Воздействие на окружающую среду производства алюминия

Размещено на http://www.allbest.ru

Воздействие на окружающую среду производства алюминия

Введение

Алюминий является одним из самых востребованных на сегодняшний день металлов в промышленности. Он обладает рядом ценных свойств - высокой механической прочностью и хорошей пластичностью, прекрасной электро- и теплопроводностью, небольшой плотностью. Алюминий способен образовывать сплавы со многими другими металлами, при этом в сплаве алюминий полностью сохраняет все свои свойства. В жидком состоянии металл хорошо заполняет формы, а в твердом состояния легко режется и поддается сварке и пайке.

Россия (наряду с США, Канадой и Китаем) является крупнейшим производителем алюминия в мире.

В 2000 году алюминиевые предприятия России произвели 3,3 млн. тонн алюминия и экспортировали, по оценкам, около 3,23 млн. тонн.

Несмотря на некоторый спад в начале 90-х годов, российской алюминиевой промышленности удалось удержать стабильный уровень производства. Резкое сокращение внутреннего потребления было компенсировано увеличением поставок на внешний рынок. Россия удержала за собой 2-е место в мире по производству алюминия после США.

В настоящее время на территории Российской Федерации работают 11 алюминиевых заводов. Наиболее крупные из них - Братский, Красноярский, Саянский и Иркутский - расположены в Восточной Сибири. На долю остальных 7 заводов (Новокузнецкий, Богословский, Уральский, Волгоградский, Волховский, Надвоицкий и Кандалакшский алюминиевые заводы) приходится чуть более четверти общего производства РФ

В современном мире алюминий и его сплавы применяют во многих областях промышленности и техники. Прежде всего алюминий и его сплавы используют авиационная и автомобильная отрасли промышленности. Широко применяется алюминий и в других отраслях промышленности: в машиностроении, электротехнической промышленности и приборостроении, промышленном и гражданском строительстве, химической промышленности, производстве предметов народного потребления.

Цель курсовой работы: проанализировать теоретическую литературу по теме, и выявить основные негативные воздействия на окружающую среду от процесса производства алюминия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать методическую литературу по поставленной теме.

2. Ознакомиться с историей производства алюминия в России.

3. Ознакомиться с основными направлениями применения алюминия.

4. Выявить новые технологии в производстве алюминия.

1. Современное состояние производства алюминия и динамика его развития

1.1 История получения алюминия

Алюминий - один из самых молодых металлов, открытых человеком. В чистом виде в природе он не встречается, поэтому получить его удалось лишь в XIX веке, благодаря развитию химии и появлению электричества. За полтора века алюминий прошел невероятно интересный путь от драгоценного металла да материала, использующего абсолютно в каждой сфере деятельности людей.

Достаточно широко в древности применялись квасцы - соль на основе алюминия. Люди выяснили, что дерево практически не горит, если его выдержать в растворе квасцов - этим пользовались для защиты деревянных укреплений от поджогов. В Европе с XVI века квасцы использовались повсеместно: в кожевенной промышленности в качестве дубильного средства, в целлюлозно-бумажной - для приклеивания бумаги, в медицине - в дерматологии, косметологии, стоматологии и офтальмологии.

Именно квасцам (по-латински - alumen) алюминий обязан своим именем. Его металлу дал английский химик Гемфри Дэви, который в 1808 году установил, что получить алюминий можно методом электролиза из глинозема (оксид алюминия), но подтвердить теорию практически он не смог.

Это сделал датчанин Ханс Кристиан Эрстед в 1825 году. Правда ему удалось получить не чистый металл, а некий сплав алюминия с элементами, участвующими в опытах.

Его работу продолжил немецкий химик Фридрих Вёлер, который 22 октября 1827 года получил около 30 граммов алюминия в виде порошка. Ему понадобилось еще 18 лет непрерывных опытов, чтобы в 1845 году получить небольшие шарики застывшего расплавленного алюминия (корольки).

Открытый учеными химический метод получения алюминия довел до промышленного применения выдающийся французкий химик и технолог Анри-Этьенн Сент-Клер Девиль. Он усовершенствовал метод Велеоа и в 1856 году совместно со своими партнерами организовал первое промышленное производство алюминия на заводе братьев Шарля и Александра Тиссье в Руане (Франция).

Получаемый металл был похож на серебро, был легким и при этом дорогим, поэтому в то время алюминий считался элитным металлом, предназначенным для изготовления украшений и предметов роскоши. Первыми продуктами из алюминия считаются медали с барельефами Напалеона III, который всячески поддерживал развитие производства алюминия.

Ситуация изменилась с открытием более дешевого электролитического способа производства алюминия в 1886 году. Его одновременно и независимо друг от друга разработали французский инженер Поль Эру и американский студент Чарльз Холл. Предложенный ими метод подразумевал электролиз расплавленной в криолите окиси алюминия и давал прекрасные результаты, но требовал большого количества электроэнергии.

