Юрий Кустов
Заведующий отделом ВИМС, кандидат геолого-минералогических наук

С

овременная металлургия алюминия включает в себя две основные стадии: производство из природного сырья оксида алюминия (глинозема), осуществляемое химическими методами, и получение из него путем электролиза расплавленных фтористых солей алюминия (криолита и фторида алюминия). Этого металла в земной коре больше, чем железа. Минералы, содержащие алюминий, исчисляются сотнями. Главные из них – алюмосиликаты (более 90 % по массе). Среди самых распространенных и широко известных – минералы глин, полевые шпаты, фельдшпатоиды (нефелин, кальсилит) и др. Некоторые можно перерабатывать с получением металлургического глинозема, а нефелин даже используют в промышленных масштабах. Но основными рудами стали не они.
    Водные оксиды алюминия – диаспор, бемит и гиббсит – в природной смеси с глиной и оксидами железа, называемой бокситом, стали главной его рудой. Дело в том, что алюмосиликатная молекула – очень прочное соединение, и, чтобы ее «разорвать» и выделить глинозем (Аl₂О₃), требуется большая энергия. Бокситы же перерабатывают значительно более экономными способами, поэтому, в первую очередь, они стали основой сырьевой базы алюминия. Из этого сырья в мире производится более 97 % глинозема. Лучшим сырьем для его получения являются высококачественные малокремниевые бокситы, содержащие в среднем более 45 % глинозема и менее 5 % кремнезема, из которых оксид алюминия можно получить гидрохимическим «мокрым» методом Байера.
    Основная масса этих пород возникает в результате так называемого латеритного выветривания (биохимического преобразования алюмосиликатных пород в условиях очень жаркого и умеренно влажного климата). Тропические страны, где в так называемых корах выветривания «вызревает» это ценное вещество, являются главными его поставщиками на мировой рынок. Австралия, Гвинея, Бразилия, Ямайка, Венесуэла – вот неполный перечень главных бокситодобывающих стран. В этих районах, как правило, в геологически молодых образованиях сосредоточено более 90 % мировых ресурсов бокситов.
    В России месторождения этого сырья связаны с более древними, главным образом, палеозойскими отложениями. В отличие от тропических, залегающих на поверхности, эти руды могут быть захоронены под мощными толщами осадков и при этом интенсивно дислоцированы. В молодых тропических бокситах алюминий находится, главным образом, в легковскрываемой трехгидратной форме – в виде минерала гиббсита. Российские же бокситы – моногидратные (бемитовые и диаспоровые) – требуют больших энергозатрат при переделе. Кроме того, на протяжении своей истории они подвергались различным физико-химическим воздействиям, ухудшающим качество сырья.
    Наиболее выразительным показателем качества бокситов является так называемый приведенный глинозем, упрощенно вычисляемый в виде разницы содержаний (в процентах) глинозема и удвоенного кремнезема (Апр = Аl₂О₃ – 2SiO₂). У тропических бокситов этот показатель обычно превышает 50 %, у североуральских колеблется в пределах 42–50 %; у среднетиманских – 27–35 %, а у онежских – 16–19 %. Иначе говоря, Россия, обладая неплохим для нетропической страны потенциалом бокситов (более 3 % мировых запасов), располагает в основном низкокачественными рудами. Это главная проблема отечественной сырьевой базы. Поэтому в РФ перерабатывают бокситы более энергоемкими и дорогими способами (байер-спекательным и спекательным). По той же причине часть глинозема в России производят из нефелиновых руд. Такая продукция обходится, естественно, дороже.


    Чтобы обеспечить полную загрузку мощностей отечественных металлургических заводов, необходимо ежегодно получать более 6 млн т глинозема, а в стране вырабатывается чуть более 3 млн т – примерно 55 % бокситового и 45 % нефелинового. Остальное ввозится из-за рубежа – в значительной мере с Украины и из Казахстана.
    Основную массу производимого в мире глинозема получают в настоящее время из гидраргиллитовых (гиббситовых) тропических бокситов способом Байера. При таком переделе измельченный боксит подвергают выщелачиванию, чтобы минералы алюминия растворились в оборотном щелоке. Крепость оборотных щелоков – 240 г/л Na₂O. Руды диаспорового и бемитового состава требуют более крепких щелоков (до 350 г/л Na₂O) и большего расхода тепла. Способ Байера позволяет извлекать из боксита только глинозем, а соединения кремния и железа, так называемый красный шлам, идут в отвал. Для получения глинозема по способу Байера применяют бокситы, в которых отношение Аl₂О₃/SiO₂ – не ниже 7–8.
