Алюминий и его сплавы. Производство алюминия

До 1890 г. очень немногие, кроме специалистов, слышали об алюминии. Сегодня же алюминий и его сплавы занимают место среди наиболее широко применяемых металлов. Особую ценность они представляют для авиации и космонавтики благодаря сочетанию легкости, прочности и стойкости к коррозии. Из-за превосходной электропроводности [8] алюминий используется также как проводниковый материал.

Электропроводность алюминия составляет всего 60% от электропроводности меди, однако он легче и дешевле. Масса и сопротивление медных [Б] и алюминиевых [В] проводов [А] указаны здесь для кабеля длиной 1 Км

Распространение и получение. Алюминий - самый распространенный металлический элемент в земной коре. Он обладает высокой химической активностью и поэтому встречается только в виде соединений. Он присутствует почти во всех горных породах; среднее его содержание в верхнем 16-километровом слое земной коры составляет 8%. В промышленности алюминий получают из боксита-оксида алюминия, залежи которого найдены во многих странах.

Впервые алюминий был выделен в 1825 г. датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом (1777-1851). В начале XIX в. английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) предсказал существование этого металла, но выделить его не смог. Только через 15 лет после открытия Эрстеда было получено достаточное количество алюминия, позволившее определить его свойства, и в первую очередь низкую плотность.

Французский химик Анри Девилль (1818-1881) восстановил хлорид алюминия металлическим натрием, и в 1855 г. на Всемирной парижской выставке алюминий впервые был представлен для всеобщего обозрения. Его стоимость составляла около 250 долл, за 1 кг, но уже в 1886 г. упала до 15 долл, за 1 кг. В том же году было получено 50 т алюминия.

Алюминий и его сплавы широко применяются в технике. В алюминий можно вводить различные присадки и получать разнообразные сплавы, обладающие целым рядом замечательных свойств, которые могут быть еще дополнительно улучшены термической (закалка, старение), электрохимической (анодирование) и механической обработкой. Для получения твердых и прочных сплавов в алюминий добавляют медь, марганец и цинк.

При введении в алюминий кремния, марганца, хрома и никеля в различных комбинациях можно получить сплавы специального назначения, а также предназначенные для литья, электрохимической обработки и обработки давлением.

Производство алюминия. Будущее алюминия было обеспечено в 1886 г., когда почти одновременно американец Чарлз Холл (1863-1914) и француз Поль Эру (1863-1914) разработали процесс его получения путем электролиза; процесс используется и поныне.

Чистый оксид алюминия растворяют в расплавленном минерале криолите, через раствор пропускают электрический ток. На катоде выделяется металлический алюминий, а на аноде-кислород. Спустя шесть лет после этого открытия стоимость алюминия упала до 1,3 долл, за 1 кг. В 1976 г. 1 кг алюминия стоил уже 0,88 долл.

Для получения 1 кг алюминия требуется около 13-18 кВт-ч энергии. Поэтому алюминиевая промышленность развивается в таких местах, где имеются источники снабжения заводов дешевой гидроэлектроэнергией. Однако алюминий настолько важен для техники, что большинство промышленно развитых стран создают собственную алюминиевую промышленность. Твердость алюминия повышают легированием и термообработкой (см. рисунок [5]).

В быстро охлажденном сплаве [А] атомы легирующего элемента равномерно распределены среди атомов алюминия. Сплав упрочняется при кратковременном нагреве-старении. При низкотемпературном старении [Б] атомы легирующего элемента образуют скопления (кластеры) и сплав становится твердым. При высокотемпературном старении появляются интерметаллические соединения [В]; напряжения снимаются и сплав становится мягче

Бокситы обычно добывают на открытых горных разработках и подвергают очистке. Они должны содержать не менее 32% оксида алюминия; сейчас содержание оксида алюминия достигает 45-55%. Самым распространенным процессом очистки бокситов является метод Байера [1]. При этом примеси из бокситов удаляются в виде красного шлама, что может привести к загрязнению окружающей среды. В красном шламе все еще содержится некоторое количество оксида алюминия в смеси с диоксидом кремния. Оксид алюминия из красного шлама, а также из руд с высоким содержанием диоксида кремния извлекают методом АЛКОА.

