Алюминий. Свойства, месторождения, получение металла и использование в практических целях
Общее определение, история получения, технологические свойства алюминия, его коррозийная стойкость. Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов. Электротермическое получение алюминиево-кремниевых сплавов. Применение алюминия в практических целях.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 09.07.2013 |
| Размер файла | 6,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)
Геологический факультет
Кафедра региональной и морской геологии
КУРСОВАЯ РАБОТА
Алюминий. Свойства, месторождения, получение металла и использование в практических целях
Работу выполнил Тареев Д.П.
Факультет геологический, группа 18
Специальность 130102.65 Технология геологической разведки
Научный руководитель д.г-м.н. профессор кафедры
региональной и морской геологии Ю.В. Ефремов
Нормоконтролёр, к.г-м.н. доцент, кафедры
региональной и морской геологии О.Л.Донцова
Краснодар 2013
СОДЕРЖАНИЕ
- Введение
- 1. АЛЮМИНИЙ - ВАЖНЫЙ МЕТАЛЛ НА ЗЕМЛЕ
- 1.1 Общее определение алюминия
- 1.2 История получения алюминия
- 2. СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
- 2.1 Технологические свойства алюминия
- 2.2 Коррозийная стойкость алюминия
- 2.3 Алюминиевые сплавы
- 3. МЕСТОРОЖДЕНИЯ
- 4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
- 4.1 Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов
- 4.2 Электротермическое получение алюминиево-кремниевых сплавов
- 4.3 Субгалогенидный процесс
- 4.4 Тот-процесс
- 4.5 Получение вторичного алюминия
- 5. ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ В ПРАКТИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- Список используемой литературы
Введение
В данной работе показано получение, применение, и свойства алюминия, которые определили особое положение в нашей жизни.
Актуальность данной темы несомненна. Ведь алюминий и его сплавы играют важную роль в современной промышленности. Это обусловлено тем, что большинство промышленных сплавов алюминия обладает рядом уникальных свойств: сочетание высоких механических и физических свойств.
Объектом исследования выступает алюминий. Предметом исследования являются научные открытия связанные с алюминием в областях геологии, химии и прочих.
Целью данной курсовой работы является исследование такого важного металла, как алюминий.
Для достижения цели были определены следующие задачи исследования:
1. Рассмотреть основные химические и физические свойства алюминия
2. Доказать важность такого металла, как алюминий
3. Описать производство и применение данного металла
Метод исследования: описание, анализ алюминия.
Структура курсовой работы состоит из оглавления, введения, пяти глав, заключения и литературного списка.
1. АЛЮМИНИЙ - ВАЖНЫЙ МЕТАЛЛ НА ЗЕМЛЕ
Алюминий -- самый распространенный на земле металл. Запасы его в два раза превышают запасы железа. Соединения алюминия встречаются повсюду, но металл настолько тщательно маскируется, что о его присутствии в горных породах и минералах догадаться нелегко. Трудно предположить, что алюминий содержится даже в обычной буро-рыжей глине. Еще больше его в белой (каолине) и особенно в бокситовой глине (бокситах). Металл находится в этих осадочных породах в виде оксида алюминия -- глинозема. Из глинозема состоит очень твердый минерал -- корунд. С непрозрачным мелкозернистым корундом в быту приходится встречаться довольно часто: ведь он применяется в качестве абразивного материала для точильных камней и шлифовальных шкурок.[3].
Размещено на http://www.allbest.ru/
Соединения алюминия входят в состав квасцов -- минеральной породы, применявшейся древними греками еще в V веке до н. э. для закрепления красителей на тканях. Поскольку квасцы надежно и прочно связывали красители с тканью, этот минерал называли «алюменом», то есть «вяжущим». Впоследствии, когда был открыт металл, скрывающийся в квасцах, его первоначально называли «алюменом», затем «алюмнием» и, наконец, «алюминием». Почему же, находясь буквально под ногами, так долго скрывал себя от человеческих глаз такой ценный универсальный металл? Во-первых, он не встречается в самородном виде, как золото или серебро; во-вторых, его нельзя выплавить из руды, как, скажем, медь или олово. Его можно получить только с помощью сложных химических реакций и электролитическим способом.[1]
1.1 Общее определение алюминия
Алюминий (лат.Aluminium, от alumen - квасцы). Серебристо-белый металл, легкий, пластичный, с высокой электропроводностью, t(плавления) = 660,4 °С. Химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой). По распространенности в природе занимает 3-е место среди химических элементов и 1-е среди металлов (8,8% от массы земной коры). По электропроводности алюминий - на 4-м месте, уступая лишь серебру (оно на первом месте), меди и золоту, что при дешевизне алюминия имеет огромное практическое значение. Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых. Его плотность равна всего 2,7*103кг/м3. Алюминий имеет решётку гранецентрированного куба, устойчив при температурах от - 269 °С до точки плавления (660,4 °С). Теплопроводность составляет при 24°С 2,37 Вт*см-1*К-1. Электросопротивление алюминия высокой чистоты (99,99%) при 20°С составляет 2,6548*10-8 Ом*м, или 65% электросопротивления международного эталона из отожжённой меди. Отражательная способность полированной поверхности составляет более 90%.[4]
1.2 История получения алюминия
