Технология производства глинозема

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

И. В. Логинова, А. В. Кырчиков, Н. П. Пенюгалова

ТехНоЛогИя ПроИзВодсТВА гЛИНоземА

Учебное пособие

Под общей редакцией проф. И. В. Логиновой

Рекомендовано методическим советом УрФУ  
для магистров и бакалавров всех форм обучения  
направления 150400 — Металлургия

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

2-е издание, стереотипное

УДК 669.712(075.8)
ББК 34.333-11я73
   Л69

Рецензенты: генеральный директор ЗАО НПК «Техноген»,  
д-р техн. наук, чл.-кор. АТН РФ проф. В. С. Шемякин, канд. экон. 
наук, проф. кафедры экономики и менеджмента С. В. Макарова 
(Уральский государственный горный университет)

Логинова, И.В.
     Технология производства глинозема [Электронный ресурс]: 
учебное 
пособие 
/ 
И. 
В. 
Логинова, 
А. 
В. 
Кырчиков, 
Н. П. Пенюгалова; под общ. ред. проф. И. В. Логиновой. — 2-е изд., 
стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 335 с.

ISBN 978-5-9765-3153-6 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1492-8 (Изд-во Урал. ун-та)

Приведены сведения о сырьевой базе производства глинозема в России. 
Показано поведение основных компонентов и примесей бокситового сырья 
в технологических циклах основных способов производства глинозема — 
способа Байера и способа спекания. Даны основные технологические схемы 
способов получения глинозема, используемые на российских и зарубежных 
глиноземных заводах, а также схемы отдельных переделов производства. 
Описаны теории строения щелочно-алюминатных растворов и физико-химические основы рассматриваемых процессов.
Библиогр.: 28 назв. Табл. 37. Рис. 129. Прил. 18.
УДК 669.712(075.8)
ББК 34.333-11я73

 © Уральский федеральный 
      университет, 2015

   Л69

ISBN 978-5-9765-3153-6 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1492-8 (Изд-во Урал. ун-та)

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение производства алюминия и глинозема (Al2O3) в России 
будет происходить за счет интенсификации действующих технологических процессов, внедрения новых технологий, повышения степени использования оборудования и сырья, а также в результате строительства новых предприятий.
Под повышением степени использования сырья подразумевается прежде всего его комплексная переработка. Расширение глиноземного производства в России, необходимое для обеспечения 
алюминиевых заводов глиноземом, приведет к увеличению расхода 
используемых, изученных видов сырья и к вовлечению в сферу производства новых руд. Многолетний отечественный опыт переработки 
диаспор-бемитовых и глинистых гиббситовых бокситов и нефелинов 
показал большую экономическую эффективность производства глинозема на высоком техническом уровне.
В последнее десятилетие в сферу производства глинозема все 
больше вовлекается низкокачественное сырье, содержащее значительное количество примесей. Поэтому повышение экономической 
эффективности использования такого сырья может быть достигнуто 
извлечением наряду с глиноземом других основных его составляющих, а также получением новых видов продукции на глиноземных 
заводах.

1. ИсхоДНоЕ алюмИНИЕВоЕ сырьЕ. боксИты

По распространенности в природе алюминий занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду 
и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, составляет от 7,45 до 8,14% от массы 
земной коры.
Вследствие своей высокой химической активности алюминий 
в природе встречается только в связанном виде (т. е. самородного металла не бывает). Алюминий — металл, обладающий амфотерными 
свойствами, т. е. он может реагировать с кислотами, образуя соответствующие соли, и со щелочами, образуя алюминаты. Это существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного 
состава. По данным академика А. Е. Ферсмана, число минералов, содержащих алюминий, насчитывает около 250 разновидностей. Они 
делятся на две примерно равные по количеству видов группы. К первой относятся первичные минералы, образующиеся при кристаллизации магмы и ее производных. Среди них главная роль принадлежит 
алюмосиликатам, типичными представителями которых являются 
следующие минералы — ортоклаз, альбит, лейцит и нефелин. Значительно меньше имеют распространение силикаты алюминия — силлиманит, андалузит, дистен. Относительно редкими являются шпинели и свободный оксид алюминия — корунд.
Под воздействием процессов выветривания в земной коре образуются различные вторичные соединения алюминия. Среди них широко распространены минералы гидросиликатов алюминия — каолинит 
и его разновидности, а также различные гидрослюды, хлориты, цеолиты. Также широко распространены различные гидроксиды и оксиды 
алюминия, которые являются важнейшей составляющей частью основных алюминиевых руд — бокситов. К ним относятся минералы — 
гиббсит, бемит, диаспор. К этой же группе относится алунит.
Наиболее важные минералы, из которых можно получать глинозем, приведены в табл. 1.1.
Таким образом, алюминийсодержащие руды в зависимости от со

