0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Каким путем получается металлический алюминий?

Алюминий. Химия алюминия и его соединений

Бинарные соединения алюминия

Алюминий

Положение в периодической системе химических элементов

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение алюминия и свойства

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии :

+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2s 2p 3s 3p

Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии :

+13Al * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 1s 2s 2p 3s 3p

Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.

Физические свойства

Алюминий – лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Температура плавления 660 о С, температура кипения 1450 о С, плотность алюминия 2,7 г/см 3 .

Алюминий — один из наиболее ценных цветных металлов для вторичной переработки. На протяжении последних лет, цена на лом алюминия в пунктах приема непреклонно растет. По ссылке можно узнать о том, как сдать лом алюминия.

Нахождение в природе

Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре — около 8%.

В природе алюминий встречается в виде соединений:

Бокситы Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3) — гидрат оксида алюминия.

Корунд Al2O3. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.

Способы получения

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Поэтому традиционные способы получения алюминия восстановлением из оксида протекают требуют больших затрат энергии. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла-Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите (при температуре 960-970 о С) Na3AlF6, а затем подвергают электролизу с углеродными электродами. При растворении в расплаве криолита оксид алюминия распадается на ионы:

На катоде происходит восстановление ионов алюминия:

Катод: Al 3+ +3e → Al 0

На аноде происходит окисление алюминат-ионов:

Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:

Лабораторный способ получения алюминия заключается в восстановлении алюминия из безводного хлорида алюминия металлическим калием:

AlCl3 + 3K → Al + 3KCl

Качественные реакции

Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами . При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.

Например , хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:

AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl

При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:

Обратите внимание , если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:

AlCl3 + 4NaOH = Na[Al(OH)4] + 3NaCl

Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также в ыпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.

AlCl3 + 3NH3·H2O = Al(OH)3 ↓ + 3NH4Cl

Al 3+ + 3NH3·H2O = Al(OH)3 ↓ + 3NH4 +

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.

Химические свойства

1. Алюминий – сильный восстановитель . Поэтому он реагирует со многими неметаллами .

1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:

1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:

1.3. Алюминий реагируют с фосфором . При этом образуются бинарные соединения — фосфиды:

Al + P → AlP

1.4. С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000 о С с образованием нитрида:

2Al + N2 → 2AlN

1.5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:

1.6. Алюминий взаимодействует с кислородом с образованием оксида:

Видеоопыт взаимодействия алюминия с кислородом воздуха (горение алюминия на воздухе) можно посмотреть здесь.

2. Алюминий взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Реагирует ли алюминий с водой? Ответ на этот вопрос вы без труда найдете, если покопаетесь немного в своей памяти. Наверняка хотя бы раз в жизни вы встречались с алюминиевыми кастрюлями или алюминиевыми столовыми приборами. Такой вопрос я любил задавать студентам на экзаменах. Что самое удивительное, ответы я получал разные — у кого-то алюминий таки реагировал с водой. И очень, очень многие сдавались после вопроса: «Может быть, алюминий реагирует с водой при нагревании?» При нагревании алюминий реагировал с водой уже у половины респондентов))

Тем не менее, несложно понять, что алюминий все-таки с водой в обычных условиях (да и при нагревании) не взаимодействует. И мы уже упоминали, почему: из-за образования оксидной пленки . А вот если алюминий очистить от оксидной пленки (например, амальгамировать), то он будет взаимодействовать с водой очень активно с образованием гидроксида алюминия и водорода:

2Al 0 + 6 H2 + O → 2 Al +3 ( OH)3 + 3 H2 0

Амальгаму алюминия можно получить, выдержав кусочки алюминия в растворе хлорида ртути ( II ):

3HgCl2 + 2Al → 2AlCl3 + 3Hg

Видеоопыт взаимодействия амальгамы алюминия с водой можно посмотреть здесь.

2.2. Алюминий взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль и водород.

Например , алюминий бурно реагирует с соляной кислотой :

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

2.3. При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:

2.4. Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.

С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:

При взаимодействии алюминия в виде порошка с очень разбавленной азотной кислотой может образоваться нитрат аммония:

2.5. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами . При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Видеоопыт взаимодействия алюминия со щелочью и водой можно посмотреть здесь.

Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:

2Al + 6NaOH → 2Na3AlO3 + 3H2

Эту же реакцию можно записать в другом виде (в ЕГЭ рекомендую записывать реакцию именно в таком виде):

2Al + 6NaOH → 2NaAlO2 + 3H2↑ + 2Na2O

2.6. Алюминий восстанавливает менее активные металлы из оксидов . Процесс восстановления металлов из оксидов называется алюмотермия .

Например , алюминий вытесняет медь из оксида меди (II). Реакция очень экзотермическая:

2Al + 3CuO → 3Cu + Al2O3

Еще пример : алюминий восстанавливает железо из железной окалины, оксида железа (II, III):

Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):

Производство алюминия

«В природе ничто не возникает мгновенно и ничто не появляется в свете в совершенно готовом виде».

Александр Герцен
русский публицист, писатель

Производство металла делится на три основных этапа: добыча бокситов – алюминийсодержащей руды, их переработка в глинозем – оксид алюминия, и, наконец, получение чистого металла с использованием процесса электролиза – распада оксида алюминия на составные части под воздействием электрического тока. Из 4-5 тонн бокситов получается 2 тонны глинозема, из которого производят 1 тонну алюминия.

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.

Бокситы могут сильно отличаться друг от друга. По структуре они бывают твердые и плотные либо рыхлые и рассыпчатые. По цвету – как правило, кирпично-красные, рыжеватые или коричневые из-за примеси оксида железа. При небольшом содержании железа бокситы имеют белый или серый цвет. Но иногда встречаются руды желтого, темно-зеленого цвета и даже пестрые – с голубыми, красно-фиолетовыми или черными прожилками.

Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – из них 73% приходится на пять стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. В Гвинее бокситов больше всего – 5,3 миллиарда тонн (28,4%), при этом они высокого качества, содержат минимальное количество примесей и залегают практически на поверхности.

Следующим этапом является производственной цепочки является переработка бокситов в глинозем – это оксид алюминия Al2O3, который представляет собой белый рассыпчатый порошок. Основным способом получения глинозема в мире является метод Байера, открытый более ста лет назад, но актуальный до сих пор – около 90% глинозема в мире производятся именно так. Этот способ весьма экономичен, но использовать его можно только при переработке высококачественных бокситов со сравнительно низким содержанием примесей – в первую очередь кремнезема.

Метод Байера основан на следующем: 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.

Это густая масса красно-бурого цвета, состоящая из соединений кремния, железа, титана и других элементов. Его складируют на тщательно изолированных территориях – шламохранилищах. Их обустраивают таким образом, чтобы содержащиеся в отходах щёлочи не проникали в грунтовые воды. Как только хранилище отрабатывает свой потенциал, территорию можно вернуть в первоначальный вид, покрыв её песком, золой или дёрном и посадив определённые виды деревьев и трав. На полное восстановление могут уйти годы, но в итоге местность возвращается в изначальное состояние.

Многие специалисты не считают красный шлам отходом, так как он может служить сырьем для переработки. Например, из него извлекают скандий для дальнейшего производства алюминиево-скандиевых сплавов. Скандий придает таким сплавом особую прочность, сферы использования – автомобиле- и ракетостроение, спортивная экипировка, производство электропроводов.

Также красный шлам может использоваться для производства чугуна, бетона, получения редкоземельных металлов.

У глинозема нет срока годности, но хранить его непросто, так как при малейшей он возможности активно впитывает влагу – поэтому производители предпочитают как можно быстрее отправлять его на алюминиевое производство. Сначала глинозем складывают в штабели весом до 30 тысяч тонн – получается своеобразный слоеный пирог высотой до 10-12 метров. Потом пирог «нарезают» и грузят для отправки в железнодорожные вагоны – в среднем, в один вагон от 60 до 75 тонн (зависит от вида самого вагона).

Существует еще один, гораздо менее распространенный способ получения глинозема – метод спекания. Его суть заключается в получения твердых материалов из порошкообразных при повышенной температуре. Бокситы спекают с содой и известняком – они связывают кремнезем в нерастворимые в воде силикаты, которые легко отделить от глинозема. Этот способ требует больших затрат, чем способ Байера, но в то же время дает возможность перерабатывать бокситы с высоким содержанием вредных примесей кремнезема.

Глинозем выступает непосредственным источником металла в процессе производства алюминия. Но для создания среды, в которой этот процесс будет происходить, необходим еще один компонент – криолит.

Это редкий минерал из группы природных фторидов состава Na3AlF6. Обычно он образует бесцветные, белые или дымчато-серые кристаллические скопления со стеклянным блеском, иногда – почти черные или красновато-коричневые. Криолит хрупкий и легко плавится.

Природных месторождений этого минерала крайне мало, поэтому в промышленности используется искусственный криолит. В современной металлургии его получают взаимодействием плавиковой кислоты с гидроксидом алюминия и содой.

Ток для производства алюминия

Для запуска двигателя автомобильный аккумулятор должен обеспечить электрический ток в 300-350 А в течение 30 секунд. То есть в 1000 раз меньше, чем нужно одному электролизеру для постоянной работы.

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.

При производстве каждой тонны алюминия выделяется 280 000 м 3 газов. Поэтому каждый электролизер независимо от его конструкции оснащен системой газосбора, которая улавливает выделяющиеся при электролизе газы и направляет их в систему газоочистки. Современные «сухие» системы газоочистки для улавливания вредных фтористых соединений используют ни что иное, а глинозем. Поэтому перед тем как использоваться для производства алюминия, глинозем на самом деле сначала участвует в очистке газов, которые образовались в процессе производства металла ранее. Вот такой замкнутый цикл.

Для процесса электролиза алюминия требуется огромное количество электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые и не загрязняющие окружающую среду источники этой энергии. Чаще всего для этого используются гидроэлектростанции – они обладают достаточной мощностью и не имеют выбросов в атмосферу. Например, в России 95% алюминиевого мощностей обеспечены гидрогенерацией. Однако есть в места в мире, где угольная генерация пока доминирует – в частности, в Китае на нее приходится 93% производства алюминия. В результате для производства 1 тонны алюминия с использованием гидрогенерации в атмосферу выделяется чуть более 4 тонн углекислого газа, а при использовании угольной генерации – в пять раз больше – 21,6 тонны.

Каким путем получается металлический алюминий?

Алюминий является одним из самых распространенных элементов в земной коре – с количеством более 7% занимает третье место после кислорода и кремния. Его получают из боксита, т.е. осадочной горной породы, в которой он встречается в основном в виде оксида.