Поэтому свое первое производство Эру организовал на металлургическом заводе в Нейгаузене (Швейцария), рядом со знаменитым Рейнским водопадом, сила падающей воды которого приводила в действие динамо-машины предприятия.

18 ноября 1888 года, между Швейцарским металлургическим обществом и немецким промышленником Ратенау было подписано соглашение об учреждении в Нейгаузене Акционерного общества алюминиевой промышленности с общим капиталом в 10 миллионов швейцарских франков. Позднее его переименовали в Общество алюминиевых заводов. На его торговой марке было изображено солнце, восходящее из-за алюминиевого слитка, что должно было, по замыслу Ратенау, символизировать зарождение алюминиевой промышленности. За пять лет производительность завода возросла более чем в 10 раз. Если в 1890 году в Нейгаузене было выплавлено всего 40 тонн алюминия, то в 1895 году - 450 тонн.

В 1889 году технологичный и дешевый метод производства глинозема - оксида алюминия, основного сырья для производства металла - изобрел австрийский химик Карл Иосиф Байер, работая в Санкт-Петербурге (Россия) на Тентелевском заводе. В одном из экспериментов ученый добавил в щелочной раствор боксит и нагрел в закрытом сосуде - боксит растворился, но не полностью. В нерастворившемся остатке Байер не обнаружил алюминия - оказалось, что при обработке щелочным раствором весь алюминий, содержащийся в боксите, переходит в раствор.

На основе методов Байера и Холла-Эру основаны современные технологии получения алюминия.

Таким образом, за несколько десятилетий была создана алюминиевая промышленность, завершилась история о «серебре из глины» и алюминий стал новым промышленным металлом.

1.2 Предназначение и применение алюминия

На рубеже XIX и XX веков алюминий стал применяться в самых разных сферах и дал толчок для развития целых отраслей.

В 1891 году по заказу Альфреда Нобеля в Швейцарии создается первый пассажирский катер Le Migron с алюминиевым корпусом. А через три года шотландская судостроительная верфь Yarrow & Co представила изготовленную из алюминия 58-метровую торпедную лодку. Этот катер назывался «Сокол», был сделан для военно-морского флота Российской империи и развивал рекордную для того времени скорость в 32 узла.

В 1894 году американская железнодорожная компания New York, New Haven, and Hartford Railroad, принадлежавшая тогда банкиру Джону Пирпонту Моргану (J.P. Morgan), начала выпускать специальные легкие пассажирские вагоны, сидения которых были выполнены из алюминия. А всего через 5 лет на выставке в Берлине Карл Бенц представил первый спортивный автомобиль с алюминиевым корпусом.

Но настоящую революцию алюминий совершил в авиации, за что навсегда заслужил свое второе имя - «крылатый металл».

В 1909 году был изобретен один из ключевых алюминиевых сплавов - дюралюминий. На его получение у немецкого ученого Альфреда Вильма ушло семь лет, но они того стоили. Сплав с добавлением меди, магния и марганца был таким же легким, как алюминий, но при этом значительно превосходил его по твердости, прочности и упругости. Дюралюминий быстро стал главным авиационным материалом. Из него был сделан фюзеляж первого цельнометаллического самолета в мире Junkers J1, разработанного в 1915 году одним из основателей мирового авиастроения, знаменитым немецким авиаконструктором Хуго Юнкерсом.

Алюминий осваивал новые и новые сферы применения. Из него начали массово производить посуду, которая быстро и почти полностью вытеснила медную и чугунную утварь. Алюминиевые сковородки и кастрюли легкие, быстро нагреваются и остывают, а также не ржавеют.

Вторая мировая война видоизменила основные рынки спроса на алюминий - на первый план выходит авиация, изготовление танковых и автомобильных моторов. Война подтолкнула страны антигитлеровской коалиции к увеличению объема алюминиевых мощностей, совершенствовалась конструкция самолетов, а вместе с ними и виды новых алюминиевых сплавов.

В середине XX века человек шагнул в космос. Чтобы сделать это вновь понадобился алюминий, для которого аэрокосмическая отрасль с тех пор стала одной из ключевых сфер применения. В 1957 году СССР вывел на орбиту Земли первый в истории человечества искусственный спутник - его корпус состоял из двух алюминиевых полусфер. Все последующие космические аппараты изготавливались из крылатого металла.

В 1958 году в США появился алюминиевый продукт, ставший впоследствии одним из самых массовых товаров из алюминия, символом экологичности этого металла и даже культовым предметом в области искусства и дизайна. Это алюминиевая банка.

Производство алюминия неуклонно растет по всему миру и к началу 1990-х годов достигает отметки в 19 млн тонн.

Китай обогнал Россию в 2002 году, по итогам которого его производство превысило 4,3 млн тонн. В мире на тот момент было произведено 26 млн тонн алюминия. В дальнейшем алюминиевое производство в Китае росло опережающими темпами - всего через четыре года, в 2006, оно достигло почти 10 млн тонн, что составляло треть общемировых объемов. Страна обогнала все остальные регионы мира по выпуску крылатого металла.