Документально зафиксированное открытие алюминия произошло в 1825. Впервые этот металл получил датский физик Ганс Христиан Эрстед, когда выделил его при действии амальгамы калия на безводный хлорид алюминия (полученный при пропускании хлора через раскаленную смесь оксида алюминия с углем). Отогнав ртуть, Эрстед получил алюминий, правда, загрязненный примесями. В 1827 немецкий химик Фридрих Вёлер получил алюминий в виде порошка восстановлением гексафторалюмината калием. Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарльзом Мартином Холлом. (С 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, а за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28000т. этого металла) Алюминий чистотой свыше 99,99% впервые был получен электролизом в 1920г. В 1925 г. в работе Эдвардса опубликованы некоторые сведения о физических и механических свойствах такого алюминия. В 1938г. Тэйлор, Уиллей, Смит и Эдвардс опубликовали статью, в которой приведены некоторые свойства алюминия чистотой 99,996%, полученного во Франции также электролизом. Первое издание монографии о свойствах алюминия вышло в свет в 1967г. Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978г. в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий - в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий. Предполагают, что металлический алюминий может образоваться конденсацией из газа. При сильном повышении температуры галогениды алюминия разлагаются, переходя в состояние с низшей валентностью металла, например, AlCl. Когда при понижении температуры и отсутствии кислорода такое соединение конденсируется, в твердой фазе происходит реакция диспропорционирования: часть атомов алюминия окисляется и переходит в привычное трехвалентное состояние, а часть - восстанавливается. Восстановиться же одновалентный алюминий может только до металла: 3AlCl > 2Al + AlCl3. В пользу этого предположения говорит и нитевидная форма кристаллов самородного алюминия. Обычно кристаллы такого строения образуются вследствие быстрого роста из газовой фазы. Вероятно, микроскопические самородки алюминия в лунном грунте образовались аналогичным способом.[1]
2. СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
2.1 Технологические свойства алюминия
Алюминий -- металл серебристо-белого цвета. Он очень легок (плотность 2,7*103 кг/м3), мягок, имеет сравнительно невысокую температуру плавления -- 660,4 °С. Среди всех металлов, производимых в мире, он занимает по количеству второе место после железа и первое среди цветных металлов. Он растворяется в крепких растворах щелочей, довольно устойчив к воздействию кислот благодаря образованию на его поверхности защитной пленки. Измельченный алюминий горит на воздухе.
У алюминия высокая теплопроводность и электропроводность. Лишь только три металла -- золото, серебро и медь -- имеют более высокие показатели. Алюминий отличается также высокой пластичностью, позволяющей прокатывать его в тончайшую фольгу. Вместе с тем он имеет низкую прочность: слиток из чистого алюминия можно свободно строгать ножом. Сплавы алюминия, отличающиеся более высокой прочностью, находят широкое применение в самых различных областях человеческой деятельности.
Один из распространенных теперь сплавов был получен в промышленных масштабах в 1911 году в немецком городе Дюрене. Новый сплав, названный в честь города дюралюминием, вскоре стал известен во всем мире. Дюралюминий (дуралюминий, дюраль) содержит 4,5% меди, до 1% магния и 0,5% марганца. После закалки и выдержки он становится очень прочным, не теряя при этом своей легкости. Появление дюралюминия сразу привлекло внимание авиаконструкторов. Уже во втором десятилетии нашего века появились самолеты, в которых дюралюминий был основным конструктивным материалом. Став значительно прочнее, чем алюминий, дюралюминий потерял одно из ценнейших его свойств -- антикоррозийную стойкость. Поэтому снова пришлось призвать на помощь чистый алюминий. Готовые детали стали плакировать, то есть покрывать тонким слоем чистого алюминия.
Впоследствии на основе алюминия было получено множество сплавов, отвечающих самым различным техническим требованиям. Так были созданы сплавы алюминия-силумины, содержащие от 3 до 26% кремния. Они обладают меньшей прочностью по сравнению с дюралюминием, но имеет более высокую коррозийную стойкость. Основное достоинство силуминов -- высокие литейные свойства. Из них отливают тонкостенные детали сложной конфигурации, корпуса, картеры, детали различных приборов. Эти сплавы получили широкое распространение в авиации, вагоностроении, машиностроении и автомобилестроении.[4]
2.2 Коррозийная стойкость алюминия
Тончайшая пленка, которая возникает на его поверхности, служит надежной защитой от разрушения. В силу своей относительной молодости этот металл не мог быть проверенным веками и тысячелетиями, но многие десятки лет строительное конструкции и скульптура из алюминия, находившаяся на открытом воздухе, подтвердили высокую коррозийную стойкость металла. До сих пор сохранилась скульптура «Эрос» А. Жильберта, установленная на куполе одного из зданий в Лондоне в 1893 году. Без малого столетие поливают ее дожди, окутывают знаменитые лондонские туманы, насыщенные вредными газами фабрик и заводов. В хорошем состоянии находится кровля из листового алюминия на одной из церквей Рима, сделанная в 80-х годах прошлого века. Из архитектурных сооружений известен алюминиевый мост, построенный в 1882 году в американском городе Питсбурге. После небольшой реконструкции мост продолжает успешно выполнять свое назначение и поныне.