1. ИСХОДНОЕ АЛЮМИНИЕВОЕ СЫРЬЕ. БОКСИТЫ

ставляющих их минералов подразделяются на бокситовое сырье (диаспор, бемит, гиббсит), нефелины, алуниты и алюмосиликатное бесщелочное сырье (каолины, кианиты, каменноугольные золы).
Важнейшей алюминиевой рудой в глиноземном производстве России и в мировой практике являются бокситы. Бокситы как сырье впервые были обнаружены во Франции в 1821 г. около города Бо, откуда 
и возникло их название. Боксит — это сложная горная порода, состоящая из оксидов и гидроксидов алюминия, железа, кремния и титана.
Таблица 1.1
Алюминийсодержащие минералы,  
имеющие промышленный интерес

Наименование 
минерала
Химическая формула
Содержание
Al2O3,%

Корунд
α-Al2O3
100

Диаспор
α-Al2O3·Н2О, α-AlOOH
85

Бемит
γ-Al2O3·Н2О, γ-AlOOH
85

Шпинель
Al2O3·MgO
71

Гиббсит  
(гидраргиллит)
Al2O3·3Н2О, Al (OH)3
65,4

Кианит
Андалузит
Силлиманит
Al2O3·SiO2
63

Каолинит
Al2O3·2SiO2·2Н2О
39,5

Серицит
Мусковит
K2O·3Al2O3·6SiO2·2Н2О
38,4

Алунит
(K, Na) 2SO4·Al2 (SO4)3·4Al (OH)3
37

Анортит
CaO·Al2O3·2SiO2
36,7

Нефелин
(K, Na)2O·Al2O3·2SiO2
32,3–35,9

Лейцит
K2O·Al2O3·4SiO2
23,5

Альбит
Na2O·Al2O3·6SiO2
19,3

Ортоклаз
K2O·Al2O3·6SiO2
18,4

В качестве примесей в них присутствуют карбонаты кальция 
и магния, гидросиликаты, сульфиды и органические соединения. Основными глиноземсодержащими минералами бокситов являются гиб

ТЕХНОЛОгИя И эКОНОМИКА пРОИзВОДСТВА гЛИНОзЕМА

бсит (гидраргиллит), бемит и диаспор. Однако мономинеральные бокситовые руды в природе встречаются редко, гораздо чаще встречаются 
руды смешанного типа — гиббсит-бемитовые или диаспор-бемитовые. 
По внешнему виду бокситы напоминают глину, хотя от нее отличаются существенно, т. к. в их основе находятся гидроксиды алюминия.
В пересчете на Al2O3 в боксите содержится Al2O3 от 30 до 80%, 
Fe2O3 — до 50%, SiO2 — до 20%, TiO2–10%.
Выделяют два генетических типа месторождений бокситов:
· остаточно-хемогенный;
· осадочно-хемогенный.
Остаточные месторождения образуются из различных алюмосиликатных пород в процессе их выветривания. Основные мировые залежи бокситов являются остаточно-хемогенными.
Осадочные месторождения образуются в результате накопления 
продуктов химического и механического выветривания, в котлованах различного происхождения. К этому типу бокситов относят большинство месторождений бокситов в России.
Остаточные бокситы легко подвергаются обогащению промывкой. Залежи бокситов осадочного типа более сложные. Они часто 
состоят из одного или нескольких слоев, отличающихся по качеству.
Часть бокситов в них может быть замещена бокситовыми или 
обычными глинами. Такие бокситы более трудно поддаются механическому обогащению.
Производство глинозема во всем мире осуществляется преимущественно из высококачественных бокситов гиббситового или гиббситбемитового типа, которые перерабатываются по способу Байера.
Качество боксита и способ его дальнейшей переработки определяется следующей характеристикой (кремневый модуль):

mSi
2
3
Al O
SiO
=
(%)
(%) .

