Лекция 3

Минералы и руды алюминия

Наиболее распространенный среди металлов в земной коре (8,13 %), алюминий, как никакой другой из металлов, широ­ко представлен в ней различными соединениями. По данным акад. А.Е.Ферсмана, в природе отмечается более 250 мине­ралов алюминия. Наиболее распространённые из них представлены в таблице 1.

Таблица 1

Минералы алюминия

Минерал	Содерж. Al2O3, %	Формула
Корунд	100	Al2O3
Диаспор, бёмит	85	Al2O3·H2O
Гиббсит	65,4	Al2O3·3H2O
Андалузит, дистен, силлиманит	63	Al2O3·SiO2
Каолинит	39,5	Al2O3·2SiO2 ·2 H2O
Гидрослюда (мусковит)	38,5	K2O·3 Al2O3·6 SiO2·2 H2O
Шамозит	21,1-27,7	(Mg, Al, Fe2+Fe3+)(Si, Al)4 (OH, F)4
Алунит	37	K2SO4·Al2 (SO4) 3· 4Al(OH)3
Нефелин	32,3-36	(Na, K)2 O· Al2O3·2 SiO2
Лейцит	23,5	K2O· Al2O3·4 SiO2
Ортоклаз	18	K2O · Al2O3·6 SiO2
Альбит	20	Na2O· Al2O3·6 SiO2

Минералы делятся на две примерно равные по количеству видов группы. К первой из них относятся первичные минералы — образующиеся при кристаллизации магмы и ее производных. Среди них главная роль принадлежит алюмосиликатам, типич­ные представители которых ортоклаз, альбит, лей­цит и нефелин. Значительно меньшее, но все же заметное распро­странение имеют силикаты алюминия (дистен, силлиманит, андалузит). Относительно редкими являются шпинели и свободный оксид алюминия - корунд.

Под воздействием процессов выветривания в земной коре образуются различные вторичные соединения алюминия: каолинит: гиббсит - Аl(ОН)₃, бёмит и диаспор - АlООН. К этой же группе относится алу­нит - K₂SO₄  Al₂(SO₄)₃  4Al(OH)₃.

К основным алюминиевым рудам относятся бокситы, нефе­лины, алуниты, глины, каолины и кианиты.

Важнейшей алюминиевой рудой являются бокситы, на кото­рых практически полностью работает вся зарубежная алюми­ниевая промышленность. Боксит - сложная горная порода, состоящая из оксидов и гидроксидов Al, Fe, Si и Ti. В ка­честве примесей постоянно присутствуют карбонаты Са и Mg, гидросиликаты (хлориты), сульфиды и сульфаты (в первую очередь Fe) и органические соединения (гумины и битумы). Основные глиноземсодержащие минералы бокситов - гиббсит, бёмит и диаспор. Однако мономинеральные бокситовые руды относительно редки, гораздо чаще встречаются руды смешан­ного типа — гиббсит-бёмитовые или бёмит-диаспоровые.

Качество бокситов определяется в первую очередь содер­жанием Аl₂О₃ и SiO₂. На практике для оценки качества боксита используют значение кремневого модуля:

массовое отношение содержания Аl₂О₃ к SiO₂ в боксите: чем выше модуль, тем лучше боксит.

Месторождения бокситов по своему генезису делятся на остаточные и осадочные. Первые из них образовались в ре­зультате выветривания алюмосиликатов. К этому типу откосится большинство месторождении в мире. В настоящее время запасы бокситов превышают 50 млрд. т, что позволяет говорить об обеспеченности алюминиевой промыш­ленности сырьем до конца XXI века. Основная часть этих запасов приходится на страны тропического и субтропичес­кого пояса - Австралию, Гвинею, Бразилию, Индию и Центрально-американский регион (Ямайка, Суринам, Гайяна).

Характерными особенностями этих месторождений являются преобладание существенно гиббситовых рудных тел с высоким модулем, небольшая глубина залегания и связанная с ней относительная простота отработки открытыми способами, а также возможность обогащения отмывкой. В нашей стране не­которые заводы ориентированы на бокситы зарубежных стран: Гвинеи, Ямайки, Югославии, Греции. Поступающие из Гвинеи и Ямайки гиббситовые бокситы обладают высоким качеством.