Этот металл хорошо известен уже более 2-х тысяч лет и характеризуется широким техническим применением. Для чего его можно использовать?

В промышленности алюминий в основном используется в сплавах с другими элементами, что улучшает его эксплуатационные свойства. В таком виде он представляет собой универсальный конструкционный материал с очень универсальным применением. Среди алюминиевых сплавов можно выделить, в частности, литейные сплавы и сплавы, используемые для пластической обработки. В их состав, кроме алюминия, входят такие элементы, как: медь, магний, кремний и марганец. Алюминиевые сплавы используют, в частности, в авиации, химической промышленности, автомобилестроении и даже в судостроении.

Алюминий широко используется в промышленности также и в чистом виде для изготовления разных предметов быта, таких как, например, зеркала, банки для напитков и продуктов питания, кухонные принадлежности или же всем известная алюминиевая фольга. Его используют также для изготовления химической аппаратуры, электрических проводов, а даже взрывчатых веществ. Чтобы выделить этот элемент из бокситовой руды, необходимо осуществить два следующих друг за другом этапа. Первый из них – это процесс Байера, который позволяет получить из минерала оксид алюминия. Затем это соединение подвергается электролизу, в результате чего образуется алюминий технической чистоты.

Из чего производят алюминий?

Чистый алюминий не встречается в природе из-за его способности к пассивации. Это явление заключается в окислении металла в присутствии воздуха, в результате чего на его поверхности образуется пассивный защитный слой. Алюминий покрывается слоем оксида алюминия (Al2O3) толщиной до нескольких нм. Затем, под воздействием влаги внешний слой подвергается частичному гидролизу, в результате чего дополнительно образуется гидроксид, т.е. Al(OH)3.

Алюминий входит в состав разных минеральных пород, встречающихся в природе в виде руд. Для производства чистого алюминия используется, прежде всего, глинистая бокситовая руда. Она образуется в основном в местах выветривания алюмосиликатных пород в жарком климате и содержит также соединения железа. Это порода с характерным красным или коричневым цветом, которая встречается в двух видах: силикатном и карбонатном.

Производство алюминия технической чистоты

Алюминий технической чистоты (более 99%) промышленно получают в результате двух последовательных процессов. В результате первого получают оксид алюминия (процесс Байера), а на следующем этапе проводят процесс электролитической редукции (электролиз методом Холла-Эру), благодаря которому получают чистый алюминий. Для снижения расходов, связанных с транспортировкой бокситовой руды, большинство перерабатывающих предприятий строят недалеко от шахт.

Процесс Байера

Первый этап после добычи руды заключается в ее мытье с помощью воды. Таким образом удаляют большую часть загрязнений, которые просто растворяются в воде. Затем, в обработанное водой сырье добавляют CaO, т.е. оксид кальция. После этого его измельчают с помощью специальных трубных мельниц до момента получения зерен с очень малым диаметром, т.е. меньше 300 мкм. Соответствующее измельчение сырья чрезвычайно важно, так как оно обеспечивает большую площадь поверхности зерен, что, в свою очередь, влияет на эффективность протекания процесса экстракции.

Следующий этап производства оксида алюминия заключается в растворении зерен при помощи водного раствора каустической соды. В Группе PCC гидроксид натрия производится методом мембранного электролиза. Полученный таким образом продукт характеризуется очень высоким качеством и чистотой, отвечая при этом требованиям последнего издания Европейской фармакопеи. Смесь, содержащая молотые зерна и гидроксид натрия, хранится в течение нескольких часов в специальных реакторах, называемых автоклавами. Во время протекающего процесса осаждения в реакторах поддерживаются высокое давление и повышенная температура. Таким образом, получают алюминат натрия, который затем очищают при помощи разных фильтров.

На следующем этапе очищенный раствор алюмината натрия подвергается разложению. В результате образуется натровый щелок (т.е. водный раствор каустической соды) и кристаллы гидроокиси алюминия высокой степени чистоты. Полученный в результате кристаллизации осадок отфильтровывают и промывают водой. А оставшийся натровый щелок нагревают и возвращают в процесс для повторного использования.

Последним этапом производства чистого оксида алюминия является кальцинация. Она заключается в нагревании гидроксида алюминия при температуре выше 1000 o C, в результате чего происходит его разложение на Al2O3, который получают в виде чистого белого порошка. Так подготовленный оксид алюминия транспортируют в печи для получения металлического алюминия в процессе электролитической редукции.

Электролиз оксида алюминия

Следующим этапом получения чистого алюминия является проведение процесса электролиза методом Холла-Эру. В первую очередь, полученный в процессе Байера Al2O3 расплавляют с криолитом и таким образом приготовленный раствор подвергают процессу электролиза при температуре не выше 900 o C. Полученный таким образом жидкий алюминий отделяют от электролита и удаляют из электролитических ванн с помощью т.н. вакуумных сифонов. Затем сырье попадает в литейное устройство, откуда на дальнейшем этапе его вкладывают в раскаленные печи, в которых происходит процесс переработки. Он заключается в очистке алюминия с целью достижения максимальной чистоты. В промышленных условиях алюминий может быть очищен двумя методами. Первый из них заключается в растопке алюминия и пропускании через него хлора, благодаря чему примеси связываются с хлором, образуя хлориды, которые затем удаляют из процесса. Второй метод заключается в электролитической редукции расплавленного с медью алюминия. Полученный таким образом конечный продукт характеризуется очень высокой чистотой.

Алюминий – материал будущего

Разработка метода получения чистого алюминия из боксита с помощью процесса Байера и электролиза Холла-Эру расширила область применения этого элемента. Кроме того, сочетание высокой прочности с легкостью позволило в некоторых случаях заменить алюминием более дорогую сталь. Устойчивость к воздействию атмосферных факторов дала возможность использовать алюминий в производстве оконных и дверных профилей. Еще одним преимуществом алюминия является возможность подвергать его многократной вторичной переработке, благодаря чему он считается относительно дружественным окружающей среде материалом.

Подводя итог, алюминий – это универсальный материал, широко используемый в пищевой, энергетической, химической, транспортной, строительной, автомобильной и авиационной промышленностях. Учитывая его многочисленные преимущества, безусловно, это не предел возможностей его применения и в ближайшем будущем он по-прежнему будет приобретать популярность.

Каким путем получается металлический алюминий?

98%.
Себестоимость алюминия складывается из следующих статей: сырье 70,0%; электроэнергия 16,5%; зарплата 4,0%; цеховые, заводские и коммерческие расходы 9,5%.

Вентиляционные решетки – незаменимое решение не только в частном доме, но и в квартире. Преимущество решеток – экологичность материала, а также высокая функциональность.

Дизельный винтовой компрессор за последние десятилетия приобрел широкие масштабы применения. Он используется для комплектации новых промышленных предприятий любого.

Стремительное развитие глобализационных и интеграционных процессов оказывает прямое влияние на возникновение совершенно новых методов обучения. В цивилизованных.

Читать еще:  Металлическая мебель на заказ

Автомобилисты, предпочитающие самостоятельный подбор запчастей для своего «коня», делятся на два лагеря. Некоторые считают, что оригинальные запчасти надежны, а их.

Лазерная резка – самый точный и популярный метод термического разделения материалов. Он позволяет обрабатывать различные типы материалов, а также стали и сплавы цветных.

С чего начинать ремонт в новостройке? Несмотря на обилие статей по этой теме, увы, ответ знают далеко не все. Первое, что необходимо будет сделать – подписать смотровой.

Стальной шестигранник – имеющий шестиугольное сечение пруток металла. Для производства разной продукции он используется в качестве заготовки. В строительных конструкциях.

Латунный лист – вид металлопроката, который создается из медно-цинкового сплава. Отрасли его применения весьма широки. Материал востребован в энергетике, полиграфии.

Алюминий. Получение алюминия.

Самым первым получил металлический алюминий немецкий химик Ф. Велер в 1821 году, с помощью восстановления AlCl3 металлическим калием. В 1854 году французский ученый Сент-Клер Девиль восстановил натрием двойной AlCl3 с помощью электролиза.

Наиболее удобный и более распространенный метод получения алюминия предложил американец Ч. Холл, чей метод предлагал электролиз оксида алюминия в растворенном в расплавленном криолите Na3AlF6.

Сырьем служат: бокситы, нефелины, алуниты и т.д.

В промышленности алюминий получают электролизом раствора чистого оксида алюминия в расплавленном криолите с добавлением CaF2 при температуре 950 °С. Криолит является растворителем, а добавка служит для поддержания оптимальной температуры плавления в ванне (около 1000°С). Электролиз водных растворы нецелесообразен, т.к. алюминий более активный элемент, чем водород. Поэтому на катоде будет выделяться водород, а не металл.

Этапы получения алюминия.

1.Очищение от примесей минеральной руды.

  • проводят в стальных ваннах с теплоизоляцией и внутренней футеровкой из огнеупорного кирпича (фторид кальция расплавляется).

Катод: графитовые блоки, которыми выложено дно ванны.

Анод: угольные стержни.

Схема установки для получения алюминия.

Сначала засыпают криолит и CaF2, которые расплавляются от тепла от действия электрического тока. Затем добавляют оксид алюминия. Электрической энергии надо много, ток должен быть постоянным более 100 кА. Поэтому с экономической стороны должна быть дешевая гидростанция.

Алюминий, производство алюминия: технология, процесс и описание

Алюминий обладает массой свойств, которые делают его одним из самых используемых материалов в мире. Он широко распространен в природе, занимая среди металлов первое место. Казалось бы, и трудностей с его производством быть не должно. Но высокая химическая активность металла приводит к тому, что в чистом виде его не встретить, а производить – сложно, энергоемко и затратно.

Сырье для производства

Из какого сырья получают алюминий? Производство алюминия из всех минералов, его содержащих, дорого и нерентабельно. Добывают его из бокситов, которые содержат до 50% оксидов алюминия и залегают прямо на поверхности земли значительными массами.

Эти алюминиевые руды имеют достаточно сложный химический состав. Они содержат глиноземы в количестве 30-70% от общей массы, кремнеземы, которых может быть до 20%,окись железа в пределах от 2 до 50%, титан (до 10%).

Глиноземы, а это окись алюминия и есть, состоят из гидроокисей, корунда и каолинита.

В последнее время окиси алюминия стали получать из нефелинов, которые содержат еще и окиси натрия, калия, кремния, и алунитов.

Для производства 1 т чистого алюминия нужно около двух тонн глинозема, который, в свою очередь, получают из примерно 4,5 т боксита.