2

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

Качество боксита также определяется содержанием карбонатов 
(CO2), наличием соединений серы, цинка, органических и других соединений.
В нашей стране запасы высококачественных бокситов ограниче

1. ИСХОДНОЕ АЛЮМИНИЕВОЕ СЫРЬЕ. БОКСИТЫ

ны, они находятся на Урале и относятся к наиболее трудно вскрываемым бокситам диаспорового и диаспор-бемитового типа. Эти бокситы добываются на Североуральском бокситовом руднике (СУБР) 
с глубины около 1000 метров и добывались на Южно-Уральском бокситовом руднике (ЮУБР) с глубины от 500 метров. Руды этих месторождений представлены следующими минералами: диаспор, бемит, 
каолинит, шамозит, гематит, кальцит, сидерит, пирит, мельниковит, 
рутил, анатаз, хлориты.
Бокситы средне-тиманской группы СТБР (республика Коми) 
имеют среднее качество и относятся к бемит-шамозит-гематитовому 
типу.
В табл.
1.2 приведен химический состав бокситов СТБР  
и СУБР.
Таблица 1.2
Химический состав бокситов СТБР и СУБР

Боксит

Концентрация компонентов, %

μSiO2

Влажность, 
%

Al2O3
SiO2
CaO
Fe2O3
FeO
S
CO2
П.п.п

СУБР
51,0–
54,0
3,4–
3,8
2,5–
4,2
19,5–
22,0
3,4–
4,3
0,86–
1,0
2,8–
4,5
10,0–
12,3
13,4–
15,8
8,4–
8,9

СТБР
49,5
6,6–
7,4
0,3–
0,4
28,0
1,3–
4,0
0,03
0,1–
0,3
11,0
7,5–
6,6
12,0–
16,7

Боксит — масса непластичная, может быть плотной с землистым изломом, может быть пористой с ячеистым изломом, плотность колеблется 
от 1,2 до 3,5 г/см3, твердость — от 2 до 7, цвет — от белого до кирпичного.
Текстурные и структурные особенности бокситов различны 
и в зависимости от крепости и прочности цемента выделяются: каменистые, рыхлые и глинистые бокситы. Наиболее типичной и распространенной является бобовая структура бокситов. Существует несколько ее разновидностей, которые определяются количественным 
соотношением объема бобовин и цементирующей их массы. Они соответствуют различным этапам формирования бокситов как горной 
породы. Вещественный и химический состав бобовин и цементирующей массы различен.

ТЕХНОЛОгИя И эКОНОМИКА пРОИзВОДСТВА гЛИНОзЕМА

1. Каменистые бокситы (полнобобовые) представляют собой 
крепкие породы бобовой структуры. Общая окраска: темно-красная, 
буровато-красная, кирпичная. Бобовины значительно темнее цемента, их количество колеблется в больших пределах.
Изредка встречаются бокситы, почти лишенные цемента и полностью 
состоящие избобовин. Полнобобовой называют структуру, образующуюся 
при тесном соприкосновении бобовин, когда почти вся масса вещества заключена в бобовинах.
Эта структура характерна для наиболее высокоглиноземистых 
или высокожелезистых бокситов, содержащих незначительное количество алюмосиликатов; содержание оксида кремния в них обычно невелико. Форма бобовин — овальная, реже — круглая. Кроме 
собственных бобовин наблюдается значительное количество их обломков неправильной или слабоокатанной формы. Размер бобовин 
и обломков колеблется от 1–2 мм до 10–15 мм. Цемент каменистых 
бокситов имеет более светлую окраску, но обычно преобладают красные и бурые тона.
2. Рыхлые бокситы (неполнобобовая структура) отличаются от каменистых бокситов меньшей прочностью цемента. Для них характерны более светлые розово-красные, кирпично-красные, палевые 
и желто-бурые цвета и редко бобовая структура. Количество бобовин 
по отношению к общей массе боксита составляет 5–20% и размер их 
колеблется от 1–2 мм до 6 мм. Бобовины рыхлые, частично выщелоченные с округлой или овальной формой. Так же как и в каменистых 
разновидностях, встречаются обломки бобовин и посторонние включения. Цемент светлее бобовин. Он кирпично-красный или розовый 
с землистым изломом. Бокситы такой структуры обычно среднего качества, содержат много алюмосиликатов, входящих в основном в состав цемента.
3. Глинистые бокситы (редкобобовые) мало отличаются от бокситовых глин по внешнему виду, менее вязкие и сухие. Имеют редкобобовую структуру, количество бобовин не превышает 15% от массы. 
Размер их до 3 мм. Бобовины и цементирующая масса резко отличаются по химическому и минералогическому составу. Глинистые бокситы характеризуются высоким содержанием каолинита и низким 
содержанием оксидов железа.
В табл. 1.3 представлены основные области применения бокситов.