Залежи бокситов осадочного типа более сложные: они, как правило, состоят из нескольких слоев, различающихся по качеству — и по значению модуля, и по форме основных глиноземсодержащих соединений, причем зачастую в виде на­иболее трудновскрываемого диаспора. Такие месторождения отрабатываются с помощью подземных выработок (шахт), а механическое обогащение затруднено. К этому типу относит­ся большинство месторождений нашей страны. В таблице 2 приведены характеристики основных отечественных и зарубежных бокситовых месторождений.

Таблица 2

Характеристика бокситовых месторождений

Месторождение	Содержание, %			Si
	Al2O3	Fe2O3	SiO2
Северо-Уральское Южно-Уральское Тургайское Северо-Онежское Висловское Средне-Тиманское Гвинейский Ямайский	48-54 50-53 42-44 51-54 48-52 45-50 43-45 27-28	21-23 21-22 16-20 6-9 - 5 25-27 17-18	2-8 5-20 9-21 17-19 7-9 5-12 1,6-2,6 0,5-0,8		6-22 5-11 4-5 2,5-3 5-8 4-7 17-28 34-58

В нашей стране наиболее высококачественные месторожде­ния бокситов находятся на Урале. Они добываются на Северо- и Южно-Уральском бокситовых рудниках (и перерабатываются на уральских алюминиевых заводах. Они относятся к трудновскрываемому диаспоровому типу. Отработка их ведется в относительно сложных горно-геологических условиях на глубине до 1 км. Для отдельных залежей характерно повышенное содержание S и СО₂.

Бокситы перспективных месторождений Урала (Горноалтайско Краснооктябрьская группа месторождений и др.) харак­теризуются относительно низким кремневым модулем.

В Северном Казахстане в районе Тургайского прогиба имеются месторождения каолинит-гиббситовых бокситов, раз­рабатываемые открытым способом, которые длительное время являлись сырьевой базой Павлодарского алюминиевого завода; некоторые залежи характеризуются высоким со­держанием сидерита - FeCO₃ (содержание СО₂ до 2,65%).

В Архангельской области в районе Северной Онеги ведет­ся открытая разработка гиббсит-бёмитовых бокситов. Кроме низкого модуля, исключающего использование спо­соба по Байеру, при переработке этих бокситов надо решать проблему очистки растворов от хрома.

Среди перспективных месторождений бокситовых руд выде­ляются два. Первое - Висловское месторождение гиббсит-бёмитовых руд (г. Белгород). Второе - Средне-Тиманское месторождение гематит-бёмитовых и гематит-шамозит-бёмитовых руд.

Нефелины - второй после бокситов тип руд, имеющий важ­ное значение для отечественной алюминиевой промышленнос­ти. Эти руды в качестве основной составляющей содержат минерал нефелин - (Na, К)₃О · Аl₂О₃ · 2SiO₂. К настоящему времени выявлены три основных вида нефелиновых руд: не­фелиновый концентрат, нефелиновые уртиты и нефелиновые сиениты.

Нефелиновый концентрат - продукт флотационного обога­щения апатит-нефелиновой породы Кольского полуострова. Он представляет собой тонкодисперсный материал (<0,085 мм -20+40 %) с содержанием нефелина не менее 95 % и влаги не более 1,5 %. Кольский нефелиновый концентрат является ру­дой для двух заводов - Пикалевского и Волховского.

Другим важным источником нефелинового сырья, имеющим промышленное значение, являются Кия-шалтырские нефелино­вые уртиты (Кемеровская область). Они без предварительно­го обогащения идут на переработку на Ачинском глиноземном комбинате. Содержание нефелина в уртитах в среднем 85 %, содержание Аl₂О₃ примерно то же, что и у концентрата, не­сколько меньшее — R₂O и большее - Fe₂O₃.

Нефелиновые сиениты - наиболее широко распространенный вид нефелинового сырья; значительные запасы их отмечены в Красноярском крае (Ужурское и Татарское), Бурятии и в других регионах. Они уступают по содержанию полезных компонентов и концентрату, и уртитам, и без предварительного обогащения их переработка не­целесообразна.

Огромные запасы нефелинов, безотходная схема их комп­лексной переработки, большой опыт работы на этом сырье в отечественных условиях позволяют сделать вывод о перспек­тивности этого вида сырья.