В 1973 г. АЛКОА объявила о новом методе, основанном на электролизе хлорида алюминия, при котором потребляется на 30% меньше электроэнергии, чем в процессе Холла-Эру. Изучается также карботермический процесс, по которому оксид алюминия восстанавливается углеродом.

Алюминий получают электролизом. Оксид алюминия, полученный из бокситов, растворяется в расплавленном криолите, через который с помощью двух угольных электродов пропускается постоянный ток. Алюминий чистотой 99,8% опускается на дно ванны. При необходимости алюминий можно дополнительно очистить от примесей.

1. Добыча бокситов. 2. Доставка бокситов на завод. 3. Склад боксита. 4. Мельница для измельчения бокситов. 5. Добавка извести и воды для образования пульпы. 6. Добавка соды. 7. Нагрев для растворения оксида алюминия (но не примесей). 8. Автоклав для выщелачивания. 9. Красный шлам, содержащий примеси. 10. Фильтр. 11. Первый отстойник. 12. Второй отстойник. 13. Печь для удаления влаги из гидроксида алюминия. 14. Холодильник. 15. Электролизер с футеровкой из угольных блоков. 16. Алюминий чистотой 99,8%. 17. Рафинировочный электролизер. 18. Алюминий чистотой 99,99%

Крупнейший потребитель алюминия- США. И хотя собственная добыча бокситов там невелика, выплавка металла достигает 66% мирового производства. Основные поставщики алюминиевых руд - Ямайка и Австралия. Из диаграммы видно, где и сколько добывается руды, производится и потребляется алюминия. Для выплавки 1 кг алюминия требуется 4 кг бокситов. Мировое производство алюминия составляет сейчас 26000 т/сут.

Многоцелевой металл. Уже в 1890-х гг. из алюминия делали кухонную посуду. Он использовался в качестве электрических проводов (впервые в 1897 г. для телефонной линии на чикагской скотобойне), для изготовления деталей морских судов и самолетов, технических и научных инструментов, консервных банок, красителей и пробок для бутылок.

В первую мировую войну немецкий специалист Альфред Вильм изобрел дуралюмин (дюраль)-сплав алюминия с небольшими добавками меди, магния и марганца, по механическим свойствам близкий конструкционной стали. Дуралюмин был первым из обширной серии алюминиевых сплавов, разработка которых существенно расширила возможности использования этого металла. В США в 1975 г. потребление алюминия и его сплавов составляло: в строительстве 26%, в транспорте, электротехнике и для изготовления сосудов и емкостей - по 15-16%.

Сейчас из алюминия делают оконные рамы; монеты; кастрюли и упаковочную фольгу; детали самолетов, автобусов и поездов; катализаторы нефтехимической промышленности; патроны аэрозолей ; гигантские резервуары для хранения жидкого газа [11]; консервные банки для пива и легкого вина; коррозионностойкую металлическую краску. Алюминий- сырье для алюмотермии - метода получения тугоплавких металлов. Он присутствует в жизни современных людей в таких количествах, как ни один другой металл.

Крупный сферический резервуар на АЭС - наглядный пример использования полезных свойств алюминия: резервуар легкий, его полированная поверхность отражает тепло, и он достаточно прочен, чтобы выдерживать высокое давление.

Полированный алюминий отражает значительно больше света, чем железо, и почти столько же, сколько серебро; алюминий почти идеальный материал для изготовления зеркал телескопов и других оптических приборов.

Сплав алюминия обладает пониженной коррозионной стойкостью. Чтобы ликвидировать этот недостаток, тонкие листы чистого алюминия приваривают под давлением во время прокатки к внешней поверхности листа сплава.

Алюминий-мягкий металл; его атомы образуют плотноупакованную кубическую кристаллическую решетку. У нее много плоскостей скольжения, что облегчает перемещение атомов по отношению друг к другу.