В 2013 году мировая алюминиевая промышленность преодолела новый рубеж - производство металла превысило 50 млн тонн. Дальнейшее развитие отрасли неразрывно связано с ростом потребления на фоне глобальных процессов урбанизации и индустриализации. Алюминий будет все активнее использоваться в автомобилестроении как замена стали, которая в несколько раз тяжелее, а также в электроэнергетике, вытесняя существенно более дорогую медь. По прогнозам аналитиков, к 2023 году спрос на алюминий превысит 80 млн тонн в год. производство алюминий экологичный

1.3 Технология производства алюминия

Алюминий в чистом виде в природе не встречается, именно поэтому еще 200 лет назад человечество ничего не знало об этом металле. Метод получения алюминия при помощи электричества был разработан в 1886 году и применяется до сих пор.

Технология производства алюминия включает в себя следующие этапы:

· Добыча бокситов. Производство алюминия начинается с добычи бокситов. Эта горная порода богата алюминием, который содержится в ней в форме гидрооксидов. Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточены в тропическом поясе. В мире существуют несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства этого металла являются именно бокситы. Это горная порода, состоящая, в основном, из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50% оксида алюминия. Чаще всего добыча бокситов ведется открытым способом - специальной техникой руду «срезают» слой за слоем с поверхности земли и транспортируют для дальнейшей переработки.

· Дробление бокситов. Боксит дробят, высушивают и размалывают в мельницах вместе с небольшим количеством воды. Образовавшуюся густую массу собирают в емкости и нагревают паром, чтобы отделить большую часть кремния, содержащегося в бокситах.

· Выщелачивание. Руду загружаю в атоклав и обрабатывают щелочью - едким натром. В получившейся щелочной раствор из руды переходит практически весь оксид алюминия, а все посторонние примеси формируют твердый осадок - красный шлам. Кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав боксита, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щёлочи, NaOH) высокой концентрации, а при понижении температуры и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Посторонние, входящие в состав боксита (так называемый балласт), не переходят при этом в растворимую форму или перекристаллизовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Поэтому после растворения гидроокиси алюминия балласт легко может быть отделен - он называется красный шлам.

· Декомпозиция. Раствор алюмината натрия несколько суток перемешивают в декомпозерах, в результате чего в осадок выпадает чистый глинозем - Al2O3 (белый рассыпчатый песок).

· Электролиз алюминия. На алюминиевом заводе глинозем засыпают в ванны с расплавленным криолитом при температуре 950 градусов. Через раствор пропускают электрический ток силой до 400 кА и выше - он разрывает связь между атомами алюминия и кислорода, в результате металл в жидкой форме собирается на дне ванны.

Электролизный цех является сердцем алюминиевого завода и не похож на цеха других металлургических предприятий, производящих, например, чугун или сталь. Он состоит из нескольких прямоугольных корпусов, протяженность которых зачастую превышает 1 км. Внутри рядами установлены сотни электролизных ванн, последовательно подключенных массивными проводами к электричеству. Постоянное напряжение на электродах каждой ванны находится в диапазоне всего 4-6 вольт, в то время как сила тока составляет 300 кА, 400 кА и более. Именно электрический ток является здесь главной производственной силой - людей в этом цехе крайне мало, все процессы механизированы.

В каждой ванне происходит процесс электролиза алюминия. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, который создает электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С. Роль катода выполняет дно ванны, а анода - погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра, со стороны они выглядят как впечатляющих размеров молот.

Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается - алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ.

Примерно раз в 2-4 суток алюминий извлекают из ванны при помощи вакуумных ковшей. В застывшей на поверхности ванны корке электролита пробивают отверстие, в которое опускают трубу. Жидкий алюминий по ней засасывается в ковш, из которого предварительно откачан воздух. В среднем, из одной ванны откачивается около 1 тонны металла, а в один ковш вмещается около 4 тонн расплавленного алюминия. Далее этот ковш отправляется в литейное производство.

· Литейное производство. Первичный алюминий отливается в слитки и отправляется потребителям, а также используется для дальнейшего производства алюминиевых сплавов для различных целей.

Расплавленный алюминий в ковшах доставляется в литейный цех алюминиевого завода. На этой стадии металл все еще содержит небольшое количество примесей железа, кремния, меди и других элементов. Но даже доли процента, приходящиеся на примеси, могут изменить свойства алюминия, поэтому здесь их удаляют методом переплавки в специальной печи при температуре 800°С. Полученный чистый алюминий разливают в специальные формы, в которых металл приобретает свою твердую форму.

В литейном цехе алюминию придают не только разные формы, но и состав. Дело в том, что в чистом виде этот металл используется гораздо реже, чем в виде сплавов.

Источники

1. http://www.aluminas.ru/aluminum/ecology/

2. https://aluminiumleader.ru/production/how_aluminium_is_produce

Размещено на Allbest.ru