Алуниты представляют интерес как алюминиевая руда при условии комплексной ее переработки. Наиболее изучено Загликское месторождение (Азербайджан), руда которого пере­рабатывается на Кировабадском алюминиевом заводе. Содержание алунита в руде - не более 55 %, остальное - кварц и каолинит. Химический состав загликской руды, %: Аl₂О₃ -22; SO₃ - 22; R₂O (в пересчете на Na₂O) - 8; SiO₂ - 40. Кроме Загликского достаточно крупными месторождениями алунитов являются Акташское (Казахстан) и Гушсайское (Узбекистан). В мире имеется несколько крупных месторож­дений алунита: Фаншан и Тайху (КНР), Ла-Тальфа (Италия); Юта (США); Новый Южный Уэльс (Австралия).

Глины и каолины — наиболее распространенные алюминие­вые руды. Основной составляющей в них является каолинит - Аl₂О₃·2SiO₂·2H₂О. Наиболее богатые каолинитом разно­видности с малым содержанием примесей — каолины. Они мо­гут использоваться для получения силикоалюминия карботермическим восстановлением и являются также сырьем для по­лучения глинозема (кислотными и спекательными способами) и огнеупоров.

Кианиты - наряду с другими силикатами Аl (силлиманиты, андалузиты) являются перспективным видом сырья. На Коль­ском полуострове имеются значительные по величине запасы этих руд. Кейвское месторождение кианитов представлено рудой с 30-40 %-ным содержанием минерала, которую можно обогатить флотацией до содержания в концентрате 60 % киа­нита. Как и каолины, кианиты могут эффективно, использо­ваться для получения силикоалюминия и высокоглиноземистых огнеупоров.

В комплексных рудах часто содержатся примеси редких металлов, например: в бокситах — Ga, La и Sc. Наличие примесей редких элементов (V, Ge, Ga, TR и др.) повышает ценность руд, в таком случае говорят о наличии ценных элементов-примесей. 

Глинозем — чистый оксид алюминия А1₂O₃ — является основным исходным материалом при производстве алюминия электролизом.

Безводный оксид алюминия образует несколько полиморфных модификаций, или форм, имеющих одинаковый химический состав, но различное кристаллическое строение, а следовательно, и различные свойства.

Технический глинозем, используемый при электролитическом получении алюминия, представляет собой белый кристаллический порошок, состоящий в основном из смеси - и - разновидностей. Наиболее вредными примесями в нем являются SiO₂, Fe₂O₃, TiO₂. Реглагламентируется предельное содержание щелочей (Na₂O + К₂О) и Р₂О₅.

Большое внимание при оценке качества технического глинозема уделяется его физическим свойствам: влажности (гигроскопичности), плотности, насыпной массе, гранулометрическому составу, углу естественного откоса, образующемуся при насыпании мелкого материала на плоскую поверхность. От этих свойств зависит поведение глинозема при его транспортировке, загрузке в электролизеры и в самом процессе электролиза.

В промышленности, в зависимости от состава и физико-химических свойств сырья, глинозем получают различными способами. Из большого разнообразия известных способов можно выделить три группы процессов: щелочные, кислотные и кислотно-щелочные.

В настоящее время практически весь глинозем получают щелочными методами, которые в свою очередь подразделяются на гидрохимические, термические и комбинированные.

Если μ_Si ≥ 8, то данный боксит перерабатывается по способу Байера. Если μ_Si < 8, то по способу спекания.

Наиболее широкое распространение в мировой практике получения глинозема нашел щелочной гидрохимический процесс Байера (автор процесса, австрийский химик).

Способ Байера обычно применяют для переработки высококачественных бокситов с относительно низким содержанием кремнезема.

К термическим методам производства глинозема относится метод спекания. Сущность этого способа заключается в образовании алюмината натрия при высокой температуре в результате взаимодействия смеси алюминиевой руды, соды и известняка. Полученный спек выщелачивают водой. Раствор алюмината натрия после выщелачивания разлагают углекислотой с выделением гидроксида алюминия, который для получения безводного глинозема подвергают кальцинации.

Способ спекания пригоден для переработки практически любых видов алюминиевого сырья.

Способ спекания универсальнее способа Байера и может быть применен к большему числу материалов, в частности, и к нефелинам.

Переработка бокситов способом Байера и спеканием имеет следующие недостатки: ограниченность применения, высокий расход дорогостоящей щелочи и пара (способ Байера), большие материальные потоки и высокий расход топлива (способ спекания). Устранение этих недостатков достигается применением комбинированных методов производства глинозема из бокситов.

Комбинированные способы сочетают автоклавное выщелачивание и спекание, что позволяет перерабатывать бокситы с высоким содержанием SiO₂, а потери щелочи в процессе компенсировать не дорогостоящим едким натром, а дешевой содой.