Конструкционные материалы

1. История открытия алюминия

Первые попытки получить алюминий только в середине XIX века. Попытка предпринятая датским учёным Х.К.Эрстедом увенчалась успехом. Для получения он использовал амальгированный калий в качестве восстановителя алюминия из оксида. Но что за металл был получен тогда выяснить так и не удалось. Через некоторое время, через два года, алюминий был получен немецким ученым-химиком Велером, который получил алюминий, используя нагревание безводного хлорида алюминия с металлическим калием.

 Многие годы труда немецкого ученого не прошли даром. За 20 лет он сумел приготовить гранулированный металл. Он оказался похожим на серебро, но был значительно легче его. Алюминий был очень дорогим металлом, и вплоть до начала XX века, его стоимость была выше стоимости золота. Поэтому многие-многие годы алюминий использовался как музейный экспонат.

 Около 1807 г. Дэви  попытался провести электролиз  глинозема, получил металл, который  был назван алюмиумом (Alumium) или алюминумом (Aluminum), что в переводе с латинского - квасцы.

 Получение алюминия  из глин интересовало не только  ученых-химиков, но и промышленников. Алюминий очень тяжело было  отделить от других веществ,  это способствовало тому, что  он был дороже золота.

В 1886 году химиком Ч.М. Холлом был предложен способ, который позволил получать металл в больших количествах. Проводя исследования, он в расплаве криолита AlF3•nNaF растворил оксид алюминия. Полученную смесь поместил в гранитный сосуд и пропустил через расплав постоянный электрический ток. Он был очень удивлен, когда через некоторое время на дне сосуда он обнаружил бляшки чистого алюминия. Этот способ и в настоящее время является основным для производства алюминия в промышленных масштабах. Полученный металл всем был хорош, кроме прочности, которая была необходима для промышленности. И эта проблема была решена. Немецкий химик Альфред Вильм сплавил алюминий с другими металлами: медью, марганцем и магнием. Получился сплав, который был значительно прочнее алюминия. В промышленных масштабах такой сплав был получен в немецком местечке Дюрене. Это произошло в 1911 году. Этот сплав был назван дюралюминием, в честь городка.

2. Руди алюминия, изготовление глинозёма, електроліз глинозёма,

рафінування алюмінію. Химические и физические властивості алюминия

2.1 Руды алюминия

Известно большое количество минералов и горных пород, содержащих алюминий, однако лишь немногие могут  быть использованы для промышленного  получения металла. Наибольшее распространение  в качестве алюминиевого сырья получили бокситы; кроме того, в качестве алюминиевых руд рассматриваются также алунитовые руды и нефелин-апатитовые руды. Потенциальное сырьё для извлечения алюминия — высокоглинозёмистые кианитовые (дистеновые), силлиманитовые и андалузитовые сланцы, высокоглинозёмистые каолинитовые глины и аргиллиты, а также лейциты (псевдолейциты — псевдоморфозы ортоклаза и нефелина по лейциту), анортозиты, лабрадориты, давсониты, алюмофосфаты, золы углей.

 

- Бокситы (от назв. местности Ле-Бо, Lex Baux ) — главная руда для извлечения глинозёма (AL2О3) и алюминия; используется в абразивной промышленности (электрокорунд), в чёрной металлургии (флюс при выплавке мартеновской стали), маложелезистые бокситы — для получения высокоглинозёмистых муллитизированных огнеупоров, быстротвердеющих глинозёмистых цементов и др. Бокситы — комплексное сырьё; они содержат Ga, а также Fe, Ti, Cr, Zr, Nb, редкоземельные элементыБокситы добывают открытым, реже подземным способами. Выбор технологической схемы переработки бокситов зависит от их состава. Производство алюминия из бокситов осуществляется в 2 стадии: на первой — химическими методами получают глинозём, на второй — из глинозёма путём электролиза в расплаве фтористых солей алюминия выделяют чистый металл. Крупными запасами бокситов обладает КНР, Австралия, Гвинея, Ямайка, Гайана, Суринам и СФРЮ, затем Гана, Гаити и Доминиканская Республика. Значительными запасами бокситов обладают также Бразилия, Греция, Индия, Турция, США, Франция.