Приведенные примеры позволяют надеяться, что различные архитектурные сооружения, а также скульптура, созданная в наше время, будут жить многие годы. Недаром алюминий, а точнее его сплавы, обладающие более высокой прочностью и коррозийной стойкостью, пользуются все большей популярностью у архитекторов и скульпторов. Но чаще всего из алюминия и его сплавов отливаются скульптуры и декоративные пластические формы, находящиеся в композиционном единстве с архитектурным сооружением.
Кроме высокой стойкости, алюминий отличается высокой декоративностью благодаря возникающей со временем на его поверхности красивой патине. Кроме того, камень или бетон зданий и постаментов, украшенных алюминиевым декором, не портится потеками окислов, как, например, от медных сплавов. Ко всему этому следует прибавить высокие литейные качества алюминия, технологичность при выколотке полых скульптурных форм, простоту монтажа благодаря легкости, мягкости и пластичности металла.[4]
2.3 Алюминиевые сплавы
Часто добавляют разные химические элементы для улучшения свойств алюминия.
Большинство металлических элементов сплавляются с алюминием, но только некоторые из них играют роль основных легирующих компонентов в промышленных алюминиевых сплавах. Тем не менее значительное число элементов используют в качестве добавок для улучшения свойств сплавов. Наиболее широко применяются:
1) Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных
температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01 - 0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).
2) Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095 - 0,1%.
3) Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.
4) Железо. В малых количествах (»0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.
5) Кадмий.Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.
6) Кальций придаёт пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.
7) Магний. Добавка магния значительно повышает прочность без снижения пластичности, повышает свариваемость и увеличивает коррозионную стойкость сплава.
8) Медь упрочняет сплавы, максимальное упрочнение достигается при содержании меди 4 - 6%. Сплавы с медью используются в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания, высококачественных литых деталей летательных аппаратов.
9) Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всём объёме.
Хотя алюминий считается одним из наименее благородных промышленных металлов, он достаточно устойчив во многих окислительных средах. Причиной такого поведения является наличие непрерывной окисной плёнки на поверхности алюминия, которая немедленно образуется вновь на зачищенных участках при воздействии кислорода, воды и других окислителей.
Промышленный алюминий выпускается в виде двух видов сплавов - литейных, детали из которых изготавливаются литьём, и деформационные - сплавы, выпускаемые в виде деформируемых полуфабрикатов - листов, фольги, плит, профилей, проволоки. Отливки из алюминиевых сплавов получают всеми возможными способами литья. Наиболее распространено литьё под давлением, в кокиль и в песчано - глинистые формы. При изготовлении небольших партий применяется литьё в гипсовые комбинированные формы и литьё по выплавляемым моделям. Из литейных сплавов изготавливают литые роторы электромоторов, литые детали летательных аппаратов и др. Деформируемые сплавы используются в автомобильном производстве для внутренней отделки, бамперов, панелей кузовов и деталей интерьера; в строительстве как отделочный материал; в летательных аппаратах и других.[1]
3. МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Россия является единственной страной в мире, где для производства алюминия в качестве сырья используют не только бокситы, но и нефелиновые руды, из которых производится примерно 40% российского металла.Россия обладает примерно 4% мировых прогнозных ресурсов бокситов, они составляют 743 млн т. Крупные месторождения бокситов находятся на Урале, в Тихвинском районе Ленинградской области, в Алтайском и Красноярском краях. Почти три четверти общего количества ресурсов приходится на ресурсы высоких категорий, локализованы они в пределах Среднетиманского и Южно-Тиманскогобокситоносных районов в Республике Коми, а также в Белгородской области и Ямало-Ненецком автономном округе. Ресурсы других категорий сосредоточены на территории Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов.
Бокситы российских месторождений по качественным характеристикам значительно уступают зарубежным: они в основном средне- и низкосортные, с кремневым модулем и требуют значительных затрат энергии для переработки в глинозём. Государственным балансом запасов РФ учитывается 57 месторождений бокситов, в том числе 19 - только с забалансовыми запасами.(Рис.2,3.)