    Бокситы с повышенным содержанием кремнезема можно перерабатывать более дорогим способом спекания. При этом измельченный боксит смешивается с известняком и содой. Смесь спекается при температуре 1150–1250^oС во вращающихся печах: сода взаимодействует с оксидом алюминия, образуя растворимый алюминат натрия, а известняк вступает в соединение с кремнеземом, образуя нерастворимый силикат кальция. Спек измельчают и выщелачивают водой. В результате алюминий и небольшая часть кремния переходят в раствор. От последнего отделяется нерастворимый остаток (красный шлам). Очистка алюминатного содового раствора от кремнезема осуществляется нагревом до температуры 160^oС с известью в автоклаве. Кремнезем выпадает в виде нерастворимых силикатов кальция (белый шлам). Отделенный от белого шлама раствор разлагают методом карбонатизации, барботируя через него топочные газы, содержащие СО₂. Образующийся гидрооксид алюминия отделяется фильтрацией, промывается и прокаливается для получения товарного глинозема. Получаемая при карбонатизации сода используется как оборотный материал. Расход электроэнергии при спекательном переделе моногидратных руд в 4,5 раза выше, чем при байеровском – трехгидратных.
    В отечественных научных коллективах постоянно ведутся работы, направленные на совершенствование технологии передела бокситов и других руд алюминия. Есть ряд разработок по модернизации отдельных звеньев этого процесса. К сожалению, ни один из предложенных способов не может конкурировать с производством глинозема из высококачественных бокситов по способу Байера. К наиболее радикальным предложениям, требующим дальнейшего развития, можно отнести схему кислотной переработки руд, последовательно разрабатываемую Ю.Е. Сутыриным. При этом способе для вскрытия руд используются серная, азотная или соляная кислота. Природное сырье подвергают обжигу, а обожженный продукт выщелачивают в автоклаве оборотным раствором с концентрацией кислоты более 150 г/л, при температуре 150–180^oС. Раствор азотнокислого алюминия подвергают гидролитическому разложению также в автоклаве. Алюминий из раствора выделяется в виде гидроксида, а кислота регенерируется, оставаясь в жидкой фазе. Используемый реагент не взаимодействует с кремнеземом, а то его количество, которое расходуется на перевод алюминия в раствор, регенерируется и возвращается в процесс.
    Способ Байера и в особенности способ спекания имеют недостатки: ограниченность применения, высокий расход дорогостоящих каустической соды и пара, большие материальные потоки, высокий расход топлива. Поэтому в странах СНГ сравнительно высококачественные бокситы перерабатывают не чистым способом Байера, а в комбинации со спеканием в параллельном и последовательном вариантах.


    В параллельном варианте основную часть боксита перерабатывают способом Байера, а остальную – способом спекания. Обе ветви идут параллельно до получения алюминатного раствора, а затем обескремненный алюминатный раствор из ветви спекания смешивают с раствором байеровской и подвергают декомпозиции. Моногидрат соды от выпарки маточного раствора (рыжую соду) вместо каустификации направляют в ветвь спекания, где вместе со свежей содой используют для переработки новой партии боксита. Применение параллельного варианта создает возможность переработки на одном заводе высоко- и малокремнистых бокситов (первых – в ветви спекания, вторых – в байеровской), возмещает потери едкой щелочи в цикле Байера содой, которая каустифицируется при спекании с бокситом, и, обеспечивая дополнительное производство глинозема, очищает алюминатные растворы ветви Байера моногидратом соды. Основные недостатки параллельного варианта – его сложность и повышенные затраты на ветвь спекания. Расход энергии при переделе этим способом диаспоровых бокситов в 2 раза выше, чем при байеровском переделе гиббситовых руд.
    В последовательном варианте обогащенный глиноземом и щелочью красный шлам после выщелачивания бокситов спекают в смеси с водой и известняком. Обескремненный алюминатный раствор от выщелачивания спека смешивают с разбавленным раствором процесса Байера для совместного разложения. Рыжую соду от упарки маточного раствора смешивают со шламом перед спеканием. Последовательный вариант пригоден для переработки высококремнистых бокситов и имеет следующие достоинства: потери каустической щелочи возмещаются эквивалентным количеством соды, получают высокое суммарное извлечение глинозема из сырья, создается меньший поток шихты на спекание, но энергозатраты при этом способе в 2,5 раза выше, чем при чистом байеровском.