 

Нефелин-апатитовые руды — второй после бокситов по промышленному значению вид алюминиевого сырья. Включают нефелиновые и нефелин-апатитовые руды. Промышленная ценность этих руд определяется концентрацией нефелина KNa3[AlSiO4]4, содержащего 29,0-35,7% Аl2О3; 42,4-48,0% SiO2 и 17,0-21,9% Na2О (оксид натрия на 10-20% может замещаться К2О). В качестве примесей могут присутствовать CaO, Ga2О5, V2О5, Fe2О3 и др. Добыча нефелиновых руд осуществляется в основном открытым способом. Нефелиновые руды (уртиты) и нефелиновые концентраты, полученные из апатито-нефелиновых руд, перерабатываются на глинозём методом спекания. Руда спекается с известняком во вращающихся печах при температуре 1250-1350°С. Спёк после дробления выщелачивается, в раствор переходят алюминаты натрия и калия. Алюминатный раствор карбонизируется для разложения алюминатов натрия и калия, при этом гидроксид алюминия выпадает в осадок, а сода и поташ остаются в растворе. Отфильтрованный и прокалённый гидроксид алюминия является товарным продуктом (глинозёмом)

Алунитовая руда — природное минеральное образование, состоящее в основном из алунита (30-55%), кварца, халцедона и опала (в сумме 40-50%), глинистых минералов (преимущественно каолинита) и в небольшом количестве окислов железа, ильменита, циркона и др. Добыча алунитовых руд обычно осуществляется открытым способом. Их переработка на глинозём производится по т.н. восстановительному способу. Вначале дроблённая и размолотая руда подвергается восстановительному обжигу в печах "кипящего слоя", затем перерабатывается по гидрохимической схеме. При этом алунит выщелачивается, алюминатный раствор выпаривается, выпавший в осадок гидрат окиси алюминия (глинозём) отделяется и кальцинируется.

2.2 Изготовление глинозёма

Найпоширеніший лужний спосіб виробництва глинозему А1 О_г

Він складається із таких операцій.

1 .Дроблення бокситу на дробарках з подальшим мокрим меленням у кульових млинах.

2.Вилужування бокситу  у водяному розчині лугу NaQB в автоклавах при температурі 230...250 °С, під тиском 2,5...5,0 МГЇа з метою отримання алюмінату натрію. Для нагрівання використовують водяну пару. В автоклаві відбуваються такі реакції:

І

2А1(ОН)₃ і 2 NaOH - Na₂0- АІ₂0₃ $ 4Н₂0, (1.4.1)

2АЮ(ОН) + 2 NaOH - Na_zO • АІ₂0₃ і 2Н₂0. (1.4.2)

Утворений під час  реакцій алюмінат натрію Na₂0 • АІ₂0₃ добре розчиняється у воді й переходить у розчин, а нерозчинні в лузі оксиди заліза й титану випадають в осад. Кремнезем Si0₂, що входить до складу бокситу, також розчиняється лугом з утворенням силікату натрію Na₂Si0₃, який реагує з алюмінатом натрію й водою, утворюючи n820 - А1₂0₃ * 2SiO_z - иН₂0, що теж випадає в осад. Тому зі збільшенням Si0₂ в бокситі зменшується частка глинозему, що потрапляє в розчин.

3.Відокремлення від  осаду водяного розчину алюмінату  натрію шляхом відстоювання і  подальшого фільтрування.

4.Розкладання (викручування) пересиченого водяного розчину алюмінату натрію в спеціальних апаратах, в яких під час повільного перемішування виділяється кристалічний АІ(ОН)_:

Na₃0 - Аї₂0₃ 4Н₂0 2NaOH + А1(ОН)₃. (1.4.3)

Під час розкладання, яке триває 75...90 год, в осад випадає гідроксид алюмінію А1(ОН)₃.

5.Вилучення з розчину кристалів АІ(ОН)₃ в гідроциклонах і вакуум-фільтрах.

6.Зневоднювання гідроксиду алюмінію в циліндричних обертових печах, І поступово його нагріваючи до температури 1200 °С:

2АI (ОН)₃ = Аі₂0₃ + ЗН₂0.