В распределённом фонде недр находится 18 объектов с наиболее качественными рудами, за исключением крупного Висловского месторождения в Белгородской области, которое не востребовано недропользователями из-за большой глубины залегания руд (500-600 м), исключающей возможность отработки открытым способом.
В 2007 г. подготавливались к освоению восемь месторождений бокситов, в том числе четыре крупных: Верхнещугорское, Восточное и две залежи Вежаю-Ворыквинского месторождения (Верхневорыквинская и Западная) в Республике Коми. Иксинское месторождение в Архангельской области.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Кроме бокситов, для производства глинозёма в России используется также и более низкокачественное алюминиевое сырьё - нефелиновые руды (уртиты) и нефелиновые концентраты из хвостов флотации апатит-нефелиновых руд. алансовые запасы нефелиновых руд России огромны, поэтому их прогнозные ресурсы не подсчитываются.
Государственным балансом запасов РФ учтено 16 месторождений нефелиновых руд, из них четыре - только с забалансовыми запасами. В распределённом фонде находятся девять месторождений: восемь апатит-нефелиновых (Хибинская группа) в Мурманской области, шесть из которых отрабатываются для получения апатитовых концентратов с попутным извлечением нефелинового концентрата, и Кия-Шалтырское месторождение уртитов в Кемеровской области, содержащее богатые руды, не требующие обогащения.(Рис.3)
В нераспределённом фонде недр находятся крупные месторождения: Горячегорское тералито-сиенитовое в Красноярском крае (его руды требуют обогащения для переработки в глинозём) и Баянкольское ийолит-уртитовое в РеспубликеТыва.[6]
Размещено на http://www.allbest.ru/
4. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
Алюминий повсюду - двести пятьдесят минералов содержат его. Но не из всякого минерала, не из всякой глины выгодно его добывать. Если одна десятая часть глины - алюминий, то возиться не стоит. Слишком дорого его освобождать. А вот если из двух килограммов глины можно добыть килограмм соединенного с кислородом алюминия - это другое дело. Такие глины (иногда и камни), богатые алюминием, есть. И у нас в стране их много. Они называются БОКСИТЫ
Из бокситов надо прежде всего извлечь окись алюминия. У окиси алюминия есть еще и другое название - ГЛИНОЗЕМ.
Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и 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.
Но добыть глинозем - это только полдела. Чтобы получить алюминий, надо еще выгнать из глинозема кислород. Для этого высыпают в сделанные из графита ванны расплав глинозема и пропускают сквозь него сильный электрический ток. Тока нужно очень много. Поэтому заводы для получения алюминия строят всегда около мощных электростанций.
В чистом виде алюминий не встречается вследствие своей высокой химической активности. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием - алюмосиликатов[3].
алюминий сплав электролиз
4.1 Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов
Электролиз криолитоглиноземных расплавов является основным способом получения алюминия, хотя некоторое количество алюминиевых сплавов получается электротермическим способом.
Первые промышленные электролизеры были на силу тока до 0,6 кА и за последующие 100 лет она возросла до 300 кА. Тем не менее, это не внесло существенных изменений в основы производственного процесса.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Общая схема производства алюминия представлена на рис.5. Основным агрегатом является электролизер. Электролит представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фторида алюминия, в котором растворен глинозем. Процесс ведут при переменных концентрациях глинозема приблизительно от 1 до 8 % (масс.). Сверху в ванну опущен угольный анод, частично погруженный в электролит. Существуют два основных типа расходуемых анодов: самообжигающиеся и предварительно обожженные. Первые используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего - пека. Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего.
Расплавленный алюминий при температуре электролиза (950-960°С) тяжелее электролита и находится на подине электролизера. Криолитоглиноземные расплавы - очень агрессивны, противостоять которым могут углеродистые и некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера.
Для преобразования переменного тока в постоянный на современных заводах применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные в кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один выпрямительный агрегат дает
ток силой до 63 кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, так как все они включены параллельно.
Процесс, протекающий в электролизере, состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите. На жидком алюминиевом катоде выделяется алюминий, который периодически выливается с помощью вакуум-ковша и направляется в литейное отделение на разливку или миксер, где в зависимости от дальнейшего назначения металла готовятся сплавы с кремнием, магнием, марганцем, медью или проводится рафинирование. На аноде происходит окисление выделяющимся кислородом углерода. Отходящий анодный газ представляет собой смесь СО2 и СО.
Электролизеры обычно снабжены укрытиями, отводящими отходящие газы, и системой очистки. Это снижает выделение вредных веществ в атмосферу. Технологический процесс требует, чтобы укрытие было герметично для обеспечения отсоса газа в коллектор с помощью вентиляторов. В удаляемых газах от электролизеров преобладают диоксид углерода (большая часть оксида углерода дожигается либо над электролитом, либо в специальных горелках после газосборного колокола), азот, кислород, газообразные и твердые фториды и частицы глиноземной пыли. Для их удаления и возвращения в процесс применяются различные технологические схемы.