Месторождения бокситов

Запасы бокситов в мире ограничены. На всем земном шаре всего семь районов с его богатыми залежами. Это Гвинея в Африке, Бразилия, Венесуэла и Суринам в Южной Америке, Ямайка в Карибском регионе, Австралия, Индия, Китай, Греция и Турция в Средиземноморье и Россия.

В странах, где есть богатые месторождения бокситов, может быть развито и производство алюминия. Россия добывает бокситы на Урале, в Алтайском и Красноярском краях, в одном из районов Ленинградской области, нефелин — на Кольском полуострове.

Самые богатые месторождения принадлежат именно российской объединенной компании UC RUSAL. За ней идут гиганты Rio Tinto (Англия-Австралия), объединившийся с канадской Alcan и CVRD. На четвертом месте находится компания Chalco из Китая, затем американо-австралийская корпорация Alcoa, которые являются и крупными производителями алюминия.

Зарождение производства

Датский физик Эрстед выделил первым алюминий в свободном виде в 1825 году. Химическая реакция проходила с хлоридом алюминия и амальгамой калия, вместо которой спустя два года немецкий химик Велер использовал металлический калий.

Калий – материал достаточно дорогой, поэтому в промышленном производстве алюминия француз Сент-Клер Девиль вместо калия в 1854 году использовал натрий, элемент значительно более дешевый, и стойкий двойной хлорид алюминия и натрия.

Русский ученый Н. Н. Бекетов смог вытеснить алюминий из расплавленного криолита магнием. В конце восьмидесятых годов того же века эту химическую реакцию использовали немцы на первом алюминиевом заводе. Во второй половине XVIII века было получено около химическими способами 20 т чистого металла. Это был очень дорогой алюминий.

Производство алюминия с помощью электролиза зародилось в 1886 году, когда одновременно были поданы практически одинаковые патентные заявки основоположниками этого способа американским ученым Холлом и французом Эру. Они предложили растворять глинозем в расплавленном криолите, а затем электролизом получать алюминий.

С этого и началась алюминие­вая промышленность, ставшая за более чем вековую историю одной из самых крупных отраслей металлургии.

Основные этапы технологии производства

В общих чертах технология производства алюминия не изменилась с момента создания.

Процесс состоит из трех стадий. На первой из алюминиевых руд, будь это бокситы или нефелины, получают глинозем – окись алюминия Al2O3 .

Затем из окиси выделяют промышленный алюминий со степенью очистки 99,5 % , которой для некоторых целей бывает недостаточно.

Поэтому на последней стадии рафинируют алюминий. Производство алюминия завершается его очисткой до 99,99 %.

Получение глинозема

Существует три способа получения окиси алюминия из руд:

Последний способ — наиболее распространенный, разработанный еще в том же XVIII веке, но с тех пор неоднократно доработанный и существенно улучшенный, применяется для переработки бокситов высоких сортов. Так получают около 85 % глиноземов.

Сущность щелочного способа заключается в том, что алюминиевые растворы с большой скоростью разлагаются, когда в них вводится гидроокись алюминия. Оставшийся после реакции раствор выпаривается при высокой температуре около 170° С и опять используется для растворения глинозема;

Сначала боксит дробится и измельчается в мельницах с едкой щелочью и известью, затем в автоклавах при температурах до 250°С происходит его химическое разложение и образовывается алюминат натрия, который разбавляют щелочным раствором уже при более низкой температуре – всего 100° С. Алюминатный раствор промывается в специальных сгустителях, отделяется от шлама. Затем происходит его разложение. Через фильтры раствор перекачивают в емкости с мешалками для постоянного перемешивания состава, в который для затравки добавлена твердая гидроокись алюминия.

В гидроциклонах и вакуум-фильтрах выделяется гидроокись алюминия, часть которой возвращается в качестве затравочного материала, а часть идет на кальцинацию. Фильтрат, оставшийся после отделения гидроокиси, тоже возвращается в оборот для выщелачивания следующей партии бокситов.

Процесс кальцинации (обезвоживания) гидроокиси во вращающихся печах происходит при температурах до 1300° С.

Для получения двух тонн окиси алюминия расходуется 8,4 кВт*ч электроэнергии.

Прочное химическое соединение, температура плавления которого 2050° С, это еще не алюминий. Производство алюминия впереди.

Электролиз окиси алюминия

Основным оборудованием для электролиза является специальная ванна, футерованная углеродистыми блоками. К ней подводят электрический ток. В ванну погружаются угольные аноды, сгорающие при выделении из окиси чистого кислорода и образующие окись и двуокись улглерода. Ванны, или электрилизеры, как их называют специалисты, включаются в электрическую цепь последовательно, образуя серию. Сила тока при этом составляет 150 тысяч ампер.

Аноды могут быть двух типов: обожженные из больших угольных блоков, масса которых может быть больше тонны и самообжигающиеся, состоящие из угольных брикетов в алюминиевой оболочке, которые спекаются в процессе электролиза под действием высоких температур.

Рабочее напряжение на ванне обычно составляет около 5 вольт. Оно учитывает и напряжение, необходимое для разложения окиси, и неизбежные потери в разветвленной сети.

Из растворенной в расплаве на основе криолита окиси алюминия жидкий металл, который тяжелее солей электролита, оседает на угольном основании ванны. Его периодически откачивают.

Процесс производства алюминия требует больших затрат электроэнергии. Чтобы получить одну тонну алюминия из глинозема, нужно израсходовать около 13,5 тысяч кВт*ч электроэнергии постоянного тока. Поэтому еще одним условием создания крупных производственных центров является работающая рядом мощная электростанция.

Рафинация алюминия

Наиболее известный метод – это трехслойный электролиз. Он также проходит в электролизных ваннах с угольными подинами, футерованных магнезитом. Анодом в процессе служит сам расплавленный металл, который подвергается очистке. Он располагается в нижнем слое на токопроводящей подине. Чистый алюминий, который из электролита растворяется в анодном слое, понимается вверх и служит катодом. Ток к нему подводится с помощью графитового электрода.

Электролит в промежуточном слое – это фториды алюминия или чистые или с добавлением натрия и хлорида бария. Нагревается он до температуры 800°С.

Расход электроэнергии при трехслойном рафинировании составляет 20 кВт*ч на один кг металла, то есть на одну тонну нужно 20 тысяч кВт*ч. Вот почему, как ни одно производство металлов, алюминий требует наличия не просто источника электроэнергии, а крупной электростанции в непосредственной близости.

В рафинированном алюминии в очень малых количествах содержатся железо, кремний, медь, цинк, титан и магний.

После рафинирования алюминий перерабатывается в товарную продукцию. Это и слитки, и проволока, и лист, и чушки.

Продукты сегрегации, полученные в результате рафинирования, частично, в виде твердого осадка, используются для раскисления, а частично отходят в виде щелочного раствора.

Абсолютно чистый алюминий получают при последующей зонной плавке металла в инертном газе или вакууме. Примечательной его характеристикой является высокая электропроводность при криогенных температурах.

Переработка вторичного сырья

Четверть общей потребности в алюминии удовлетворяется вторичной переработкой сырья. Из продуктов вторичной переработке льется фасонное литье.

Предварительно отсортированное сырье переплавляется в пороговой печи. В ней остаются металлы, имеющие более высокую температуру плавления, чем алюминий, например, никель и железо. Из расплавленного алюминия продувкой хлором или азотом удаляются различные неметаллические включения.

Более легкоплавкие металлические примеси удаляются присадками магния, цинка или ртути и вакуумированием. Магний удаляется из расплава хлором.

Заданный литейный сплав получают, введя добавки, которые определяются составом расплавленного алюминия.

Центры производства алюминия

По объемам потребления алюминия КНР занимает первое место, оставляя далеко позади находящиеся на втором месте США и обладательницу третьего места Германию.

Китай – это и страна производства алюминия, с огромным отрывом лидирующая в этой области.

В десятку лучших, кроме КНР, входят Россия, Канада, ОАЭ, Индия, США, Австралия, Норвегия, Бразилия и Бахрейн.

В России монополистом в производстве глинозема и алюминия является объединенная компания RUSAL. Она производит до 4 млн т алюминия в год и экспортирует продукцию в семьдесят стран, а присутствует на пяти континентах в семнадцати странах.

Американской компании Alcoa в России принадлежат два металлургических завода.

Крупнейший производитель алюминия в Китае – компания Chalco. В отличие от зарубежных конкурентов, все ее активы сосредоточены в родной стране.

Подразделение Hydro Aluminium норвежской компании Norsk Hydro владеет алюминиевыми заводами в Норвегии, Германии, Словакии, Канаде, и Австралии.

Австралийская BHP Billiton владеет производством алюминия в Австралии, Южной Африке и Южной Америке.

В Бахрейне находится Alba (Aluminium Bahrain B. S. C.) – едва ли не самое крупное производство. Алюминий этого производителя занимает более 2 % общего объема «крылатого» металла, выпускаемого в мире.

Итак, подводя итоги, можно сказать, что главными производителями алюминия являются международные компании, владеющие запасами бокситов. А сам исключительно энергоемкий процесс состоит из получения глинозема из алюминиевых руд, производства фтористых солей, к которым относится криолит, углеродистой анодной массы и угольных анодных, катодных, футеровочных материалов, и собственно электролитического производства чистого металла, которое является главной составляющей металлургии алюминия.

Алюминий: свойства, производство и применение

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, обладающий достаточно низким удельным весом и хорошо поддающийся плавке и механическим воздействиям. По уровню распространённости в природе он занимает третье место, среди всех химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева; среди металлов – первое.

  • Природные соединения алюминия
  • Производство алюминия
    • Добыча бокситов
    • Производство глинозёма
    • Электролиз
    • Литейное производство
  • Переработка алюминия
  • Сфера применения
    • В качестве восстановителя
    • В чёрной металлургии
    • Сплавы на основе алюминия
    • Алюминий, как добавка в другие сплавы
    • Ювелирные изделия
    • Столовые приборы
    • Стекловарение
    • Пищевая промышленность
    • Военная промышленность
    • В ракетной технике
    • Алюмоэнергетика
  • Месторождения в России и мире
  • Мировые запасы
  • Страны, добывающие алюминий.
  • Высокая тепло- и электропроводность.
  • Стойкость к понижению температуры.
  • Плотность – 2712 кг/м 3 .
  • Температура плавления: 658 0 C– технический металл; 660 0 C– чистый металл.
  • Пластичен. Из него можно получать тонкий лист и фольгу.
  • Хорошо поддаётся сварке.
  • Обладает хорошей светоотражающей способностью.
  • Алюминий – высоко активен.
  • На воздухе образует оксидную плёнку, которая в дальнейшем обеспечивает защиту от коррозии, и не даёт возможности вступать в реакцию с рядом окислителей.
  • При нормальных условиях вступает в реакции с бромом и хлором.
  • При повышении температуры образует соединения с азотом, йодом, кислородом, серой, фосфором, углеродом.
  • Хорошо взаимодействует со щелочами.
  • Образует множество сплавов с металлами.

