанием в них глинозёма. Залежи этих минералов находятся на поверхности земли.

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

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

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

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

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

Способы переработки алюминий содержащих ископаемых

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

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

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

Добыча и обогащение глинозёма

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

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

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

Электролитическое производство чистого алюминия

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

Современные электролизёры представляют устройство, состоящее следующих частей:

Дополнительная очистка алюминия рафинированием

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

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

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

АЛЮМИНИЙ, Al (от лат. alumen — название квасцов, применявшихся в древности как протрава при крашении и дублении * а. aluminium; н. Aluminium; ф. aluminium; и. aluminio), — химический элемент III группы периодической системы , атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Состоит из одного стабильного изотопа с массовым числом 27. Открыт датским учёным Х. Эрстедом в 1825.

Химические свойства алюминия

В обычных условиях алюминий проявляет степень окисления +3, при высоких температурах +1, редко +2.

Алюминий обладает большим сродством к , образуя окись Al 2 О 3 ; в порошкообразном состоянии при накаливании в токе кислорода он сгорает, развивая температуру около 3000°С. Эту особенность алюминия используют в алюминотермии для восстановления некоторых металлов из их окислов. При высокой температуре алюминий соединяется с , и , образуя соответственно нитрид AlN, карбид Al 4 С 3 и сульфид Al 2 S 3 . С водородом алюминий не взаимодействует; гидрид (AlH 3)х получают косвенным путём. Алюминий легко растворяется в щелочах с выделением водорода и образованием алюминатов. Большинство солей алюминия хорошо растворимо в воде.

Получение

Металлический алюминий в промышленности получают электролизом раствора глинозёма в расплавленном криолите или расплаве AlCl 3 ; А. высокой чистоты (99,996%) вырабатывают электролитическим рафинированием с помощью т.н. трёхслойного способа. Принципиально та же технология, но с использованием органических электролитов позволяет доводить чистоту рафинируемого алюминия до 99,999%.

Применение

Благодаря лёгкости, достаточной прочности, способности сплавляться со многими другими металлами и хорошей электропроводности алюминий находит широкое применение в электротехнике, а также как конструкционный материал в машиностроении, авиастроении, строительстве и др. Чистый и сверхчистый алюминий применяют в полупроводниковой технике и для покрытия разного рода зеркал. Алюминий получил применение в ядерных реакторах в связи с относительно низким сечением поглощения нейтронов. В ёмкостях и таре из алюминия транспортируют жидкие газы ( , ), некоторые кислоты (азотную, уксусную), хранят пищевые продукты, воду, масла. Как легирующую добавку алюминий используют в сплавах Cu, Mg, Ti, Ni, Zn, Fe. В ряде случаев алюминий идёт на изготовление (алюминал, и др.).