Свойства алюминия

Свойства алюминия

Алюминий-самый распространненый металл в земной коре. Его содержание оценивают в 7.45 % (больше, чем железа, которого только 4.2 %). Алюми­ний как элемент открыт недавно-в 1825 г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения от­носится к концу прошлого столетия. Толчком к этому послужила разрабо­тка в 1886 г. способа его получения путем электролиза глинозема, раст­воренного в криолите. Принцип способа лежит в основе современного про­мышленного извлечения алюминия из глинозема во всех странах мира.

По внешнему виду алюминий представляет собой блестящий серебристый белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой

матовой пленкой Al O . Эта пленка обладает высокими защитными свойст­вами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является корро­зионностойким.

Алюминий достаточно легко разрушается растворами едких щелочей, со­ляной и серной кислот. В концетрированной азотной кислоте и органичес­ких кислотах он обладает высокой стойкостью.

Наиболее характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная плотность, равная 2.7, а также сравнительно высо­кие тепло- и электропроводность. При 0 C удельная электропроводность алюминия, т.е. электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм и длиной 1 м равна 37 1 ом.

Коррозионная стойкость и особенно электропроводность алюминия тем выше, чем он чище, чем меньше в нем примесей.

Температура плавления алюминия невысокая, она равна приблизительно 660 C. Однако скрытая теплота плавления его очень большая-около 100 кал г, поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход теп­ла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди, у которой температура плавления 1083 C, скрытая теплота плавле­ния 43 кал г.

Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая прочность. Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм, а твердость НВ25, =80% и =35%.

Кристаллическая решетка алюминия представляет собой гранецентриро­ванный куб, имеющий при 20 C параметр (размер стороны) 4.04 . Алло­тропических превращений алюминий не имеет.

В природе аллюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, не­фелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.

Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводи­мых этапов-сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него полу­чают алюминий.

Известные в настоящее время методы получения глинозема можно раз­бить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наибо­лее широкое применение получили щелочные методы.

В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных про­порциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

Al O + Na CO = Al O Na O + CO .

Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит в раствор.

В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.

В обоих случаях образование водного раствора алюмината натрия приво­дит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделе­ние раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию-CaSiO уходит в осадок, образуя белый шлам. Очищенный от кремния раствор после отделения его от белого шла­ма обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в оса­док выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

Al O Na O + 3H O + CO = 2Al(OH) + Na CO .

Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема:

2Al(OH) = Al O + 3H O .

Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита-около 80%.

Получение металлического алюминия из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части-на алюминий и кисло­род. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в крио­лите (AlF 3NaF). Криолит, обладая способностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 C, а температура плавления раствора, состояще­го, например, из 85 % криолита и 15 % глинозема, равна 935 C.

Схема ээлектролиза глинозема достаточно проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии.

В поду ванны с хорошей теплоизоляцией 1 и угольной набивкой 2 зало­жены катодные шины 3, соединенные с отрицательным полюсом источника электрического тока. К анодной шине 4 присоединены электроды 5. Перед началом электролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электро­ды опускают до соприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная набивка накалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя рас­плавленного криолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета 15% к количеству криолита. Процесс происходит при 950-1000 C.

Под действием электрического тока глинозем разлагается алюминий и кислород. Жидкий алюминий 6 скапливается на угольной подине (дно уго­льной ванны), являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом анодов, постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Гли­нозем периодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей части постепенно опускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через определенные промежутки времени выпускают в ковш 8.

При электролизе на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема,

0.6 т угольных электродов, служащих анодами, 0.1 т криолита и от

17000 до 18000 квт ч электроэнергии.

Полученный при электролизе глинозема алюминий-сырец содержит метал­лические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, пре­дставляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоя­нии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэ­тому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газо­образные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами.

После рафинирования получают торговые сорта алюминия.

Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации алюминия.

Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются железо и кремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не раст­воряется в алюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения FeAl и Fe Al . С кремнием алюминий образует эвтектическую механичес­кую смесь при 11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной температуре очень мала (0.05%), то даже при его незначительном коли­честве он образует эвтетику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800) хрупких кристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия. При совместном присутствии кремния и железа образуется тройное хими­ческое соединение и тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность.

У нас в стране в зависимости от количества примесей установлены три­надцать марок алюминия, выпускаемых промышленностью.

______________________________________________________________

| Чистота алюминия разных марок |

Контролируемыми примесями в алюминии являются железо, кремний, медь и титан.

Алюминий всех марок содержит более 99 % Al. Количественное же пре­вышение этой величины в сотых или десятых долях процента указывают в названии марки после начальной буквы А. Так, в марке А85 содержится

99.85 % Al. Исключение из этого принципа маркировки составляют марки А

АЕ, в которых содержание алюминия такое же, как в марках А0 и А5, но другое соотношение входящих в состав примесей железа и кремния.