Природные соединения алюминия

В чистом виде алюминий почти никогда не встречается (исключение могут составлять лишь особые восстановительные условия, образующиеся, к примеру, при выходе магмы из жерл вулканов). Гораздо чаще в земной коре присутствуют его соединения:

  • Корунд (минеральные разновидности: рубин, сапфир, падпараджа, звёздчатый рубин, лейкосапфир, обыкновенный корунд и наждак)
  • Бёмит.
  • Диаспор.
  • Хризоберилл (александрит).
  • Гиббсит.
  • Кианит.
  • Каолинит.
  • Мусковит.
  • Алуниты.
  • Анортит.
  • Андалузит.
  • Нефелины.
  • Сподумен.
  • Силлиманит.
  • Криолит.
  • Альбит.
  • Отроклаз.
  • Берилл.
  • Шпинель.
  • Полевые шпаты.
  • Слюды.
  • Бокситы.
  • Глинозёмы.

В водоёмах содержание алюминия колеблется в пределах:

  • От 0,001 до 10 мг/л – пресноводные бассейны рек и озёр.
  • 0,01 мг/л – морская вода.

Производство алюминия

Алюминий является одним из самых востребованных металлов современной индустрии. Однако для его производства необходимо пройти несколько этапов, затратить значительное количество энергетических, транспортных и сырьевых ресурсов, использовать много персонала.

Добыча бокситов

Основным видом руды для получения алюминия служат бокситы, причём они являются качественными при содержании искомого минерала в 50% и более. В природе бокситы представлены в глиноподобном виде, массой красно-коричневого кирпичного цвета. Промышленное использование определяется морфологией, составом пород, условиями залегания рудных тел месторождений.

Добычу этого полезного ископаемого осуществляют как открытым (наиболее распространённым), так и закрытым способом (применяемым при значительных глубинах залегания, порядка 500 м и ниже). Проводя при этом бурильные, взрывные работы, используя селективные методы и применяя фрезерные технологии.

Производство глинозёма

Дальнейшим этапом производства алюминия является метод Байера, с помощью которого осуществляется выпуск 90% объёма мирового глинозёма – оксида алюминия Al2O3, представляющего собой порошок белого цвета. Способ достаточно прост и экономичен, но применим лишь для бокситов, отличающихся высоким качеством и малым содержанием примесей (лучше всего для этих целей подходит кремнезём).

Дробление

Прежде всего, добытые бокситы подвергают дроблению, то есть – раздавливания, раскалыванию и ударам с целью получения материала необходимой крупности и затем уже размалываемого с помощью истирания. Это даёт возможность довести материал до раскрытия зёрен искомого компонента, чтобы в дальнейшем сырьё полностью могло отдать находящийся в нём алюминий.

Выщелачивание

После чего раздробленный оксид алюминия растворяют в концентрированной щёлочи. Для достижения максимального эффекта в раствор добавляют известь. В результате данного технологического процесса получается пульпа, содержащая в себе алюминат натрия и посторонние примеси, первоначально входящие в состав боксита – красный шлам. Балласт удаляют, а полезный состав подвергают декомпозиции.

Декомпозиция

Процесс «выкручивания» – выделения кристаллического алюмината натрия в осадок носит название декомпозиции. Достаточно сложная и длительная процедура, включающая в себя разбавление водой с последующим охлаждением раствора в трубчатых теплообменниках, подразделяется на два этапа:

  • Гидролиз раствора с получением гидроокиси алюминия.
  • Кристаллизация, ускоряемая с помощью затравки и перемешивания.

Электролиз

Следующим этапом производства является электролиз, выполняемый при температуре 950 0 C в ваннах с расплавом криолита. Пропускаемый через раствор электрический ток, величиной более 400кА, освобождает алюминий от кислорода. Жидкий металл собирается на дне ванны для дальнейшего использования или – в качестве отправляемых потребителям слитков, или – для изготовления сплавов.

Литейное производство

Использования алюминия в чистом виде затруднено в связи с недостаточной прочностью, поэтому для её увеличения используют примеси. Химические соединения этого металла, полученные в металлургических процессах, подразделяются на два вида сплавов:

  • Литейные.
  • Конструкционные – полученные в результате деформации, которые в дальнейшем могут подвергаться или не подвергаться термическому воздействию.
Литейные сплавы

Основными добавками (легирующими элементами) при производстве литейных алюминиевых сплавов выступают:

  • Магний, марганец, медь, кремний, цинк.
  • В меньшей степени используются бериллий, литий, цирконий, титан.

Высокие показатели полученного литья определяются:

  • Возможностью заполнения расплавом сложных форм, что является проявлением хороших литейных свойств.
  • Незначительной массой изготавливаемой продукции, вследствие малого удельного веса самого алюминия.
  • Стойкостью к коррозионному воздействию.
  • Повышенной механической прочностью и твердостью, по сравнению с исходным материалом.
  • Податливостью к обрабатываемым воздействиям.

По получаемым качествам, алюминиевые сплавы можно классифицировать на три вида:

  • Конструкционные герметичные. Обладают хорошими антикоррозийными и литейными свойствами.
  • Коррозионностойкие. Устойчивы к воздействиям агрессивных химических сред и воды. Достаточно легко обрабатываются в процессе резания и легко поддаются сварке.
  • Жаропрочные. Сохраняют свои свойства при повышенных температурах и механических воздействиях.
Прокат

С помощью горячей или холодной прокатки на прокатных станах, алюминию придают форму, удобную для дальнейшего использования. Это может быть фольга, листы различной толщины, шины. В дальнейшем из этих изделий могут быть изготовлены прутки, трубы, разнообразные профили, находящие широкое применение в различных отраслях экономики.

Экструзия

Экструзия – это продавливание размягчённого в результате расплава металла через формирующий профиль. Наиболее наглядно данный процесс демонстрирует обычная бытовая мясорубка. Процесс позволяет уплотнить и повысить прочность материала экструдированного профильного изделия по сравнению с исходным сырьём.

Переработка алюминия

Современные экономические условия и экологические нормы сформировали ряд требований, выполнение которых как нельзя лучше обеспечивает технология переработка отходов алюминия. Дело в том, что металл сохраняется достаточно долгое время, не подвергаясь коррозии, при необходимости – в спрессованном состоянии. Также процесс переработки не требует большого расхода электроэнергии.

Рынок вторичного алюминиевого сырья представлен отходами изделий:

  • Электротехнического профиля. Как правило, этот материал содержит в себе минимальное количество примесей.
  • Пищевого направления – посуды и ёмкостей.
  • Профильного формата, этот материал часто возникает при разделке мебели и стройдеталей.
  • Моторного – обычно силумина.
  • Средств авиационного и водного транспорта – самолётов, вертолётов, лодок.

Собранный алюминиевый лом подвергается сортировке, прессованию, высушиванию, плавлению. После чего направляется потребителям.

Сфера применения

В качестве восстановителя

В силу своих химических свойств, алюминий является сильным восстановителем, так как хорошо вступает в реакцию соединения с кислородом. Данное свойство находит применение для восстановления галогенидов и редких металлов.

В чёрной металлургии

Сталелитейное производство использует алюминий и его сплавы в качестве раскислителей, позволяющих не только избавиться от кислорода, но и исключить возможную пористость готовых изделий под воздействием пузырьков окиси углерода. Также в этой отрасли он применяется в качестве легирующих добавок и модификаторов в виде гранул, порошка и пудры.

Сплавы на основе алюминия

Существуют целые серии сплавов на основе алюминия, пользующихся огромным спросом в качестве конструкционных материалов. В основном это – соединения с магнием, марганцем, медью, легируемые в свою очередь магнием, марганцем, железом и кремнием. Алюминиевые сплавы обладают пластичностью, прочностью, технологичностью, устойчивостью к вибрационным воздействиям и коррозийной стойкостью.

Алюминий, как добавка в другие сплавы

Находит применение алюминий и в сплавах других металлов:

  • магния,
  • алюминиевой бронзы,
  • фехраля,
  • стали.

Ювелирные изделия

В последнее время серебристо-белый металл вновь, как полтора столетия назад, стал привлекать внимание ювелиров, желающих внести некоторое разнообразие в стандартный набор используемых материалов. Причём не только в качестве дешёвой бижутерии, но и основы драгоценных изделий, а также и самостоятельных изысканных изделий.

Столовые приборы

Алюминиевые столовые приборы в настоящее время не пользуются такой популярностью, как ранее, по причинам вредности для человеческого здоровья и потери своего внешнего вида в процессе эксплуатации. Хотя некоторое количество их присутствует в общепите. Также некоторая утварь, типа ложек, вилок котелков, фляжек используется в качестве армейской посуды и туристского снаряжения.

Стекловарение

В индустрии производства стекла и стеклянных изделий алюминий и его соединения находят широкое применение:

  • Глинозём (окись алюминия) повышает прочность, твёрдость и стойкость к температурным и химическим воздействиям.
  • Алюминиевые соли необходимы для производства особых видов стекла.

Пищевая промышленность

Помимо пищевой добавки в продуктах питания E173, алюминий входит в состав антацидных средств, предназначенных для обволакивания органов желудочно-кишечного тракта с целью их обезболивания в ряде заболеваний.

Читать еще:  Металлическая дверь своими руками

Военная промышленность

Благодаря своим свойствам: лёгкости и податливости, алюминий находит широкое применение в конструкциях разнообразного вида вооружений: от пистолетов и автоматов – до танков, ракет и самолётов. Даже такие экзотические для нашего времени изделия, как арбалеты, шпаги, рапиры, сабли не обходятся без данного минерала.

В ракетной технике

Помимо использования алюминия в качестве материала для изготовления ракет, спутников и иных космических летательных аппаратов; порошок из этого металла, а также окислитель на его основе являются важными компонентами твёрдого топлива – горючего для запуска челноков и ракет.

Алюмоэнергетика

Промежуточная роль алюминия для активизации выработки первичных энергоносителей или непосредственно тепловой и электрической энергии проявляет себя в сравнительно новой отрасли – алюмоэнергетике. Именно здесь, в процессе окисления этого уникального минерала производится:

  • Водород из воды.
  • Электроэнергия – за счёт воздействия кислородом воздуха в электрохимических генераторах.