Современные электролизеры оборудованы системой автоматического питания глиноземом (АПГ) с периодом загрузки 10-30 мин.
Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением
Таким образом, теоретически на процесс электролиза расходуются глинозем и углерод анода, а также электроэнергия, необходимая не только для осуществления электролитического процесса - разложения глинозема, но и для поддержания высокой рабочей температуры. Практически расходуется и некоторое количество фтористых солей, которые испаряются и впитываются в футеровку. В таблице 1 показано что нужно для получения 1 т алюминия.
Таблица 1
Для получения 1тонны алюминия требуется:
(по Дж.Е. Хэтчу 1989)
|
глинозема |
1925 - 1930 кг |
|
|
углерода анода |
500 - 600 кг |
|
|
фтористых солей |
50 - 700 кг |
|
|
электроэнергии (в переменном токе) |
14500 - 17500 кВт-ч |
Производство алюминия является одним из самых энергоемких процессов, поэтому алюминиевые заводы строят вблизи источников энергии. Все материалы, поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей более электроположительных, чем алюминий (железо, количество примесей более электроположительных, чем алюминий (железо, кремний, медь и др.), так как эти примеси при электролизе практически полностью переходят в металл.
Промышленный способ получения алюминия электролизом криолитоглиноземных расплавов, несмотря на длительное его применение, имеет ряд существенных недостатков: высокий удельный расход электроэнергии, низкие удельный съем металла и срок службы электролизеров, большие трудовые и капитальные затраты, выделение вредных веществ в атмосферу и ряд других. В связи с этим предлагаются другие способы получения алюминия.[2]
4.2 Электротермическое получение алюминиево-кремниевых сплавов
Получить чистый алюминий непосредственным восстановлением его оксида невозможно. Карботермические процессы требуют высоких температур (около 2000°С) для восстановления глинозема и при отсутствии сплавообразующих компонентов металл связывается с углеродом, давая карбид алюминия (А14С3).Выпустить такую массу из печи обычно не представляется возможным. Даже если это и удается сделать, потребуются большие затраты на разделение.
Общая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов представлена на рис.6.
В нашей стране впервые в мире разработан и осуществлен в промышленном масштабе с достаточно высокими технико-экономическими показателями способ получения силикоалюминия (алюминиево-кремниевых сплавов).
Сплав после электроплавки поступает на очистку от неметаллических примесей. Для этого подают флюс, состоящий из смеси криолита и хлорида натрия, который смачивает эти примеси и "собирает" их. Рафинированный силикоалюминий имеет средний состав (%): А1 - 61; Si - 36; Fe - 1,7; Ti - 0,6; Zr - 0,5; Ca - 0,7. Этот сплав не годится для производства силумина и требует очистки от железа. Наиболее распространен способ очистки марганцем, который образует с железом тугоплавкие интерметаллиды.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Полученный сплав разбавляют техническим электролитическим алюминием или вторичным алюминием до состава, отвечающего различным сортам силуминов, и разливают в слитки.
Преимущества такого способа получения силумина перед сплавлением электролитического алюминия с кристаллическим кремнием состоят в следующем: большая мощность единичного агрегата - современные печи имеют мощность 22,5 MB*A, что примерно в 30 раз выше мощности электролизера на 160 кА, а, следовательно, уменьшение грузопотоков, снижение капитальных затрат и затрат труда; применение сырья с низким кремниевым модулем, запасы которого в природе достаточно велики.
Теоретически из алюминиево-кремниевого сплава можно выделить различными приемами чистый алюминий. Однако из-за сложности аппаратурного и технологического оформления в промышленности эти способы в настоящее время не реализуются.[2]
4.3 Субгалогенидный процесс
Известно, что если нагреть смесь галогенида и загрязненного алюминия, то при понижении температуры выделяется чистый алюминий. Это открытие вызвало интерес к системам алюминий - галогенид алюминия. Было определено, что металлический алюминий реагирует с А1Х3 (где X - галоген) при высокой температуре, образуя субгалогенид алюминия:
Поскольку субгалогенид алюминия является газообразным продуктом, равновесие смещается влево при понижении температуры. Например, А1С1(Г) можно получить из А1 и А1С13 в реакционной зоне при относительно высоких температурах, а затем перенести в парообразном состоянии в более холодную зону, где он диспропорционирует на чистый алюминий и хлорид алюминия. Константа равновесия для системы А1 - А1С13 выше, чем для системы А1 -- A1F3, и поэтому хлоридная система может быть использована для промышленных процессов. Температура образования субхлорида около 1300°С при атмосферном давлении. Этот процесс особенно привлекателен для выделения алюминия из сплавов, так как галогенид алюминия взаимодействует с алюминием и практически не взаимодействует с большинством других металлов. Трудности возникают только с некоторыми летучими галогенидами, такими как FeCl3, МпС12, и некоторыми другими. Они могут образовывать смеси с А1С13 и загрязнять получаемый алюминий.