Буква Е в марке АЕ означает, что алюминий данной марки предназнача­ется для производства электропроводов. Дополнительным требованием к свойствам алюминия является низкое электросопротивление, которое для проволоки, изготовленной из него, должно быть не более 0.0280 ом мм м при 20 C.

Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе, свойства которых требуют большой степени его чистоты.

В зависимости от назначения алюминий можно производить в различном виде. Алюминий всех марок (высокой и технической чистоты), предназна­ченный для переплавки, отливают в виде чушек массой 5; 15 и 1000 кг. Их предельные величины следущие: высота от 60 до 600 мм, ширина от 93 до 800 мм и длина от 415 до 1000 мм.

Если же алюминий предназначается для проката листа и ленты, то не­прерывным или полунепрерывным методом отливают плоские слитки семнад­цати размеров. Толщина их колеблется в пределах от 140 до 400 мм, ши­рина-от 560 до 2025 мм, а масса 1 м длины слитка-от 210 до 2190 кг. Длину слитка согласовывают с заказчиком.

Основным видом контроля алюминия как в чушках, так и в плоских слит­ках, является проверка химического состава и его соответсвие марочно­му. К чушкам и слиткам, предназначенным для обработки давлением, пре­дьявляют дополнительные требования, такие, например, как отсутсвие ра­ковин, газовых пузырей, трещин, шлаковых и других посторонних включе­ний.

Для раскисления стали в процессе ее выплавки, а также для производ­ства ферросплавов и для алюмотермии можно применять более дешевый алю­миний меньшей чистоты, чем это указано таблице "Чистота алюминия раз­ных марок". Для этой цели промышленность выпускает шесть марок алюми­ния в чушках массой от 3 до 16.5 кг, содержащих от 98.0 до 87.0 % Al. В них содержание железа достигает 2.5 %, а кремния и меди до 5 % каж­дого.

Применение алюминия обусловлено особенностью его свойств. Сочетание легкости с достаточно высокой электропроводностью позволяет применять

алюминий как проводник электрического тока, заменяя им более дорогую

медь. Разницу в электропроводности меди (63 1 ом) и алюминия (37 1 ом)

компенсируют увеличением сечения алюминиевого провода. Малая масса

алюминиевых проводов делает возможным осуществлять их подвеску при

значительно большем, чем в случае медных проводов, расстоянии между

опорами, не опасаясь обрыва проводов под влиянием собственного веса.

Из него изготовляют также кабели, шины, конденсаторы, выпрямители. Вы­сокая коррозионная стойкость алюминия делает его в ряде случаев неза­менимым иатериалом в химическом машиностроении, например для изготов­ления аппаратуры, применяющейся при производстве, хранении и перевозке азотной кислоты и ее производных.

Широко его применяют также в пищевой промышленности-из него изготов­ляют разнообразную посуду для приготовления пищи. При этом используют не только его стойкость к действию органических кислот, но также и вы­сокую теплопроводность.

Высокая пластичность позволяет раскатывать алюминий в фольгу, кото­рая в настоящее время полностью заменила применявшуюся ранее более до­рогую оловянную фольгу. Фольга служит упаковкой для самых разнообраз­ных пищевых продуктов: чая, шоколада, табака, сыра и др.

Алюминий применяют так же, как антикоррозионное покрытие других ме­таллов и сплавов. Его можно наносить плакированием, диффузионной мета­ллизацией и другими способами, включая покраску алюминийсодержащими красками и лаками. Особенно сильно распространено плакирование алюми­нием плоского проката из менее коррозионноустойчивых алюминиевых спла­вов.

Химическую активность алюминия по отношению к кислороду используют для раскисления при производстве полуспокойной и спокойной стали и для получения трудновосстановимых металлов путем вытеснения алюминием из их кислородных соединений.

Алюминий применяют как легирующий элемент в самых различных сталях и сплавах. Он придает им специфические свойства. Так например, он повы­шает жаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых других металлов.

Можно назвать и иные области применения алюминия различной степени чистоты, но самое большое его количество расходуют на получение раз­личных легких сплавов на его основе. Сведения о главных из них приве­дены ниже.

В целом применение алюминия в различных отраслях хозяйства на приме­ре развитых капстран оценивают следущими цифрами: транспортное машино­строение 20-23% (в том числе автомобилестроение 15%), строительство 17-18%, электротехника 10-12%, производство упаковочных материалов 9-10%, производство потребительских товаров длительного пользования 9-10%, общее машиностроение 8-10%.

Алюминий завоевывает все новые области применения, несмотря на кон­куренцию других материалов и особенно пластмасс.

Основными промышленными рудами, содержащими алюминий, являются бок­сит, нефелин, алунит и каолин.

Качество этих руд оценивают по содержанию в них глинозема Al O , ко­торый содержит 53% Al. Из других показателей качества алюминиевых руд наиболее важным является состав примесей, вредность и полезность кото­рых определяются применением руды.