Месторождения в России и мире

50 месторождений алюминиевых руд расположено на территории России. Крупнейшие из них расположены в Архангельской, Белгородской, Ленинградской и Свердловской областях, а также в республике Коми.

Мировые бокситные месторождения располагаются в 7 регионах мира:

  • Африка – Гвинея и ряд стран в центре и на западе континента.
  • Южная Америка – Бразилия, Венесуэла, Гайана и Суринам.
  • Карибские острова – Ямайка.
  • Европа – Греция и ряд регионов России.
  • Азия – Индия, Китай, Турция.
  • Австралия.

Мировые запасы

Доказанные запасы алюминиевых руд оцениваются в 30 млрд. тонн, ресурсные оценки Геологической службы США доводят эту цифру до 75 млрд. тонн.

Страны, добывающие алюминий.

В 2018 году общемировая выплавка алюминия достигла 60 миллионов тонн, распределившись по странам следующим образом:

  • Китай – 33 млн. тонн.
  • Россия – 3,71 млн. тонн.
  • Индия – 3,68 млн. тонн.
  • Канада – 2,9 млн. тонн.
  • ОАЭ – 2,6 млн. тонн.
  • Австралия – 1,6 млн. тонн.
  • Норвегия – 1,35 млн. тонн.
  • Бахрейн – 0,995 млн. тонн.
  • Саудовская Аравия – 0,916 млн. тонн.
  • США – 0,89 млн. тонн.

Алюминий занимает лидирующее положение среди производимых на планете цветных металлов, уступая в общем металлургическом списке лишь стали.

Каким путем получается металлический алюминий

Энергетическая особенность производства

В среднем требуется

16 кВт/ч и > 18 кВт/ч электроэнергии для производства 1 кг алюминия из глинозема (оксида алюминия), для нормального и рафинированного качества (99,999%). 4-5 тонн бокситов = 2 тонны глинозема =1 тонна алюминия.
Для примера: для производства 1 кг стали необходимо затратить 9 кВт/ч электроэнергии.

Таким образом, особенность производства алюминия в необходимости большой энергоемкости. Поэтому мировые заводы расположены в районах, имеющих доступ к богатым экономическим энергоресурсам, таким как гидроэлектростанции, природный газ и угольные зоны.

Что такое выплавка алюминия и как производится этот металл?

Бокситы – основная руда, используемая для производства алюминия. Они содержат 30-60 % от массы глинозема, и извлекаются открытым способом добычи, где слой почвы поверх месторождения глинозема, обычно называемый вскрышным, удаляется.


Обычные буровые или взрывные работы не проводятся из-за мягкого характера бокситовых месторождений. Более богатые руды используются в качестве добываемых. Руды более низкого качества могут быть полезны путем дробления, промывки и последующей сушки для удаления отходов глины и кремнезема. Добытый боксит затем транспортируется на заводы.

Производство металлического алюминия состоит из трёх основных этапов:

  1. Добыча бокситов – руда с повышенным содержанием этого металла.
  2. Очистка. Производство глинозема из боксита осуществляется методом Байера, при котором боксит переваривается при высокой температуре и давлении в сильном растворе каустической соды. Полученный гидрат кристаллизуют и прокаливают до оксида в печи или кальцинаторе с псевдоожиженным слоем.
  3. Восстановление путем электролитического рафинирования. Алюминий получают электролизом из расплавленного оксида алюминия Al2O3. Производство из глинозема до первичного алюминиевого металла использует электролитический процесс Холла–Херулта с использованием углеродных электродов и криолитового флюса для получения металла высокой чистоты (>99,99%).

Получение алюминия из глинозема

Алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном криолите (Na3AlF6), в специальных ваннах (электролизерах). Ванна имеет стальной кожух, внутри футерованный теплоизоляцион­ным шамотный кирпичом, а подина и стенки выложены угольными блоками. В подине ванны смонтированы ка­тодные шины. Сверху в ванну с расплавленным криоли­том, содержащим 8 – 10 % глинозема и до 10% MgF2, CaF2 и NaCl, опущен анод, который частично погружен в электролит.

Современные ванны обычно применяются (одноанод­ные) с самообжигающимся анодом. Непре­рывный самообжигающийся анод устроен следующим образом. Внутрь прямоугольной алюминиевой обечайки загружают угольную анодную массу (нефтяной или смоляной кокс или каменноугольный пек). В верхних слоях масса находится при 100 — 140 °С в жидком состоянии, затем ниже она переходит при 360 °С в тестообразное состояние, при 400 — 950 °С спекается в твердую анодную массу. Перемещение анодов по вертикали производится с помощью электродвигателей. Перед пуском в работу электролизера производят обжиг анодов и подогрев ван­ны в течение 6 — 8 суток, потом заливают жидкий элек­тролит из другой действующей установки и уже затем приступают к электролизу. Постепенно сгорающие аноды опускают в ванну, а сверху загружают анодную массу. Обедняющийся глиноземом электролит периодически пополняется новыми порциями и, таким образом, обес­печивается непрерывность процесса. Электролизер рабо­тает непрерывно 2 — 3 года.

Постоянный электрический ток к аноду подводится от шин, расположенных сверху над ванной, а к катоду через шины, заделанные в подине ванны. Ток использу­ется как для электрохимического процесса, так и для на­грева электролита. В процессе электролиза поддержива­ют температуру криолита 950 – 970 °С, рабочее напряже­ние 4 — 5 В и силу тока около 75000 А. В современных цехах осуществлена непрерывная подача глинозема в ванны, и процесс электролиза алюминия автоматизирован.

При электролизе имеют место следующие процессы. Расплавленный криолит под действием электрического тока диссоциирует на ионы.

Положительно заряженные ионы Al3+ переносятся электрическим током к подине (катоду), где происходит катодный процесс (разряд ионов алюминия и выделение металлического алюминия в жидком виде).

В результате этого алюминий накапливается на дне ванны под слоем электролита, откуда его удаляют обыч­но с помощью сифонного устройства или путем вычерпывания ковшом через трое или четверо суток.

Отрицательно заряженные анионы AlO33- переносятся током к аноду (угольному электроду). Выделяющийся при этом кислород окисляет углерод анода с образованием СО и СО2, которые удаляются с помощью вентиляционных устройств.

При электролизе расходуется глинозем и углерод анодов, а получаются алюминий и окислы углерода.

При электролизе для производства 1 т алюминия рас­ходуется около 2 т глинозема, 0,1 т криолита и других фторидов, 0,7 т анодной массы и 17000 — 18000 кВт-ч электроэнергии. Электроэнергия составляет более 30 % стоимости получаемого алюминия.

Рафинирование алюминия

Полученный электролизом алюминий содержит ряд примесей: металлических (Si, Fe, Zn и др.), неметалличе­ских (А12О3, С и др.) и газообразных (H, N, СО, СО2 и др.), которые ухудшают его свойства. Для получения чистого алюминия его подвергают рафинированию путем хлорирования или электролитическим способом. Метод хлорирования заключается в продувке алюминия хлором в ковше, в специальной камере при температуре 750 – 760 °С в течение 10 — 12 мин. При этом образуется газо­образный хлористый алюминий который, проходя через жидкий металл, способствует всплыванию неметаллических примесей и удалению га­зов, растворенных в алюминии. Образующиеся хлори­стые соединения: NaCl, MgCl2 и CaCl2 также всплывают на поверхность. При хлорировании теряется часть алю­миния до 1,0 %, а расход хлора составляет около 0,1 % от массы металла. После рафинирования хлором алюми­ний разливают на чушки. Чистота полученного алюминия составляет 99,5—99,85%.

Для получения алюминия более высокой чистоты при­меняют электролитический способ рафинирования. Для электролита используют фтористые и хлористые соли с температурой плавления несколько выше температуры плавления алюминия. В расплавленном электролите алю­миний подвергают анодному растворению и электролизу. Более высокие электроположительные свойства алюминия в сравнении с Na, Ca, Mg позволяют осаждать его на катоде (катодом служит чистый алюминий). Электролитическим рафинированием получают алюминий чистотой 99,996% и выше.

Общие понятия о литейном производстве

Литейным производством называется отрасль машиностроения, произ­водящая металлические изделия или заготовки путем заливки расплавлен­ного металла в форму. После затвердевания, металла в форме получается литая деталь (отливка). Отливка может быть или вполне законченным изделием, или заготовкой, которую подвергают в дальнейшем механиче­ской обработке.

Литейные формы изготовляют чаще всего из формовочной смеси, основными составляющими которой являются песок и глина. Такая форма служит только один раз и разрушается при извлечении из нее отливки. В отдельных случаях для изготовления отливок применяют металлические формы, которые могут быть использованы многократно. Применяют в литейном производстве формы и из других материалов.

Литые детали изготовляют из стали, чугуна, медных, алюминиевых, магниевых и других сплавов. Вес отливки может быть самым различ­ным — от нескольких граммов (детали приборов) до сотен тонн (станины станков).

Методом литья можно изготовлять изделия весьма сложной конфигу­рации, которые при помощи других видов обработки (механической обра­ботки, ковки, штамповки, сварки) получить или значительно труднее, или невозможно. Стоимость литой детали, как правило, оказывается меньше по сравнению с деталью, изготовленной другими методами.

При современном уровне развития литейногопроизводства литыедетали получаются весьма высокого качества.

Методом литья изготовляют ответственные детали, как, например, авто­мобильные блоки цилиндров, поршни и поршневые кольца, паровозные рамы, цилиндры, колеса, всевозможные станины и т. д. В общем в совре­менном машиностроении более 60% (по весу) всех деталей машин изго­товляется методом литья.

По мере роста достижений в различных отраслях литейного производ­ства непрерывно увеличиваются прочность получаемых отливок, их точ­ность и чистота поверхности. В соответствии с этим в современном маши­ностроении и других отраслях техники имеется тенденция к еще более широкому применению литых изделий, что увеличивает значение литей­ного производства для народного хозяйства.

Общие сведения

Литые детали (отливки) изготовляют в литейном цехе. Последователь­ность операций изготовления отливки приведена на рисунке 14.

В модельном цехе по чертежу детали изготовляют модель и стержневой ящик (если изготовляемая отливка не имеет полости, то стержневой ящик, как правило, не нужен). Модель по внешнему виду в большинстве случаев соответствует наружной форме отливаемой детали. При изготовлении модели вначале вычерчиваютчер­теж отливки, размеры которой увеличены на припуск Δ для механической обработки. По чертежу отливки изготовляют чертеж модели; размеры модели увеличивают на величину усадки металла. В модели предусматривается изготовление знаков.