Фирмой "Alcan" разработана технология, включающая пять стадий:
1) Производство сырого сплава, например железо-кремниево-алюминиевого, в печи карботермическим восстановлением.
2) Взаимодействие между А1 и AJC1, в конвертере при температуре 1300 °С.
3) Разделение парообразных галогенидов и субгалогенида вректификационных колоннах.
4) Возврат AICI, для реакции между хлоридом и жидким сплавом, богатым алюминием.
5) Разложение А1С1, получение алюминия и возврат А1С13 на ректификацию.
Субхлоридный метод представляет наибольший интерес для промышленного рафинирования алюминиевых сплавов.[2]
4.4 Тот-процесс
Схема получения алюминия по способу Тота представлена на рис.7. Алюмосодержащее сырье после соответствующей подготовки хлорируют в кипящем слое в присутствии кокса и SiCl4. Последний используется для подавления реакции хлорирования SiO2. В результате хлорирования в печах кипящего слоя (КС) получается парогазовая смесь (ПГС), в состав которой входят А1С13, FeCl3, TiCl4 и SiCl4. В первом конденсаторе из ПГС выделяется около 75 % FeCl3 в твердом состоянии и направляется в реактор-окислитель, где взаимодействует с кислородом воздуха, в результате чего образуются Fe2O3 и С12. Хлор возвращается на хлорирование. Во втором конденсаторе выделяется оставшийся FeCl3 и происходит конденсация А1С13. Хлориды титана и кремния конденсируются в третьем конденсаторе. Разделение этих хлоридов осуществляется в ректификационной колонне
Хлориды алюминия и железа, выгруженные из второго конденсатора, нагреваются, перекачиваются в контактный очиститель, где контактируют в противотоке с подвижным слоем твердых частиц алюминия. При этом идет реакция:
Очищенный хлорид алюминия поступает на металлотермическое восстановление. Технически доступными восстановителями, имеющими большее сродство к хлору, чем алюминий, являются натрий, магний и марганец. Однако первые два элемента дороги и их производство весьма энергоемко. Поэтому, по мнению разработчиков процесса, определенные преимущества имеет использование марганца, который можно регенерировать из хлорида карботермическим методом со значительно меньшимиэнергозатратами. При восстановлении хлорида алюминия марганцем протекают реакции:
Алюминий из смеси МпС12 с непрореагировавшим А1С13, выделяется в циклонных сепараторах, а хлориды марганца и алюминия разделяются в выпарном аппарате. Хлорид алюминия возвращается в реактор для получения алюминия, а хлорид марганца взаимодействует с кислородом с образованием твердых оксидов марганца и хлора. Оксид марганца восстанавливается до металла карботермическим методом в шахтных печах, куда загружают кокс и известняк. Марганец в печь добавляется для восполнения потерь его в ходе процесса.
Размещено на http://www.allbest.ru/
К недостаткам данного процесса, как и других металлотермических методов, относятся загрязнение получаемого продукта металлом-восстановителем, необходимость организации производства по регенерации восстановителя и увлечение капитальных затрат.
Исследовательские работы по получению алюминия путем восстановления марганцем в лабораторном и укрупненном масштабах были выполнены в 1966 - 1973гг. В последующем в литературе не было сообщений о промышленном развитии данного направления, что, видимо, обусловлено значительными трудностями по технической реализации этого сложного многоэтапного процесса.[2]
4.5 Получение вторичного алюминия
Переработка вторичного сырья и отходов производства является экономически выгодной. Получаемыми при этом вторичными сплавами удовлетворяется около 25% общей потребности в алюминии.
Важнейшей областью применения вторичных сплавов является производство алюминиевого фасонного литья.
Безупречное приготовление алюминиевого скрапа в самых разнообразных пропорциях можно осуществлять только на специально оборудованных плавильных заводах.
Отходы переплавляют после грубой предварительной сортировки. Содержащиеся в этих отходах железо, никель или медь, точка плавления которых выше точки плавления алюминия, при плавке в плавильной пороговой печи остаются в ней, а алюминий выплавляется. Для удаления из отходов неметаллических включений типа окислов, нитридов, карбидов или газов применяют обработку расплавленного металла солями или (что рациональней) продувку газом -- хлором или азотом.
Для удаления металлических примесей из расплава известны различные методы, например присадка магния и вакуумирование -- метод Бекша; присадка цинка или ртути с последующим вакуумированием -- субгалогенный метод. Удаление магния ограничивается введением в расплавленный металл хлора. Путем введения добавок, точно определяемых составом расплава, получают заданный литейный сплав.