1. ИСХОДНОЕ АЛЮМИНИЕВОЕ СЫРЬЕ. БОКСИТЫ

По ГОСТ 972–84 в зависимости от вида потребления бокситы 
подразделяются на 7 марок, приведенных в табл. 1.4.
Таблица 1.3
Основные области применения бокситов

Марка
Области применения

ЭБ–1, ЭБ–2
Производство электрокорундов

ЦБ–1
Производство глиноземистого
цемента

ЦБ–2
Производство цемента

ОБ
Производство огнеупоров

ГБ
Производство глинозема

МБ
Мартеновское производство

Кроме ограничений по кремнию, существует по ГОСТам ограничение содержания в боксите серы и СО2. Для производства глинозема 
по способу Байера и спекания содержание серы не должно превышать 1%. Содержание СО2 в бокситах, переработанных по способу Байера, не должно превышать 1,5%. В спекательных бокситах ограничения по СО2 нет.
Таблица 1.4
Стандарты на бокситы: ГОСТ 972–84

Марки
Сорт
Содержание 
Al2O3, %
μSi не менее
Области применения

Б-00
–
50
12
Получение глинозема, 
электрокорунда А-16, глиноземистый цемент

Б-0
–
50
10

Получение глинозема, 
электрокорунда А-16,
А-15, А-14, глиноземистый 
цемент

Б-1
–
48
8
Глинозем, электрокорунд 
А-14

Б-2
–
43
6
Глинозем, электрокорунд 
А-14

ТЕХНОЛОгИя И эКОНОМИКА пРОИзВОДСТВА гЛИНОзЕМА

Марки
Сорт
Содержание 
Al2O3, %
μSi не менее
Области применения

Б-3
Ι
ΙΙ
45
35
5
5
Глинозем

Б-4
Ι
ΙΙ
ΙΙΙ

43
42
40

3,9
3
3
Глинозем

Б-5
–
48
2,6
Глинозем, огнеупоры, мартеновское производство

Б-6
Ι
ΙΙ
45
37
2
2
Огнеупоры, мартеновское 
производство

1.1. бокситы месторождений россии и казахстана

Бокситы перспективных месторождений по своему качеству уступают бокситам СУБРа. К ним относятся Горностайско-Краснооктябрьская 
группа месторождений, Соколовское, Колчаданское месторождения.
Они характеризуются содержанием глинозема 45–57%, соединением SiO2–5–20%. Данные бокситы пригодны для переработки только по способу спекания. Сравнительная характеристика бокситов отдельных месторождений представлена в табл. 1.5.
Таблица 1.5
Основные месторождения бокситового сырья России и Казахстана

Месторождения
Химический состав боксита,%

Al2O3
Fe2O3
SiO2
μSi
СУБР
48–54
21–23
2–8
6–22

Краснооктябрьское
40–55
4–24
5–16
2,7–8

Белинское
40–47
13–25
5–10
4–8

Аятское
42–49
7–21
8–12
3–6

Северо-Онежское
51–54
6–9
17–19
3–7

Средне-Тиманское
45–50
до 25
5–12
3–7

Висловское
48–52
–
7–9
5–8

Окончание табл. 1.4