Рис.14.Схема последовательности операций изготовления отливки

Стержневыми знаками называют выступающие на моделях части, не образующие непосредственно конфигурацию отливки, а служащие для обра­зования углублений в форме, в которые устанавливают стержни при сборке формы. Модели для удобства формовки чаще изгото­вляют разъемными.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между…

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? — задался я вопросом…

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право…

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)…

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Методы получения

Оксид алюминия был впервые извлечен из боксита, т. е. из руды. Процесс в котором боксит переваривается под давлением с каустической содой (гидроксидом натрия) называется процессом Байера. Оксид растворяется с образованием алюмината натрия, который отфильтровывается. Этот процесс называется прокаливанием, в результате которого образуется оксид. При выплавке алюминия в печи происходит процесс электролиза: в печь подается смесь глинозема и криолита. В печи в качестве анодов выступают углеродные стержни, которые опускаются в расплавленную смесь.


Электричество проходит между ними, и углеродная футеровка печи действует как катод. Электричество расщепляет оксид на металлический алюминий, который собирается в виде расплавленного слоя в печи.

Рекуперация энергии в алюминиевой промышленности

Потенциал рекуперации энергии в энергоемких отраслях промышленности огромен. Особенность производства алюминия в рекуперации, как процесс, позволяющий сохранить часть энергии. В настоящее время высокие затраты на электроэнергию и энергетическая нестабильность привели к сокращению первичного производства этого белого металла в большинстве регионов нашего мира.

Энергетический менеджмент должен изучить способы снижения энергопотребления и общей стоимости, такие как:

  1. Искать энергетические добавки к поставляемой по сетям электроэнергии, такие как распределенная генерация и возобновляемые источники энергии, в частности гидроэнергия.
  2. Повышение энергоэффективности и снижение затрат.
  3. Контроль и управление качеством углерода, кокса, торфяного и древесного дегтя и другого сырья для первичного производства.
  4. Улучшенные контрольно-измерительные приборы и системы управления для получения оптимальных электромагнитных эффектов и перемешивания металла для требований подачи глинозема.
  5. В будущем алюминиевая промышленность, возможно, потребует замены процессов Байера.

Технологические отходы, особенно те, которые образуются при первичном производстве, могут помочь производителям алюминия минимизировать отходы, устранить потоки отходов и улучшить утилизацию отработанного тепла, особенно из отходящих газов. Для плавки, затвердевания и рециркуляции, а также для рекуперации энергии альтернативные чистые источники энергии могут помочь промышленности удовлетворить свои энергетические потребности при дальнейшем минимизации ее воздействия на окружающую среду, возможно, используя следующие технологии:

  • Комбинированная теплоэнергетика
  • Распределенная генерация
  • Использование водородного топлива и топливных элементов
  • Индукционная плавка с использованием возобновляемых источников электроэнергии.

Алюминий

Дебют алюминиевой брони можно датировать серединой XIX века, когда император Наполеон III счел металл подходящим для изготовления легких доспехов. Несовершенная технология промышленного получения алюминия, незадолго до этого разработанная химиком Анри Сент-Клером Девилем, позволяла получать еще не слишком чистый, но уже чересчур мягкий металл, что показали первые же неудачные попытки французов использовать такие доспехи. Приемлемая технология производства алюминия появилась позднее, в конце 1880-х. Эффективный и простой электролиз глинозема обрушил стоимость металла и стимулировал активные эксперименты с его сплавами, раскрыв весь их огромный потенциал.

В самом деле, сплавы алюминия могут становиться в 15−20 раз прочнее чистого металла. Для сравнения: прочность стали не более чем вдесятеро превышает прочность железа. Разумеется, сталь все равно останется тверже, так что алюминиевые защитные элементы той же массы будут заметно толще стальных. Однако это даже к лучшему, поскольку позволяет избавиться от дополнительных элементов, обеспечивающих жесткость всей конструкции, упростить ее и дополнительно облегчить. А уменьшение массы — это и большая проходимость, и увеличенная дистанция хода, и — как мы скоро узнаем — повышенная десантируемость.

Впечатляющей иллюстрацией к этому стали американские бронетранспортеры M113: начиная с 1960-х их было изготовлено более 80 тыс. штук, причем некоторые машины первых лет выпуска остаются в строю до сих пор. На основе этих «неубиваемых» БТР разработано более десятка других образцов бронетехники. Впервые оказавшись на поле боя во время Вьетнамской войны в 1962 году, M113 и сегодня составляют около половины всего парка бронетехники армии США и активно используются многими ее союзниками. В защите M113 впервые массово применялась катаная алюминиевая броня. Легированный магнием сплав 5083 (его ближайшим российским аналогом можно назвать АМг5) упрочняли наклепом — механическими нагрузками без использования высоких температур.

  • FB
  • VK
  • TW
  • OK
  • LINK

Особенность и ведущий фактор производства алюминия

Энергетическая особенность производства

В среднем требуется

16 кВт/ч и > 18 кВт/ч электроэнергии для производства 1 кг алюминия из глинозема (оксида алюминия), для нормального и рафинированного качества (99,999%). 4-5 тонн бокситов = 2 тонны глинозема =1 тонна алюминия.
Для примера: для производства 1 кг стали необходимо затратить 9 кВт/ч электроэнергии.

Таким образом, особенность производства алюминия в необходимости большой энергоемкости. Поэтому мировые заводы расположены в районах, имеющих доступ к богатым экономическим энергоресурсам, таким как гидроэлектростанции, природный газ и угольные зоны.

Чистка от нагара и жира с помощью бытовой химии

Замачивание с чистящим раствором

Этот способ подойдет для удаления не очень стойких загрязнений. Подходит для всех видов сковородок.

Нам понадобится: 1. Горячая вода 2. Жидкость для мытья посуды

Шаг 1. Наливаем небольшое количество моющего средства в сковородку. Шаг 2. Добавляем туда горячую воду и оставляем на ночь. Шаг 3. Утром очищаем сковородку губкой и ополаскиваем под водой.

Чистящие средства

Небольшой нагар убирается с помощью бытовой химии. С осторожностью используйте этот способ с тефлоновым и керамическим покрытием. Вот несколько средств, которые вам помогут.

1. Очиститель духовок Amway (продается только в интернете или у дилеров, зато надолго удаляет нагар и копоть, а также не имеет запаха)

2. Шуманит (действенное средство от нагара, продается в любом супермаркете, но имеет неприятный запах)

3. Сверкающий казан (продается в хозяйственных магазинах, одно из лучших дешевых средств для очистки металлической посуды)

4. «Мистер Мускул Антижир» (не только отлично удаляет копоть и нагар, но и возвращает посуде первоначальный блеск)

Шаг 1. Наливаем небольшое количество средства в сковородку. Шаг 2. Добавляем туда горячую воду, вспениваем и оставляем на ночь. Шаг 3. Утром очищаем сковородку губкой и ополаскиваем под водой.

Средства для удаления налёта

Вот еще небольшой перечень средств, которые помогут справиться с небольшим нагаром на стенках сковородки. Они так же продаются в любом магазине. С осторожностью используйте этот способ с тефлоновым и керамическим покрытием.

1. «Пемолюкс»; 2. «HelperProfessional»; 3. «Мистер Чистер»; 4. «Цептер»; 5. «DazhBO»; 6. «Санита»; 7.«АнтинагарЁж».

Шаг 1. Наливаем небольшое количество моющего средства в сковородку.

Шаг 2. Добавляем туда горячую воду, вспениваем и оставляем на ночь.

Шаг 3. Утром очищаем сковородку губкой и ополаскиваем под водой.

Средство для очистки канализационных труб

С удалением многолетнего нагара справится средство для очистки канализационных труб. Но здесь важно приобретать препараты с содержанием щёлочи – гидроксида натрия. Такие как Tiret, Крот или Sanfor. Этот способ подойдет только для чугунных и стальных сковородок. Главное – точно следовать инструкции.

Шаг 1. Заливаем в неметаллическое ведро 500 мл средства в 1 л воды и перемешиваем. Произойдет химическая реакция. Шаг 2. Погружаем туда сковороду, ждем, пока нагар размокнет. Шаг 3. Достаем сковороду и удаляем металлической щеткой остатки нагара. Шаг 4. Тщательно моем сковороду, чтобы химическое средство не попало в пищу.

Что такое выплавка алюминия и как производится этот металл?

Бокситы – основная руда, используемая для производства алюминия. Они содержат 30-60 % от массы глинозема, и извлекаются открытым способом добычи, где слой почвы поверх месторождения глинозема, обычно называемый вскрышным, удаляется.


Обычные буровые или взрывные работы не проводятся из-за мягкого характера бокситовых месторождений. Более богатые руды используются в качестве добываемых. Руды более низкого качества могут быть полезны путем дробления, промывки и последующей сушки для удаления отходов глины и кремнезема. Добытый боксит затем транспортируется на заводы.

Производство металлического алюминия состоит из трёх основных этапов:

  1. Добыча бокситов – руда с повышенным содержанием этого металла.
  2. Очистка. Производство глинозема из боксита осуществляется методом Байера, при котором боксит переваривается при высокой температуре и давлении в сильном растворе каустической соды. Полученный гидрат кристаллизуют и прокаливают до оксида в печи или кальцинаторе с псевдоожиженным слоем.
  3. Восстановление путем электролитического рафинирования. Алюминий получают электролизом из расплавленного оксида алюминия Al2O3. Производство из глинозема до первичного алюминиевого металла использует электролитический процесс Холла–Херулта с использованием углеродных электродов и криолитового флюса для получения металла высокой чистоты (>99,99%).

Отливка

Отливка — продукция, полученная способом заливки жидкого сплава в литейные формы, в которых, после охлаждения и затвердения, происходит формирование. Она может быть полностью законченным изделием либо требовать дальнейшей механической обработки.
Подразделяется на следующие виды:

  • полуфабрикаты – это чушки, которые в дальнейшем требуют прохождения процесса переработки;
  • слитки, обработка которых проводится давлениям;
  • фасонные отливки – обрабатываются с помощью резания;
  • готовая продукция, которая не требует никакой механической обработки, только очищается либо окрашивается декоративной краской.

Для получения отливок используется множество разновидностей металла и сплавов, стекло, пластмасса, воск и другой исходный материал. Около 80% заготовок получаются методом литья в песчаные формы, но полученная таким образом отливка перед отправкой заказчику требует обязательной обработки.

Литейное производство позволяет получить заготовки высокой точности даже с самой сложной конфигурацией, при этом пропуски, требующие обработку — незначительные. Технология получения отливок выбирается с учетом их размеров и способа производства.