Производство и потребление алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.[2]
5. ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ В ПРАКТИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ
В настоящее время алюминий и его сплавы применяют во многих областях промышленности и техники. Прежде всего алюминий и его сплавы используют авиационная и автомобильная отрасли промышленности. Широко применяется алюминий и в других отраслях промышленности: в машиностроении, электротехнической промышленности и приборостроении, промышленном и гражданском строительстве, химической промышленности, производстве предметов народного потребления.
1)В авиапромышленности алюминий стал главным металлом благодаря тому, что его использование позволило решить задачу уменьшения массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.
2)В электротехнической промышленности алюминий и его сплавы применяют для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении он используется при производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов.
3)Алюминий начали широко применять при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов благодаря его высокой коррозионной стойкости и нетоксичности.
4)Алюминиевая фольга стала очень распространенным упаковочным материалом, так как она гораздо прочнее и дешевле оловянной. Также алюминий стал широко использоваться для изготовления тары для консервирования и храпения продуктов сельского хозяйства. Но хранение не ограничивается маленькими баночками, алюминий используется для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений, востребованных в сельском хозяйстве.
5)В военной промышленности алюминий применяется в военной промышленности при строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, и для многих других целей в военной технике.
6)Широкое применение алюминий высокой чистоты находит в таких новых областях техники как ядерная энергетика, полупроводниковая электроника, радиолокация.
8)Широко используется еще одно полезное свойство алюминия - его высокая отражающая способность. Поэтому из него изготавливаются различные отражающие поверхности нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал.
9)В металлургической промышленности алюминий используют в металлургической промышленности в качестве восстановителя при получении ряда металлов, таких как хром, кальций, марганец. Он также используется для раскисления стали и сварки стальных деталей.
10)Не обойтись без алюминия и его сплавов сплавы в промышленном и гражданском строительстве. Он используется для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и другие.
11)Судостроение. Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование.
12)Железнодорожный транспорт. Алюминий и его сплавы используются при изготовлении кузова и рамы вагона. Для вагона рекомендованы свариваемые сплавы средней прочности. Перспективными сплавами для рефрижераторных вагонов являются алюминиевые сплавы. В зависимости от продуктов химической промышленности выбирается марка свариваемого материала для котлов цистерны.
13)Автомобильный транспорт. При изготовлении элементов каркаса, обшивки кузова полуприцепа автофургона, рефрижератора, скотовоза и т.п. перспективным материалом являются алюминиевые прессованные профилии листы
15)Нефтяная и химическая промышленность. Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов позволяет уменьшить массу бурильного оборудования, облегчить их транспортабельность и обеспечить прохождение глубоких скважин. Коррозионно-стойкие алюминиевые сплавы дают возможность повысить эксплуатационную надежность бурильных, насосно-компрессорных и нефтегазопроводных труб. Повышенная сопротивляемость коррозионному растрескиванию позволяет применить алюминиевые сплавы при изготовлении емкостей для хранения нефти и ее продуктов.[1]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Цель данной курсовой работы заключалось в том, чтобы исследовать такой важный металл, как алюминий. Поставленная цель достигнута - рассмотрены химические и физические свойства металла, а так же главные месторождения страны.
Не смотря на множество способовполучения алюминия, в работе рассмотрены только самые важные. Рассмотрено большинство сплавов алюминия.
Человечество до сих пор не может найти алюминию достойную замену, так как ни один металл не может предложить сразу такое большое количество полезных свойств, алюминий обладает высокой пластичностью, он легок, у него высокая тепло- и электропроводность.
Все поставленные задачи выполнены.
На основе проделанной работы можно подвести итог, что алюминий действительно очень важный металл, без которого в нынешнее время не обойтись.
Список используемой литературы:
Опубликованная
1) Манохин А., Резниченко В. Скоробогатов Г. Титан, алюминий, магний «Наука и жизнь» - 1987. - № 7
2) Сандлер Р. А., Рапир А. Х Электрометаллургия алюминия и магния. - Л,: ЛГИ, 1983.
3) Сухарев И. Р. Бокситы, глинозем, алюминий «География» - 1998. - № 17
4) Хэтч Дж. Е. Алюминий. Свойства и физическое металловедение. Справочник. Москва, "Металлургия",.1989.
Интернет-ресурсы:
5) http://images.yandex.ru (фотография алюминия)
6) http://www.mineral.ru/Facts/russia/131/279/index.html(Все о минерально-сырьевом комплексе России и мира/Алюминий)
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Свойства алюминиево-магниевых, алюминиево-марганцевых и алюминиево-медных сплавов, их применение в промышленности. Характеристики порошковых сплавов алюминия и методы их получения в металлургии. Технологическая схема изготовления гранулированных сплавов.
реферат [28,2 K], добавлен 04.12.2011Характеристика алюминия (серебристо-белого металла), его химическая активность, природные соединения, содержание в земной коре. Модификации оксида алюминия, их получение и применение в технике. Механические свойства и назначение алюминиевых сплавов.