2.3 Електроліз глинозёма

Матеріалами для виробництва алюмінію є глинозем, кріоліт і вугляні аноди. Панна для електролізу глинозему складається зі сталевого кожуха 2 (рисунок. 1), Укладеного футеровкою //із шамотної цегли, вугляних стін 5, вугляного Йоду /, до якого підведені катодні шини 12. Бічні вугляні стіни разом з подом утворюють ванну глибиною 400,..600 мм. У ванні перебуває глинозем, кріоліт 1 рідкий алюміній. Розташований угорі анод б являє собою напіврідку масу 7 й алюмінієвому кожусі 10, яка складається з меленого коксу або вугілля і Кім'яповугляної смоли. Ця маса, починаючи знизу, поступово спікається та Коксується. До штирів 9 аноду підведені шини 8.     

Рисунок 1.  Схема будови ванни для електролізу глинозему: 1 - під; 2 - кожух; 3 — стіна; 4 - оболонка; 5—глинозем; 6—анод;

7 - анодна маса; 8,12 - шина; 9  штир; 10-кожух анодної миси; 11-футеровка

 

 Ванну завантажують глиноземом А1₂0₃ кількістю 8... 10 % і кріолітом 3NaF-¹ AlF Робоча напруга на затискачах ванни 4,0\..4,5 В. Електричний струм нагріває електроліт до 950...970 °С, розтоплює його та підгримує електроліз. На боках ванни та верхній її частині утворюється тверда оболонка 4 з Електроліту, яка зменшує тепловіддачу та його випаровування. Виділений Проміжній внаслідок більшої густини порівняно з електролітом збирається на дні ванни. Коли кількість глинозему зменшується до 1,2 %, напруга підвищується від 5 до 30 В (анодний ефект). Завантаження нової порції глинозему 5 припиняє це явище.

Під час електролізу глинозем дисоціює за такою спрощеною схемою:

А1₂0₃     2А1⁺⁺⁺ + ЗО

Катіон алюмінію А1⁺⁺⁺ розряджається на катоді, а аніон кисню О— на аноді Кисень оксидує вуглець аноду до СO і СО₂ В міру оксидації анод поступово  опускається у ванну.

Для виробництва 1 т алюмінію витрачається близько 18 МВт-год електроенергії до 0,7 ь анодної маси. Рідкий алюміній раз в кожних 3…4 доби вибирають сифоном. Він містить домішки металів ( Fe, Si, Zn) гази (О₂ Н₂ СО і СО₂) та неметалеві включення ( Al₂ O₃ , C ) через що такий алюміній рафінують.

2.3 Рафінування алюмінію 

Розрізняють два види рафінування алюмінію: продування рідкого металу хлором і електролітичне рафінування.

Рафінування хлором очищує від неметалевих і газоподібних домішок. Воно полягає у продуванні хлором алюмінію при температурі 700...750 °С в закритому ковші, протягом 10... 15 хв. Під час цього утворюється газ А1С1₃, який, адсорбуючись на неметалевих частинках, виштовхує їх на поверхню металу. Хлор захоплює також розчинені в металі гази. Витрата хлору; становить 0,1 % від маси металу, а втрата алюмінію — близько 1 %. Після рафінування чистота первинного алюмінію досягає 99,85 %. Металеві домішки можна вилучити з алюмінію тільки електролітичним способом.

Електролітичним рафінуванням отримують алюміній високої чистоти (99,99 %). Алюміній рафінують у електролізній ванні, вугляний під якої є анодом. У верхній частині ванни розташований вугляний катод. Ванна наповнена розтопом, в якому розрізняють три шари:

- нижній анодний густиною до 3500 кг/м³;

- середній (електроліт) густиною близько 2500 кг/м³;

- верхній катодний — це рафінований алюміній густиною 2400 кг/м³. Температура розтопу підтримується в межах 750...800 °С. В анодному

шарі крім алюмінію, що підлягає рафінуванню, є близько 25 % міді, яку додають для збільшення густини. Електроліт складається з  хлориду барію ВаС1₂ та інших солей. В електричному полі алюміній нижнього шару тратить електрони й утворює катіони Аl⁺⁺, що рухаються у напрямку верхнього катодного шару, де вони розряджаються. Внаслідок цього над електролітом нагромаджується рафінований алюміній, який періодично вибирають. Домішки інших металів осідають на дно анодного шару, звідки їх також вибирають. З рафінованого алюмінію отримують злитки.

 

2. Фізичні та хімічні властивості алюмінію

 

 

 

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.