    Переработка нефелиновых руд осуществляется спеканием. В отличие от бокситов, нефелины содержат щелочь в достаточном или близкoм к достаточному для спекания количестве. Поэтому они спекаются только с известняком во вращающихся печах при температуре 1250–1350^oС. Попутно производится сода и поташ. Их получают упариванием карбонатного раствора. Из маточных растворов после отделения поташа и из осадка второй стадии карбонизации алюминатных растворов извлекают галлий. Белитовый шлам нефелинового производства идет на получение цемента. Таким образом, используются все компоненты нефелинового концентрата. Извлечение Аl₂О₃ в товарный глинозем составляет около 80 %, а энергозатраты здесь в 5 раз выше, чем при байеровском переделе бокситов. Экономически это производство оправдывается лишь при комплексном использовании сырья с одновременным получением, помимо оксида алюминия, цемента и щелочных солей (сода, поташ).
    Таким образом, главной для российской сырьевой базы является проблема качества. В зависимости от региона она имеет свою специфику. Глиноземные заводы размещены вблизи месторождений алюминиевого сырья, в первую очередь, на Урале, в Ленинградской области и Красноярском крае. В России действуют три глиноземных завода, перерабатывающих бокситы, и два – нефелиновое сырье.
    Богословский алюминиевый завод перерабатывает бокситы по комбинированной технологии байер-спекание (параллельный вариант). При этом может использоваться высококачественный байеровский боксит (85 % шихты) и низкокачественный спекательный (15 % шихты). Среднее содержание основных компонентов в глиноземных бокситах 1-го сорта (байеровских): Аl₂О₃ – 52 %, SiO₂ – 5 %, 2-го и 3-го сорта (спекательных), соответственно, 49 % и 10 %, 44 % и 15 %.
    Уральский алюминиевый завод также перерабатывает бокситы по комбинированной технологии байер-спекание (параллельный вариант), но при этом в силу особенностей технологии (двухкомпонентная шихта) может использовать лишь высококачественные байеровские бокситы.
    В ближайшей перспективе представляются целесообразными и вполне реальными мероприятия по укреплению сырьевой базы и частичной модернизации технологии, обеспечивающие умеренный рост производства и снижение энергетических затрат на уральских глиноземных предприятиях.


    Бокситогорский завод (Ленинградская область) перерабатывает низкокачественные бокситы только по спекательной технологии. Среднее содержание основных компонентов в глиноземных бокситах: Аl₂О₃ – 52 %, SiO₂ – 18 %.
    Пикалевский завод (Ленинградская область) использует нефелиновые концентраты, получаемые в процессе обогащения апатит-нефелиновых руд Мурманской области. Содержание глинозема в рудах в целом невысокое – 12–15 %, в нефелиновом концентрате – 28,5 %. Конечное извлечение глинозема из хибинских руд не достигает 6 %.
    Ачинский глиноземный завод (Красноярский край) перерабатывает высококачественное нефелиновое сырье – уртиты Кия-Шалтырского месторождения в Кемеровской области. Здесь содержание глинозема – 26–28 %, поэтому руды используют без обогащения.
    Основной регион добычи и переработки бокситов – Урал. Здесь производится более четверти потребляемого в отрасли глинозема. Около 70 % руды добывается на месторождениях Североуральского бокситорудного района (Свердловская область). Субровские руды – лучшие в стране, относятся к рудам 1-го сорта (среднее содержание Аl₂О₃ – 50,2–56 %, SiO₂ – 2,6–4,8 %). Глиноземные производства региона (Богословский и Уральский заводы) рассчитаны на переработку руд именно такого качества. Хотя добыча ведется десятки лет, резерв еще значителен. Правда, огромная глубина (более 700 м) и связанные с этим затраты делают добычу руд нерентабельной, тем не менее заменить их полностью нечем. Возможности прироста запасов на мелких месторождениях Ивдельского района (Свердловская область) под открытую отработку крайне невелики, да и руды здесь хуже: Аl₂О₃ – 41–47 %, SiO₂ – 12–13 %. Эти бокситы можно рассматривать как оперативный резерв Североуральского рудника. Они могут перерабатываться в спекательной ветви или подшихтовываться к высококачественным бокситам СУБРа.