реферат [11,2 K], добавлен 23.11.2010Характеристика алюминия и его сплавов. Технологический процесс производства алюминия и использование "толлинга" в производстве. Состояние алюминиевой промышленности и мировой рынок алюминия в конце 2007 - начале 2008 гг. Применение алюминия и его сплавов.
контрольная работа [6,2 M], добавлен 14.08.2009Получение глинозёма способом спекания. Физико-химические свойства криолитно-глинозёмных расплавов. Катодный, анодный процессы. Влияние различных факторов на выход по току. Устройство и работа электролизёра для получения, рафинирования и разливки алюминия.
контрольная работа [2,1 M], добавлен 12.03.2015Достоинства алюминия и его сплавов. Малый удельный вес как основное свойство алюминия. Сплавы, упрочняемые термической обработкой. Сплавы для ковки и штамповки. Литейные алюминиевые сплавы. Получение алюминия. Физико-химические основы процесса Байера.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 05.03.2015Общая характеристика и ценные свойства алюминия. Применение алюминия и его сплавов в разных отраслях промышленности. Основные современные способы производства алюминия. Производство глинозема: метод Байера и способ спекания. Рафинирование алюминия.
реферат [35,0 K], добавлен 31.05.2010Экспериментальное изучение реакции азотирования алюминия для получения нитрида алюминия. Свойства, структура и применение нитрида алюминия. Установка для исследования реакции азотирования алюминия. Результаты синтеза и анализ полученных продуктов.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 12.02.2015Способы получения алюминия. История открытия металла. Разложение электрическим током окиси алюминия, предварительно расплавленной в криолите. Механическая обработка, применение металла в производстве. Изучение его электропроводности, стойкости к коррозии.
презентация [420,5 K], добавлен 14.02.2016Состав, свойства электролита. Строение криолито-глиноземных расплавов. Плотность алюминия электролита. Поверхностное натяжение, давление насыщенного пара. Анодный эффект: положительные и отрицательные действия. Напряжение разложения. Механизм электролиза.
реферат [58,2 K], добавлен 21.01.2009Алюминий как основа конструкционных материалов. Технология производства алюминия, методы его очищения. Свойства и достоинства сверхчистого алюминия. Применение сплавов в промышленности, польза их старения. Алюминотермия и разработка фаз-упрочнителей.
реферат [29,4 K], добавлен 23.01.2010Алюминий - химический элемент третьей группы периодической системы элементов Менделеева. Перспективы развития производства и потребления алюминия. Свойства сплавов алюминия и особенности их применения в сферах современной техники, строительстве и быту.
реферат [35,9 K], добавлен 20.03.2012Запасы и производство бокситов и другого алюминиесодержащего сырья в России. История развития производства алюминия, основные направления его применения как конструкционного металла. Экологические меры безопасности в производстве алюминия и сплавов.
курсовая работа [41,3 K], добавлен 23.04.2011Способы получения алюминиево-кремниевых сплавов. Процесс углетермического восстановления оксидов кремния и алюминия. Механизм и кинетика процесса восстановления алюмосиликатных шихт в диапазоне составов силикоалюминия с использованием восстановителя.
автореферат [439,3 K], добавлен 16.06.2009Механические свойства, обработка и примеси алюминия. Классификация и цифровая маркировка деформируемых алюминиевых сплавов. Характеристика литейных алюминиевых сплавов системы Al–Si, Al–Cu, Al–Mg. Технологические свойства новых сверхлегких сплавов.
презентация [40,6 K], добавлен 29.09.2013Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".
курсовая работа [1,6 M], добавлен 19.03.2013Процесс электролиза криолитоглиноземного расплава. Виды сырья для получения алюминия и требования к ним. Свойства и состав промышленного электролита. Влияние факторов и примесей. Корректировка электролита CaF2. Техника безопасности при обслуживании ванн.
контрольная работа [49,3 K], добавлен 22.01.2009Физические характеристики алюминия. Влияние добавок на изменение характеристик сплавов алюминия. Температура плавления у технического алюминия. Габариты ленточных заготовок для производства фольги. Механические свойства фольги различной толщины.
реферат [30,2 K], добавлен 13.01.2016Общие сведения о гидратах оксида алюминия. Физико-химические особенности получения оксида алюминия по методу Байера. Применение нанокристаллического бемита и условия для получения тугоплавких соединений. Рассмотрение технологии технической керамики.
дипломная работа [6,1 M], добавлен 24.01.2013Классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов. Диаграммы состояния конструкционных материалов. Физико-механические свойства и применение пластических масс, сравнение металлических и полимерных материалов.
учебное пособие [4,8 M], добавлен 13.11.2013Технология плавки цветных металлов. Техника безопасности при производстве алюминия из вторичного сырья. Альтернативные способы получения алюминия из вторсырья. Использование индукционной тигельной и канальной печей. Применение электродуговых печей.
курсовая работа [722,3 K], добавлен 30.09.2011