Б о к с и т является лучшим и во всем мире основным сырьем для по­лучения алюминия. Его используют также для производства искусственного

корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По хими­ческому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al O nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов. Наиболее распространенными гидратами глинозема, вхо­дящими в состав бокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидрар­геллит. Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении ко­леблется в очень широких пределах-от 35 до 70%.

Входящие в состав боксита минералы образуют очень тонкую смесь, что затрудняет обогащение. В промышленности в основном применяют сырую ру­ду. Процесс извлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и состоит из двух стадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него получают алюминий.

Предметом мировой торговли является как сам боксит, так и извлечен­ный из него или других руд глинозем.

На территории СНГ залежи бокситов распределены неравномерно, и бок­ситы разных месторождений неравноценны по качеству. Месторождения наи­более высококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы бокситов имеются также в Европейской части СНГ и в Западном Казахста­не.

Из индустриально развитых стран ныне практически обеспечена лишь Франция, где впервые началась его разработка. Его достоверные и веро­ятные запасы в этой группе государств в 1975 г. оценивались в 4.8 млрд. т (в том числе в Австралии 4.6 млрд. т), тогда как в развиваю­щихся странах в 12.5 млрд. т, в основном в Африке и Латинской Америке (самые богатые-Гвинея, Камерун, Бразилия, Ямайка).

За послевоенное время резко расширился круг стран, где ведется добы­ча боксита и производится первичный алюминий. В 1950 г. боксит добыва­ли лишь в 11 странах, не считая СССР, в том числе в трех в количестве свыше 1 млн. т (Суринам, Гайяна, США) и в четырех более по 0.1 млн. т (Франция, Индонезия, Италия, Гана). К 1977 г. обьем добычи возрос в 12 раз и резко изменилась ее география (более половины добычи капиталис­тического мира приходилось на развивающиеся страны).

В отличие от развивающихся стран, богатая топливом Австралия большую часть добываемых бокситов (в основном на полуострове Иорк-в крупнейшем бокситовом месторождении мира) перерабатывает в глинозем, играя решаю­щую роль в его мировом экспорте. Не пример ей, страны бассейна Карибс­кого моря и западноафриканские вывозят преимущественно боксит. В этом сказывается как причины политического характера (мировым алюминиевым монополиям предпочтительнее производство глинозема за пределами бокси­тодобывающих, зависимых от них стран), так и чисто экономические: бок­ситы, в отличие от руд тяжелых цветных металлов, транспортабельны (со­держат 35-65 % двуокиси алюминия), а глиноземное производство требует значительных удельных расходов, которым не располагает подавляющая часть бокситодобывающих стран.

Стремясь пртивостоять диктату мировых алюминиевых монополий боксито­экспортирующие страны в 1973 г. создали организацию "Международная ас­социация бокситодобывающих стран" (МАБС). В нее вошли Австралия, Гви­нея, Гайана, Ямайка, а также Югославия; позднее к ней присоединились Доминиканская республика, Гаити, Гана, Сьерра-Леоне, Суринам, а Греция и Индия стали странами-наблюдателями. На год создания на долю этих го­сударств приходилось примерно 85 % добычи бокситов в несоциалистичес­ких государствах.

Для алюминиевой промышленности характерен территориальный разрыв как между добычей боксита и производством глинозема, так и между последним и выплавкой первичного алюминия. Крупнейшие производства глинозема (до 1-1.3 млн. т год) локализованы как при алюминиевых заводах (например, при канадском заводе в Арвида в Квебеке, занимающем по производствен­ной мощности-0.4 млн. т алюминия в год), так и в бокситоэкспортирующих портах (например, Паранам в Суринаме), а также на путях следования бо­ксита от вторых к первым-например в США на побережье Мексиканского за­лива (Корпус-Кристи, Пойнт-Комфорт).

У нас в стране все добываемые бокситы разделены на десять марок. Ос­новное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента-глинозе­ма и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема (Al O SiO ). Кремниевый модуль является очень важным показателем ка­чества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и тех­нология переработки.

Основные показатели качества бокситов всех десяти марок приведены в таблице. Там же указано и преимущественное применение бокситов разных марок.

Как видно из таблицы, бокситы одних и тех же марок используют для различных назначений, так например, боксит марки Б-1 может использо­ван для производства глинозема, плавленых огнеупоров и глиноземистых цементов. Однако в зависимости от назначения к бокситу одной и той же марки при одинаковых основных показателях качества (содержание Al O и кремниевом модуле) предьявляют разные требования по содержанию при­месей серы, окиси кальция и фосфора.

Содержание влаги в бокситах любых марок установлено в зависимости от их месторождения: наименьшая влажность (не более 7 %) устанолена для бокситов южно-уральских месторождений, а для северо-уральских, каменск-уральских и тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%.


29-04-2015, 03:09