    Тиманская провинция обладает серьезным потенциалом бокситов, сравнимым с уральским, но байеровских руд, способных быть переработанными на Урале, здесь насчитывается меньше половины. Все они расположены на Среднем Тимане, который обладает солидным потенциалом (около 20 % общероссийских запасов) бокситов достаточно высокого качества: Аl₂О₃ – 50,3 %, SiO₂ – 7,7 %. На Среднетиманском бокситовом руднике, поставляющем сырье на уральские заводы, добыча уже достигла 20 % от общероссийской. В ближайшие годы производительность рудника предполагается увеличить в 2 раза. Запасов руд на Среднем Тимане при такой производительности хватит более чем на 100 лет. Поэтому здешние бокситы рассматриваются и как источник сырья для самостоятельного глиноземного предприятия в Ухте. Строительство нового завода позволит на 20–25 % ослабить сырьевой голод. Правда, комбинат на байеровском переделе (о таком проектировании просочились сведения в печать) не позволит полностью использовать запасы среднетиманских руд. А строительство завода с комбинированной схемой позволило бы в значительном количестве перерабатывать и спекательные руды, используя потенциал не только Среднего, но и Южного Тимана.
    Онего-Тихвинская провинция обладает большим потенциалом крайне низкокачественных руд (Аl₂О₃ – 53,47 %, SiO₂ – 17,3 %), размещенных в основном в пределах Иксинского месторождения. На месторождении добывают менее 7 % отечественных бокситов. Главная проблема сырья на Онеге – низкий спрос, определяемый отсутствием высокоэффективных схем переработки высококремнистых бокситов.
    Расчеты показывают, что при условии расширения и модернизации Бокситогорского глиноземного завода (введения сюда гидрохимического передела), строительства нового, Пикалевского ГЗ и соответствующего расширения добычи здесь можно создать рентабельное производство мощностью около 1 млн т металлургического глинозема.
    Белгородский рудный район обладает значительным потенциалом неплохих руд (Аl₂О₃ – 49,5 %, SiO₂ – 8,3 %), размещенных на глубине более 500 м. Даже создание высокоэффективной системы подземной добычи руд не решает всех проблем, так как освоение месторождения потребует строительства не только рудника, но и глиноземного предприятия.
    Сибирские провинции обладают небольшим потенциалом мелких и разбросанных месторождений низкокачественных руд. Единственно достойное упоминания – месторождение «Центральное» Чадобецкого рудного района в Красноярском крае, среднее по запасам низкокачественных высококремнистых гиббситовых бокситов, способное стать базой для небольшого, не более 250 тыс. т в год, глиноземного завода с комбинированной схемой переработки. Основная проблема – отсутствие промышленной инфраструктуры в Приангарье.
    Серьезных проблем с сырьевым обеспечением заводов, перерабатывающих нефелины, нет. В Мурманской области сосредоточены огромные запасы и ресурсы апатит-нефелиновых руд, хвосты переработки которых являются высококачественным комплексным глиноземным сырьем. Здесь сосредоточены шесть разрабатываемых месторождений (ОАО «Апатит») и пять – числящихся в государственном резерве. Ресурсов этих руд хватит еще на 80 лет. Надо еще учитывать, что в настоящее время из них полностью извлекается только апатит, а нефелин – лишь частично.
    Кия-Шалтырский рудник разрабатывает уртиты открытым способом. Руды – богатые, не требующие обогащения. Ачинский завод обеспечен разведанными запасами этого месторождения примерно на 20 лет, резервными – более чем на 100 лет. Правда, лучшие уртиты почти выработаны, а тералито-сиениты резервного Горячегорского месторождения имеют худшее качество и требуют обогащения.
    Нефелиновые руды еще долгое время будут важным сырьевым источником отечественной глиноземной промышленности, но серьезного расширения их добычи ожидать не следует: в процессе их передела образуется слишком много труднореализуемых попутных продуктов, а ограниченное использование этого сырья нерентабельно.
    Подведем итоги: ведущим сырьевым регионом, обеспечивающим существенную долю отечественного глинозема, и сегодня, и в реально просматриваемой перспективе является Урало-Тиманский, в пределах которого сконцентрированы ведущие бокситовые рудники и основные глиноземные предприятия. Укрепление сырьевой базы и производственного потенциала этого региона – главная задача государственной поддержки сырьевого сектора алюминиевой промышленности.