Разделяют три группы получения отливок:

1) в разовых формах;

2) по растворяемым моделям;

3) отливка в формах полупостоянного и комбинированного типа, сделанных из огнеупорных материалов:

Это основные виды литья, но на практике применяются и комбинированные варианты.

Методы получения

Оксид алюминия был впервые извлечен из боксита, т. е. из руды. Процесс в котором боксит переваривается под давлением с каустической содой (гидроксидом натрия) называется процессом Байера. Оксид растворяется с образованием алюмината натрия, который отфильтровывается. Этот процесс называется прокаливанием, в результате которого образуется оксид. При выплавке алюминия в печи происходит процесс электролиза: в печь подается смесь глинозема и криолита. В печи в качестве анодов выступают углеродные стержни, которые опускаются в расплавленную смесь.

Читать еще:  Как построить дом из профильной трубы по технологии каркасного строительства


Электричество проходит между ними, и углеродная футеровка печи действует как катод. Электричество расщепляет оксид на металлический алюминий, который собирается в виде расплавленного слоя в печи.

Химические свойства алюминия

Алюмотермия

Как мы уже сказали, алюминий — активный металл. Настолько активный, что может применяться как восстановитель железа, марганца, хрома и других подобных металлов, при этом переходя в очень стабильный оксид. Данный метод получения других металлов из их оксидов реакцией с алюминиевой пудрой носит название алюмотермия, или реакция термит:

(3Fe_3O_4 + 8Al = 4Al_2O_3 + 9Fe) (3MnO_2 + 4Al = 3Mn + 2Al_2O_3) (Cr_2O_3 + 2Al = 2Cr + Al_2O_3) Термит

Как вы уже заметили, в своём оксиде алюминий находится в степени окисления +3. И да, действительно, это самая устойчивая для алюминия степень окисления. Однако для него существует ещё одна ненулевая степень окисления! И это +1, о которой мы поговорим чуть позже.

Для начала отметим реакции алюминия со многими простыми веществами (при нагревании), элементы которых окружают алюминий в таблице Менделеева:

(4Al + 3C = Al_4C_3 quad text1500^oC) (2Al + N_2 = 2AlN quad t > 800^oC) (2Al + 3S = Al_2S_3 quad t > 700^oC)

Многие из образующихся в подобных реакциях соединения легко гидролизуются:

(Al_2S_3 + 6H_2O = 3H_2Suparrow + 2Al(OH)_3downarrow, text<быстро>) (AlN + 4HCl = AlCl_3 + NH_4Cl, text<медленно>)

Отношение к кислотам

Алюминий не реагирует с концентрированными азотной и серной кислотами — то есть пассивируется.

Однако с разбавленными кислотами-неокислителями (то есть разбавленной серной, соляной) реагирует с умеренной скоростью из-за довольно инертной плёнки оксида на поверхности, которая медленно «съедается» кислотой:

(2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2uparrow)

Гидроксид алюминия очень легко взаимодействует с кислотами, образуя соли алюминия:

(Al(OH)_3 + 3HCl = AlCl_3 + 3H_2O)

Отношение к щелочам. Амфотерность

Алюминий — амфотерный металл. Это значит, что он и его соединения проявляют как кислотные, так и основные свойства.

Например, он реагирует с раствором щелочи:

(2Al + 2NaOH + 6H_2O = 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2uparrow)

Экспериментально замечено, что эта реакция идет с большей скоростью, нежели алюминия с кислотой, а значит мы можем сделать вывод, что кислотные свойства алюминия выражены сильнее, чем основные.

Помимо реакции с кислотой, гидроксид алюминия также легко растворяется и в растворе щёлочи!

(Al(OH)_3 + NaOH = Na[Al(OH)_4])

В результате этих реакций образуется комплексное соединение — тетрагидроксоалюминат натрия, которое имеет переменный состав, сильно зависящий от pH. В водных растворах при pH 13-14 (сильнощелочных средах) существуют тетрагидроксоалюминат-ионы, а при понижении pH (подкислении среды) между ионами начинают происходить процессы полимеризации через кислородные мостики. Например, охарактеризовано существование и строение ионов следующих составов:

А вместе с однозарядными катионами (катионами щелочных металлов и аммония) образует устойчивые кристаллизующиеся соединения квасцы (название происходит от слова кислый, так как соединения алюминия гидролизуются и растворы солей имеют кислую реакцию среды):

((NH_4)_2SO_4 + Al_2(SO_4)_3 + 24H_2O = 2NH_4Al(SO_4)_2 * 12H_2O)

В их структуре присутствуют тетраэдрические гексаакваионы [Al(H2O)6]3+.


Прекрасные кристаллы алюмокалиевых квасцов

При сплавлении со щелочами алюминий образует соль мета- или ортоалюминиевой кислоты. При этом также могут образоваться алюминаты более сложного состава:

(Al(OH)_3 + NaOH = NaAlO_2 + 2H_2O) (NaAlO_2 + Na_2O = Na_3AlO_3)

Рекуперация энергии в алюминиевой промышленности

Потенциал рекуперации энергии в энергоемких отраслях промышленности огромен. Особенность производства алюминия в рекуперации, как процесс, позволяющий сохранить часть энергии. В настоящее время высокие затраты на электроэнергию и энергетическая нестабильность привели к сокращению первичного производства этого белого металла в большинстве регионов нашего мира.

Энергетический менеджмент должен изучить способы снижения энергопотребления и общей стоимости, такие как:

  1. Искать энергетические добавки к поставляемой по сетям электроэнергии, такие как распределенная генерация и возобновляемые источники энергии, в частности гидроэнергия.
  2. Повышение энергоэффективности и снижение затрат.
  3. Контроль и управление качеством углерода, кокса, торфяного и древесного дегтя и другого сырья для первичного производства.
  4. Улучшенные контрольно-измерительные приборы и системы управления для получения оптимальных электромагнитных эффектов и перемешивания металла для требований подачи глинозема.
  5. В будущем алюминиевая промышленность, возможно, потребует замены процессов Байера.

Технологические отходы, особенно те, которые образуются при первичном производстве, могут помочь производителям алюминия минимизировать отходы, устранить потоки отходов и улучшить утилизацию отработанного тепла, особенно из отходящих газов. Для плавки, затвердевания и рециркуляции, а также для рекуперации энергии альтернативные чистые источники энергии могут помочь промышленности удовлетворить свои энергетические потребности при дальнейшем минимизации ее воздействия на окружающую среду, возможно, используя следующие технологии:

Особенности металла алюминия: его свойства, преимущества и характеристики

Алюминий — это самый распространенный металл в земной коре, который встречается в виде изотопа. Его активная добыча связана с широкой сферой применения. Благодаря низкой теплопроводности, устойчивости к воздействию коррозии, большой тугоплавкости и жароустойчивости без этого металла не обходится ни одна сфера производства.

Особенности алюминия

Сам металл обладает белым цветом и химической активностью. Вступая в реакцию с воздухом, на его поверхности образуется оксидная пленка, которая защищает его от воздействия влаги и прочих негативных факторов, выступающих в роли раздражителей. Такая реакция не только выступает преимуществом металла, но и в некотором роде является недостатком, корректируя процесс литья.

Далее рассмотрены преимущества и недостатки эматалирования, анодированного и других видов алюминия, а также его классификация.

Данное видео ознакомит вас с особенностями алюминия:

Преимущества и недостатки

Благодаря своей структуре и характеристикам, алюминий обладает следующими преимуществами:

  • Небольшая масса;
  • Устойчивость к коррозии;
  • Высокий коэффициент поглощения звука;
  • Экологическая безопасность;
  • Устойчивость к температурным перепадам;
  • Долговечность;
  • Возможность корректировки характеристик благодаря примесям.

Что касается недостатков, то можно отметить лишь высокую стоимость, по сравнению с другими металлами. Однако преимущества эту особенность делают менее значимой.

Классификация

Алюминий достаточно редко используется именно в чистом виде, чтобы получить необходимые функции и технические характеристики, в металл добавляются специальные примеси. Если предел прочности чистого металла составляет 90 МПа, то при добавке легирующих компонентов (магний, цинк и прочее) этот показатель можно увеличить до 700 МПа.

Такие алюминиевые сплавы можно разделить на две группы:

  1. Деформируемые сплавы. Для их производства металл разливается изначально в специальные слитки, которые затем обрабатываются под высоким давлением одним из методов.
  2. Литейные сплавы. Они отличаются повышенным содержанием кремния и необходимостью литья уже в готовые формы.

Про температуру плавления и кипения алюминия, иные химические свойства и характеристики металла поговорим ниже.

Свойства и характеристики

Физические свойства данного металла зависят напрямую от его чистоты. Если состав алюминия максимально приближен к единице, то в результате достигаются максимально возможные свойства. Именно поэтому он идеально подходит для ковки, штамповки и другим методам обработки.

Отличительной чертой алюминия является возможность применения разных типов сварки. Кроме этого металл обладает следующими характеристиками:

  • Низкий коэффициент плотности, который составляет 2,7 г/см³. От этого показателя зависит также его прочность, которая также невелика. Именно по этой причине алюминий в чистом виде не используется в конструкционных целях.
  • Высокий коэффициент теплопроводности. Чистый металл при температуре 200°C обладает теплопроводностью в 209 Вт/(м*К).
  • Температура плавления у алюминия технического типа составляет 657 °C, а у чистого — 660 °C.
  • Удельная теплоемкость составляет 880 Дж/кг·K.
  • Температура кипения — 2500 °C.

Далее рассмотрены структура и химический состав алюминия.

Структура и состав

Структура алюминия представлена кубической решеткой из кристаллов. Минимальное расстояние между двумя атомами составляет от 2,863Å. Кристаллическая решетка имеет стабильность при температурных условиях от 4К до непосредственной температуры плавления. Наличие примесей практически не влияет на структуру алюминия.

Помимо чистого алюминия в состав могут входить примеси из цинка, кремния, магния и других металлов. Далее мы рассмотрим получение и применение алюминия на основе его химических и физических свойств.

О том, как правильно расплавить алюминий при помощи газовой плиты, расскажет видеоролик ниже:

Процесс производства

Технологический процесс получения данного металла включает в себя три этапа:

  1. Получение глинозема из первичного сырья (содержащие алюминий руды).
  2. Создание из получившегося глинозема технического алюминия.
  3. Процесс максимальной очистки металла.

Получение оксида алюминия происходит из глинозема под действием электролиза. Соединение должно быть максимально чистым, поскольку на этом этапе его получения весьма проблематично избавиться от ненужных примесей.

Чтобы получить алюминий с чистотой приближенной к единице, необходимо организовать несколько цехов для его обработки, каждый из которых будет отвечать за определенный этап производства. Именно поэтому чистый металл имеет достаточно высокую цену, которая достигает до 1700 долларов за 1 т (1000 кг алюминия).

Области применения

Технические характеристики и возможность подвергать алюминий различным обработкам обусловили его широкое распространение. В частности металл активно используется в следующих областях:

  • Авиастроение;
  • Автомобилестроение;
  • Ракетостроение;
  • Производство посуды;
  • Пищевая промышленность;
  • Судостроение;
  • Микроэлектроника;
  • Энергетика и многое другое.

Нередко в процессе использования алюминия применяют в симбиозе с другими металлами, например, железом, титаном, никелем, бронзой, медью и т.п. Особенности алюминия, его технические характеристики и широкое распространение сделали этот металл крайне востребованным. Ни она современная область промышленности не обходится без его применения.

Как паять алюминий без специального флюса, поведает этот видеосюжет:

Получение алюминия

Производство и получение алюминия

Металлический алюминий получают в три стадии:

  • Получение глинозема (Al2O3) из алюминиевых руд;
  • Получение алюминия из глинозема;
  • Рафинирование алюминия.

Получение глинозема

Около 95 % всего глинозема получают из бокситовых руд.

Бокситовая руда

Боксит (фр. bauxite) (по названию местности Baux на юге Франции) – алюминиевая руда, состоящая из гидроксидов алюминия, оксидов железа и кремния, сырьё для получения глинозёма и глинозёмосодержащих огнеупоров. Содержание глинозёма в промышленных бокситах колеблется от 40 % до 60 % и выше. Используется также в качестве флюса в чёрной металлургии.

Рисунок 1 – Бокситовая руда

Обычно бокситы представляют собой землистую глиноподобную массу, которая может иметь полосчатую, пизолитовую (гороховидную) либо однородную текстуру. В обычных условиях выветривания полевые шпаты (минералы, составляющие большую часть земной коры и являющиеся алюмосиликатами) разлагаются с образованием глин, но в условиях жаркого климата и высокой влажности конечным продуктом их разложения могут оказаться бокситы, т. к. подобная обстановка благоприятствует выносу щелочей и кремнезёма, особенно из сиенитов или габбро. Бокситы перерабатывают в алюминий поэтапно: сначала получают оксид алюминия (глинозём), а затем металлический алюминий (электролитическим способом в присутствии криолита).

Основные примеси в бокситах это Fe2O3, SiO2, TiO2. К малым примесям бокситов относят: Na2O, K2O, CaO, MgO, редкоземельные элементы, Cr, P, V, F, органика.

Обычно бокситы классифицируют:

  • по цвету;
  • по основному минералу (чаще они бывают смешанными);
  • по возрасту.

Основными критериями качества алюминиевой руды являются :

  1. Кремниевый модуль (Мsi = Al2O3/SiO2 (% масс.)). Чем больше кремниевый модуль тем лучше качество (Мsi = 7);
  2. Содержание железа в пересчете на Fe2O3. Если содержание Fe2O3около 18 % масс., то боксит считается высокожелезистым. Чем больше содержание железа труднее добыть бокситы;
  3. Содержание серы. Наличие большого количества серы усложняет переработку боксита;
  4. Содержание карбонатов в пересчете на CO3 (2-) . Наличие большого количества карбонатов усложняет переработку боксита.
  • в производстве глинозема;
  • в производстве абразивных материалов;
  • в производстве огнеупорных материалов;
  • в качестве флюса для выплавки мартеновской стали;
  • для сушки газов и чистки нефти от серы;
  • в качестве красителя.

На сегодняшний день главными поставщиками боксита являются:

  • Австралия – там находятся также огромные залежи Fe, Au, U, Ni, Co, Cuи др. Выгоднее покупать сырье у Австралии, чем перерабатывать свое.
  • Гвинея – У России есть несколько купленных мест.
  • Центральная Америка: Гайана, Ямайка, Суриман.
  • Бразилия.

В Европе все месторождения истощены. Осуществляются поставки бокситов из Греции, но данное сырье является сырьем низкого качества.

Рисунок 2 – Запасы бокситов в мире

Ниже представлен основных месторождений алюминиевых руд в России.

  • Первое месторождение было открыто в 1914 г. под Сант-Петербургов, рядом с городом Тихвин. На данном месторождении было построено 6 заводов. Самый большой — это Волховский алюминиевый завод. На сегодняшний день Тихвинское месторождение истощено и работает в основном на привозном сырье.
  • В 1931 г. было открыто уникальное Северо-Уральское месторождение высококачественных бокситов (СУБР). Оно послужило базой для строительства в 1939 г. Уральского алюминиевого завода (УАЗ). А на основе Южно-уральского бокситового рудника (ЮУБР) был построен Богословский алюминиевый завод (БАЗ).
  • Североонежское месторождение находится по дороге на Кольский полуостров. В Плане есть, но дата строительства неизвестна.
  • Висловское месторождение – чистоглинистое месторождение каолитного типа. Для глинозема не используется.
  • Тиманское месторождение (Республика Коми, Варкута). Канадцы заинтересованы в данном месторождении, поэтому планируют строительство заводов («Коми Суал» — холдинг).

Получение глинозема из бокситовых руд

Поскольку алюминий амфотерен, глинозем получают тремя способами:

  • щелочным,
  • кислотным;
  • электролитическим.

Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5 – 6 %) кремнезема). С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема получения глинозема по способу Байера

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169 – 170 °С может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1. Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al2O3; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2. Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230 – 250 °С (500 – 520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100 °С;

3. Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6 – 1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4. Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60 °С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH)3. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси – затравки:

5. Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50 – 60 % частиц Al(OH)3. Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затра­вочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Оста­ток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах – для выщелачивания новых бокситов);

6. Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150 – 1300 °С; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

200 °C – 950 °С – 1200 °С.

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30 – 50 % α-Al2O3 (корунд), остальное γ-Al2O2.

Этим способом извлекается 85 – 87 % от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ° С [7].

Получение алюминия электролизом

Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970 °С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают (рисунок 4). Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись угле­рода (CO) или двуокись углерода (CO2). На практике находят применение два типа анодов:

  • самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых «хлебов» массы Зедерберга (малозольный уголь с 25 – 35 % каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);
  • обожженные, или «непрерывные», аноды из больших угольных блоков (например, 1900 × 600 × 500 мм массой около 1,1 т).

Рисунок 4 – Схема электролизера

Сила тока на электролизерах состав­ляет 150 000 А. Они включаются в сеть последова­тельно, т. е. получается система (серия) – длинный ряд электролизеров.

Рабочее напряжение на ванне, состав­ляющее 4 – 5 В, значительно выше на­пряжения, при кото­ром проис­ходит раз­ло­жение окиси алю­миния, поскольку в процессе рабо­ты неизбежны потери напряжения в различных частях системы. Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия

Вреакционном сосуде окись алюминия превращается сначала в хлорид алюминия. Затем в плотно изолированной ванне происходит электролиз AlCl3, растворенного в расплаве солей KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и пода­ется для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде.

Преимуществами данного метода перед существующим электролизом жидкого крио­литоглиноземного расплава (Al2O3, растворенная в кри­олите Na3AlF6) считают: экономию до 30 % энергии; возможность применения окиси алюминия, которая не годится для традиционного электролиза (например, Al2O3 с высоким содержанием кремния); замену дорогостоящего криолита более дешевыми солями; исчезновение опасности выделения фтора [7].

Получение рафинированного алюминия

Для алюминия рафини­рующий электролиз с разло­жением водных солевых рас­творов невозможен. Пос­кольку для некоторых целей степень очистки промыш­лен­ного алюминия (Al 99,5 – Al 99,8), полученного электролизом криолитогли­нозем­ного расплава, недостаточна, то из промышлен­ного алюминия или отходов металла путем рафинирова­ния получают еще более чистый алюминий (Al 99,99 R). На­иболее известен метод рафинирования — трехслой­ный электролиз.

Рафинирование методом трехслойного электролиза

Одетая стальным листом, работающая на постоянном токе (рисунок 6) ванна для рафиниро­вания состоит из уголь­ной подины с токопод­водами и теплоизоли­рующей магнезитовой футеровки. В проти­воположность электро­лизу криолитоглино­земного расплава ано­дом здесь служит, как правило, расплавлен­ный рафинируемый ме­талл (нижний анодный слой). Электролит сос­тавляется из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фто­ридов алюминия и нат­рия (средний слой). Алюминий, растворяю­щийся из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой). Чистый металл служит катодом. Подвод тока к катодному слою осуществляется графитовым электродом.

Рисунок 6 — Схема электролизера с передним горном для рафинирования алюминия (по Фульда — Гинзбергу)

1 – алюминиевый расплав; 2 – электролит; 3 – рафинированный алюминий высокой частоты; 4 – катод из графита; 5 – магнезитовая стена; 6 – передний горн; 7 – изолирующий слой; 8 – боковая изоляция; 9 – угольная подина; 10 – анодный токопровод; 11 – изоляция подины; 12 – железный короб; 13 – крышка

Ванна работает при 750 – 800 °С, расход электроэнергии составляет 20 кВт ч на 1 кг чистого алюминия, т. е. несколько выше, чем при обычном электролизе алюминия.

Металл анода содержит 25 – 35 % Cu; 7 – 12 % Zn; 6 – 9 % Si; до 5 % Fe и незначительное количество марганца, никеля, свинца и олова, остальное (40 – 55 %) – алюминий. Все тяжелые металлы и кремний при рафинировании остаются в анод­ном слое. Наличие магния в электролите приводит к нежелательным изменениям состава электролита или к сильному его ошлакованию. Для очистки от магния шлаки, содержащие магний, обрабатывают флюсами или газообразным хлором.

В результате рафинирования получают чистый алюминий (99,99 %) и про­дукты сегрегации (зайгер-продукт), которые содержат тяжелые металлы и крем­ний и выделяются в виде щелочного раствора и кристаллического остатка. Щелоч­ной раствор является отходом, а твердый остаток применяется для раскисления.

Рафинированный алюминий имеет обычно следующий состав, %: Fe 0,0005 – 0,002; Si 0,002 – 0,005; Cu 0,0005 – 0,002; Zn 0,0005 – 0,002; Mg следы; Al остальное.

Рафинированный алюминий перерабатывают в полуфабрикат в указанном составе или легируют магнием (таблица 1).

Таблица 1 – Химический состав алюминия повышенной чистоты и первичного алюминия по DIN 1712, лист 1

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector