Алюминий и его сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Камбарский машиностроительный колледж (филиал)

ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»

РЕФЕРАТ

Тема: «Алюминий и его сплавы»

Валиев А.А.

Преподаватель: Сухова А.В.

2020



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Название и история открытия

Общая характеристика алюминия

Нахождение в природе

Алюминиевые руды

Производство глинозема

Электролитическое производство алюминия

Алюминиевые сплавы

Рафинирование алюминия

Список использованной литературы



Введение

Достижения промышленности в любом развитом обществе неизменно связаны с достижениями технологии конструкционных материалов и сплавов. Качество обработки и производительность изготовления изделий являются важнейшими показателями уровня развития государства.

Материалы, применяемые в современных конструкциях, помимо высоких прочностных характеристик должны обладать комплексом таких свойств, как повышенная коррозионная стойкость, жаропрочность, теплопроводность и электропроводимость, тугоплавкость, а так же способность сохранять эти свойства в условиях длительной работы под нагрузками.

Научные разработки и производственные процессы в области литейного производства цветных металлов в нашей стране соответствуют передовым достижениям научно-технического прогресса. Их результатом, в частности, явилось создание современных цехов кокильного литья и литья под давлением на Волжском автомобильном заводе и ряде других предприятий. На Заволжском моторном заводе успешно работают крупные машины литья под давлением и усилием запирания пресс-формы 35 МН, на которых получают блоки цилиндров из алюминиевых сплавов для автомашины «Волга».

На Алтайском моторном заводе освоена автоматизированная линия по получению отливок литьем под давлением. В Советском Союзе впервые в мире разработан и освоен процесс непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов в электромагнитный кристаллизатор. Этот способ существенно повышает качество слитков и позволяет снизить количество отходов в виде стружки при их обточке.



Название и история открытия

Латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия (K) KAl(SO4)2·12H2O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26, 98154. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена «земля» (тугоплавкое вещество, по-современному -- оксид алюминия) сделал еще в 1754г. немецкий химик А. Маркграф. Позднее оказалось, что такая же «земля» может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825г. датский физик Х. К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия (K) с ртутью (Hg)) хлорид алюминия AlCl3, который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути (Hg) выделил серый порошок алюминия.

Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А. Э. Сент-Клэр Девиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготавливали ювелирные украшения.

Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20-ом веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.

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. Тейлор, Уиллер, 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. алюминиевая руда рафинирование глинозем

В последующие годы благодаря сравнительной простоте получения и привлекательным свойствам опубликовано много работ о свойствах алюминия. Чистый алюминий нашёл широкое применение в основном в электронике - от электролитических конденсаторов до вершины электронной инженерии - микропроцессоров; в криоэлектронике, криомагнетике.

Более новыми способами получения чистого алюминия являются метод зонной очистки, кристаллизация из амальгам (сплавов алюминия с ртутью) и выделение из щёлочных растворов. Степень чистоты алюминия контролируется величиной электросопротивления при низких температурах.

В настоящее время используется следующая классификация алюминия по степени чистоты:

Обозначение	Содержание алюминия по массе, %
Алюминий промышленной чистоты	99, 5 - 99, 79
Высокочистый алюминий	99, 80 - 99, 949
Сверхчистый алюминий	99, 950 - 99, 9959
Особочистый алюминий	99, 9960 - 99, 9990
Ультрачистый алюминий	свыше 99, 9990

Общая характеристика алюминия

Природный алюминий состоит из одного нуклида 27Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s2p1. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III). Радиус нейтрального атома алюминия 0, 143 нм, радиус иона Al3+ 0, 057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5, 984, 18, 828, 28, 44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1, 5.

Алюминий -- мягкий, легкий, серебристо-белый металл, кристаллическая решетка которого кубическая гранецентрированная, параметр а = 0, 40403 нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около 2450°C, плотность 2, 6989 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2, 5·10-5 К-1.

Химический алюминий -- довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al2О3, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминий активно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2,

3Н2SO4 + 2Al = Al2(SO4)3 + 3H2.

Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:

Al2О3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4].

Затем протекают реакции:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2,

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

или суммарно:

2Al + 6H2O + 2NaOH = Na[Al(OH)4] + 3Н2,

и в результате образуются алюминаты: Na[Al(OH)4] -- алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)4] -- алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие:

Na[Al(OH)4(Н2О)2] и К[Al(OH)4(Н2О)2].

При нагревании алюминий реагирует с галогенами:

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3,

2Al + 3 Br2 = 2AlBr3.

Интересно, что реакция между порошками алюминия и йода (I) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:

2Al + 3I2 = 2AlI3.

Взаимодействие алюминия с серой (S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al2S3,

который легко разлагается водой:

Al2S3 + 6Н2О = 2Al(ОН)3 + 3Н2S.

С водородом (H) алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН3)х -- сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al2О3.

Высокая прочность связи в Al2О3 обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже

3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са.

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.



Нахождение в природе

По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода (O) и кремния (Si)), на его долю приходится около 8, 8% массы земной коры. Алюминий входит в огромное число минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты, базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов -- главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты и нефелины. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы - концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, -- некоторые плауны, моллюски.

Алюминиевые руды

АЛЮМИНИЕВЫЕ РУДЫ (а. aluminium ores; н. Aluminiumerze, Aluerze; ф. minerais d'aluminium; и. minerales de aluminio) -- природные минеральные образования, содержащие алюминий в таких соединениях и концентрациях, при которых их промышленное использование технически возможно и экономически целесообразно.

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 (а в ряде стран, включая PФ, используются) также алунитовые руды и нефелин-апатитовые руды. Последние одновременно служат источником для получения фосфатов. 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.

Алюминиевые руды -- комплексное сырьё: из бокситов, кроме алюминия, извлекают галлий, ванадий и скандий; технологически возможно также извлечение железа, титана и других компонентов. Наиболее распространённые генетические типы бокситовых руд -- латеритные и осадочные; латеритные бокситы, как правило, имеют более высокое качество. Среди небокситовых видов алюминиевых руд выделяются генетические типы: магматические -- нефелиновые (уртитовые), нефелин-апатитовые, лейцитовые и др.; гидро-термально-метасоматические -- алунитовые руды; осадочные -- каолиновые глины, аргиллиты; метаморфические -- кианитовые и другие высокоглинозёмистые сланцы.

За рубежом в связи с ограниченностью запасов и ростом цен на бокситы проводятся поиски новых технологических схем переработки небокситовых видов алюминиевых руд. Запасы таких руд весьма велики; например, только в США они оцениваются в 160 млрд. т.

Глинозём, получаемый из всех видов алюминиевого сырья, во всех странах перерабатывается на металлический алюминий только электротермическим способом.

Производство глинозёма

Способ Байера - это гидрохимический способ получения глинозема из бокситов. Этот способ был открыт в России Карлом Иосифовичем Байером в 1895-1898 гг.

Большой вклад в разработку способа, особенно для выщелачивания бокситов диаспор-бемитового типа, внесли ученые Д.П.Манойлов, Ф.Н.Строков, Ф.Ф. Вольф, И.С. Лилеев, С.И. Кузнецов и др.

В настоящее время более 95 % глинозема получают способом Байера.

Глинозем - это технический оксид алюминия Al₂O₃ - белый кристаллический порошок, состоящий из модификаций б-Al₂O₃ и г-Al₂O₃. Нерастворим в воде; содержит небольшое количество примесей: SiO₂, Fe₂O₃, TiO₂, V₂O₅, Сr₂O₃, MnO, ZnO, P₂O₅, Na₂O, K₂O, H₂O - в сумме не более 0,95-1,88 %

Способ Байера основан на свойстве алюминатных растворов находиться в метастабильном (относительно устойчивом) состоянии при повышенных температурах и концентрациях (Na₂O_K и Al₂O₃) и на самопроизвольном разложении (гидролизе) растворов с выделением в осадок гидроксида алюминия с понижением температуры и концентрации Na₂O_K.

Суть способа Байера состоит в выщелачивании предварительно измельченного боксита щелочно-алюминатным раствором и дальнейшем выделении из раствора гидроксида алюминия. Алюминийсодержащие минералы взаимодействуют с раствором каустической щелочи (NaOH), в результате чего алюминий переходит в раствор в виде алюмината натрия.

В основе способа лежат реакции

Al₂O₃·nH₂O_тв + 2NaOH_р-р + (3-n)H₂O_р-р> 2NaAl(OH)_4р-р ;(1)

NaAl(OH)_4р-р - Al(OH)_3тв + NaOH_р-р .(2)

По реакции (1) происходит растворение минералов боксита (гиббсита, бёмита, диаспора) в щелочном растворе. Реакция (2) соответствует процессу разложения насыщенного алюминатного раствора.

В зависимости от состава боксита и местных условий могут быть различные варианты этой схемы.

Технологические параметры способа Байера (температуры, концентрации растворов и т.д.) могут колебаться в относительно большом диапазоне, в зависимости от типа и качества боксита.

Технология способа Байера. Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим объемом оборотного щелочного раствора (ж:т = 0,8_1,9) и направляют в мельницу мокрого размола. Такое низкое отношение ж:т в мельнице обеспечивает максимальную ее производительность. К диаспоровому бокситу добавляют 3-5 % извести. Мельницы обычно работают в замкнутом цикле с классификаторами, которые иногда заменяют или дополняют гидроциклонами. Пульпа из мельниц - «сырая» пульпа -собирается в сборниках, куда подают остальное количество оборотного раствора с Na₂O_K = 300 г/л. Здесь ее нагревают паром сепарации до 90-100 °С и выдерживают 4-8 часов при перемешивании для предварительного обескремнивания боксита, т. е. перевода большей части активного кремнезема из боксита в раствор:

SiO_2тв + 2NaOH_р-р = Na₂SiO_3р-р + H₂O_р-р(3)

и далее в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия (ГАСН):

1,7Na₂SiO_3р-р+2NaAl(OH)_4р-р= Na₂O·Al₂O₃·1,7SiO₂·nH₂Ov_тв+3,4NaOH_р-р+1,3H₂O_р-р.(4)

Этим достигается меньшее зарастание алюмосиликатной накипью трубок подогревателей, через которые пульпа проходит в автоклавы. Далее «сырая» пульпа поршневыми насосами подается в систему подогревателей, где пульпа сепараторным паром (или вареной пульпой) нагревается до 140-160 °С. Такое ограничение нагрева пульпы связано с тем, что при более высокой температуре на внутренних поверхностях греющих трубок интенсифицируется процесс выделения осадков, содержащих соединения титана, хрома, кальция, фосфора, в результате чего существенно снижается теплопередача.

После нагрева «сырая» пульпа поступает в батарею автоклавов колонного типа для выщелачивания боксита по реакции (1). В первые два автоклава, называемые греющими, поступает «острый» пар с ТЭЦ (Р_пар= 28-30 атм/2,8-3 МПа, t = 300 °С), нагревающий пульпу до 230-240 °С. В последующих реакционных автоклавах (8-10 шт.) батареи производится выдержка пульпы, в зависимости от типа боксита, в течение 1,5-2,5 часов. Автоклавы работают в режиме, близком к идеальному вытеснению. Продуктом выщелачивания является так называемая «вареная» пульпа, которая состоит из взвеси: раствора алюмината натрия и нерастворимого остатка боксита - красного шлама.

Из последнего автоклава батареи «вареная» пульпа (Na₂O = 290-295 г/л, Al₂O₃ = 250-270 г/л) перетекает в систему сепараторов (пароотделителей) последовательно - сначала в сепаратор I ступени, затем в сепаратор II ступени, где от самоиспарения «вареной» пульпы образуется пар - процесс дросселирования. Высокотемпературный пар сепаратора I ступени (Р = 2,25>0,6-07 МПа, t = 165-170 °С) используется для предварительного нагрева «сырой» пульпы в подогревателях перед автоклавным выщелачиванием, пар сепаратора II ступени (Р = 0,6-0,7>0,16-0,2 МПа, t = 125-130 °С) используется для подогрева «сырой» пульпы или нагрева промводы. (Для более эффективного использования тепловой энергии сепараторного пара рекомендуется использовать 3- , 4- и т.д. кратную сепарацию.) Из последнего сепаратора пульпа поступает в агитатор «вареной» пульпы, где давление снижено до атмосферного, а температура - до 95-100 °С. Пар с агитатора используется для подогрева в полочном подогревателе барометрической воды до 90 °С, используемой при промывке красного шлама.

«Вареная» пульпа из агитатора насосом подается в мешалки для разбавления промывной водой c Na₂O_общ = 45-50 г/л и б_К = 1,7-1,8 до состава Na₂O_общ = 140-150 г/л, Al₂O₃ = 125-135 г/л, б_К = 1,6-1,7 и µ_Si = 250-300 и далее на отделение и промывку красного шлама в систему 4-5 сгустителей, работающих по принципу противотока при t = 100-105 °С. Разбавление «вареной» пульпы осуществляют для уменьшения вязкости и дополнительного обескремнивания раствора. Процесс сгущения красного шлама очень медленный, обусловлен осаждением очень мелких частиц и наличием одноименных электрических зарядов на их поверхности. Для ускорения сгущения добавляются специальные вещества - коагулянты и/или флокулянты, которые обеспечивают укрупнение мелких частиц с образованием более крупных агрегатов. Промытый и сгущенный в последнем сгустителе красный шлам откачивается в отвал на шламовое поле; промывные воды используют для разбавления «вареной» пульпы.

Алюминатный раствор (слив) из первого (основного) сгустителя с содержанием твердого 1-5 г-тв/л подается на контрольную фильтрацию для отделения взвеси шлама, полученный раствор должен содержать не более 0,01 г-тв/л. Чистый алюминатный раствор (Na₂O_общ = 150-160 г/л, Al₂O₃ = 125-135, б_К = 1,65-1,7, µ_Si = 250-300) охлаждается до 60-75 °С в теплообменниках и поступает вместе с затравочным гидроксидом алюминия на декомпозицию (разложение) в батарею декомпозеров; температура в «хвостовом» декомпозере - 47-55 °С. Для ускорения процесса декомпозиции вводят свежеосажденные кристаллы гидроксида алюминия - затравочный гидроксид. Происходит разложение по реакции

NaAl(OH)_4(р-р) + хAl(OH)_{3(затравка)} - (х+1)Al(OH)₃v_{(осадок)} + NaOH_(р-р)(5)

После декомпозиции, по реакции (5) в течение 40-100 часов, получается пульпа, состоящая из выпавшего в осадок гидроксида алюминия и маточного щелочного раствора. Пульпу направляют на сгущение, отделяется маточный раствор (слив), а сгущенный гидроксид алюминия после классификации по крупности (или без нее) делят на две части: одну часть (крупная фракция в случае классификации) тщательно отмывают от щелочи и отправляют на кальцинацию; другую часть (около 3/4 всего гидроксида) используют в качестве затравки. Иногда затравочный гидроксид также предварительно промывают, но не так тщательно, как товарный (для кальцинации).

Маточный алюминатный раствор с б_К = 3,4-3,65 и Na₂O_общ = 155-165 г/л и воду от промывки гидроксида (промводу) направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, чтобы удалить лишнюю воду и повысить концентрацию Na₂O_K. Концентрацию Na₂O_K в растворе повышают до 300 г/л. Поскольку растворимость соды уменьшается с повышением содержания каустической щелочи в растворе, то часть соды выпадает в виде моногидрата (Na₂CO₃·H₂O) по мере выпаривания маточного раствора. При установившемся процессе выпариванием выделяется столько же соды, сколько ее накапливается за весь процесс. Этим предотвращается накопление соды в растворе, и концентрация ее поддерживается в определенных пределах. Кроме того, кристаллы соды увлекают из раствора с собой органические соединения, удаляемые с оборотной содой, - происходит очистка раствора от органических веществ.

При работе предприятия только по способу Байера для уменьшения удельного расхода свежей каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют в воде для каустификации известковым молоком (раствор + взвесь Ca(OH)₂) по реакции

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ - 2NaOH + CaCO₃(6)

Получающийся при этом разбавленный раствор каустической щелочи упаривают вместе с маточным раствором или же в отдельных выпарных аппаратах. К упаренному маточному раствору добавляют свежую едкую щелочь (гидроксид натрия - NaOH) для возмещения химических и механических потерь NaOH, и полученный оборотный раствор вновь направляют на выщелачивание новых порций боксита - схема Байера работает в замкнутом цикле по щелочи.

Готовый гидроксид алюминия Al(OH)₃ прокаливают при температуре около 1200 °С во вращающихся барабанных печах или в печах «кипящего слоя» при температуре 1050 °С, топочные газы печей тщательно очищают от глинозема.

Процесс кальцинации можно описать выражением:

(гидроксид алюминия) Al(OH)₃ > Al₂O₃ (глинозём)(7)

Способ Байера - самый дешевый и распространенный в мире. Однако для его осуществления необходимо использовать высококачественные бокситы с относительно невысоким содержанием кремнезема - SiO₂. Байеровский боксит должен иметь высокий кремневый модуль µ_Si ? 6-8 и не содержать больших количеств серы и CO₂, которые осложняют переработку боксита по этому способу. В настоящее время способ Байера - основной способ производства глинозема во всем мире.

Электролитическое производство алюминия

Алюминий получают путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном электролите, основным компонентом которого является криолит. В чистом криолите Na3AlF6(3NaF * AlF3) отношение NaF: AlF3 равно 3, для экономии электроэнергии необходимо при электролизе иметь это отношение в пределах 2,6-2,8, поэтому к криолиту добавляют фтористый алюминий AlF3. Кроме того, для снижения температуры плавления в электролит добавляют немного CaF2, MgF2 и иногда NaCl. Содержание основных компонентов в промышленном электролите находится в следующих пределах, %: Na3AlF6 75-90; AlF3 5-12; MgF2 2-5; CaF2 2-4; Al2O3 2-10. При повышении содержания Al2О3 более 10% резко повышается тугоплавкость электролита, при содержании менее 1,3% нарушается нормальный режим электролиза.

Существующие ванны различаются мощностью и устройством анода: ванны с одним самообжигающимся анодом и верхним токоподводом, с таким же анодом и боковым токоподводом и ванны с анодом из обожженных блоков. Ванна с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока показана на рис. 2, а. Анод прямоугольного сечения является непрерывнонаращиваемым. Его кожух сделан из стального листа, в кожух сверху загружают брикеты из углеродистой электродной массы (нефтяной кокс с каменноугольным пеком). Вверху масса плавится, а в нижней части кожуха, где высокие температуры, она спекается, коксуется и превращается в твердый блок. В него запекаются погруженные в электродную массу на разную глубину стальные штыри 7, расположенные в два -- четыре ряда вдоль ванны. Эти стержни служат для подвода тока к аноду и для его удержания над ванной, кожух анода крепится над ванной отдельно. В процессе сгорания анода наиболее глубоко расположенные штыри поочередно выдергивают из затвердевшей массы и закрепляют на более высоком уровне, через некоторое время они спекаются с твердеющей массой.

По мере сгорания нижней части анода его с помощью специального механизма опускают, при этом анод скользит внутри кожуха вниз. К нижней части кожуха анода крепится газосборный колокол, предназначенный для улавливания выделяющихся вокруг анода газов. Электролизные ванны с предварительно обожженными анодами имеют анодный узел, составленный из нескольких (до 20 и более) угольных или графитированных блоков, расположенных в два ряда. В каждом блоке закреплены четыре стальных ниппеля, соединенных со штангой ; это устройство служит для подвода тока и для подвески блока. Сгоревшие блоки заменяют новыми. Над ванной установлен газоулавливающий короб. Использование обожженных анодов позволило увеличить единичную мощность ванн и сильно сократить выделение вредных канцерогенных веществ, которые образуются при коксовании пека самообжигающихся электродов. Электролизные ванны размещают в цехе в ряд по несколько десятков ванн в ряду. Электролиз ведут при напряжении 4--4,3 В и, как отмечалось, при удельной плотности тока, проходящего через анод, равной 0,65--1,0 А/см2. Толщина слоя электролита в ванне составляет 150--250 мм. Температуру ванны поддерживают в пределах 950--970 °С за счет тепла, выделяющегося при прохождении постоянного хока через электролит. Такие температуры имеют место под анодом, а на границе с воздухом образуется корка затвердевшего электролита, а у стен ванны -- затвердевший слой электролита (гарнисаж). Необходимая температура ванны, т.е. выделение в слое электролита необходимого количества тепла, обеспечивается при определенном электросопротивлении слоя электролита. Такого электросопротивления достигают, поддерживая в заданных пределах состав электролита и толщину его токопроводящего слоя, т.е. расстояния между анодом и слоем жидкого алюминия в пределах 40--60 мм (увеличение, например, этого расстояния, т.е. электросопротивления слоя электролита, вызывает увеличение выделения тепла при прохождении тока и, соответственно, перегрев электролита).

При приложении напряжения к катоду и аноду составляющие жидкого электролита подвергаются электролитической диссоциации, и расплав состоит из многочисленных катионов и анионов. Состав электролита подобран так, что в соответствии со значениями потенциалов разряда на электродах могут разряжаться только катионы Al3+ и анионы О2-, образующиеся при диссоциации Al2O3 в электролите. Соответственно электрохимический процесс на электродах описывается следующими уравнениями: на катоде 2Al3+ + 6е -> 2Al на аноде 3О2- - 6е -> 3O Разряжающийся на катоде алюминий накапливается на подине ванны под слоем электролита. Выделяющийся на аноде кислород взаимодействует с углеродом анода с образованием газов СО и СO2, т.е. при этом окисляется низ анода, в связи с чем анод периодически опускают. Газы СО и СO2 выходят из-под анодов вдоль их боковых поверхностей, они содержат выделяющиеся из электролита токсичные фтористые соединения и глиноземную пыль (из самообжигающихся анодов в них также попадают вредные смолистые возгоны); эти газы улавливают и очищают от пыли и фтористых соединений. По ходу процесса в ванны периодически загружают глинозем; контролируют состав электролита, вводя корректирующие добавки; с помощью регуляторов поддерживают оптимальное расстояние между анодами и жидким алюминием (в пределах 40--50 мм). Глинозем загружают в ванны сверху, пробивая для этого корку спекшегося электролита с помощью передвигающихся вдоль ванн машин. Жидкий алюминий извлекают из ванн один раз в сутки или через 2--3 сут с помощью вакуум-ковшей. Вакуум-ковш вмещает от 1,5--5 т алюминия

Футерованную шамотом емкость, в которой создается разряжение ~ 70 кПа. Соединенную с патрубком ковша заборную трубку погружают сверху в слой жидкого алюминия в ванне и за счет разрежения алюминий засасывается в ковш. Выделяющиеся анодные газы вначале направляют в горелки, где сжигают СО и возгоны смолы, а затем в газоочистку, где улавливают пыль и фтористые соединения. Производительность современных электролизных ванн составляет 500--1200 кг алюминия в сутки. Для получения 1 т алюминия расходуется: ~ 1,95 т глинозема, ~ 25 кг криолита, 25 кг фтористого алюминия, 0,5--0,6 т анодной массы, 14--16 МВт * ч электроэнергии.

Алюминиевые сплавы

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:

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).

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%.

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.

Галлий добавляется в количестве 0, 01 - 0, 1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

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.

Индий. Добавка 0, 05 - 0, 2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево-кадмиевых подшипниковых сплавах.

Примерно 0, 3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

Кальций придаёт пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0, 5 - 4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.

Магний. Добавка магния значительно повышает прочность без снижения пластичности, повышает свариваемость и увеличивает коррозионную стойкость сплава.

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.

Олово улучшает обработку резанием.

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.

В большинстве случаев плавку ведут на воздухе. Если взаимодействие с воздухом ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в расплаве соединений и возникающая пленка этих соединений существенно замедляет дальнейшее взаимодействие, то обычно не принимают каких-либо мер для подавления такого взаимодействия. Плавку в этом случае ведут при прямом контакте расплава с атмосферой. Так поступают при приготовлении большинства алюминиевых, цинковых, оловянно - свинцовых сплавов.

Пространство, в котором протекает процесс плавки сплавов, ограничивается огнеупорной футеровкой, способной выдерживать температуры 1500 - 1800 ?С. Во всех процессах плавки участвует газовая фаза, которая формируется в процессе сгорания топлива, взаимодействуя с окружающей средой и футеровкой плавильного агрегата и т.п.

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Морские бакены, спасательные шлюпки, суда, баржи строятся из сплавов алюминия с 1930 г. В настоящее время длина корпусов кораблей из сплавов алюминия достигает 61 м. Существует опыт алюминиевых подземных трубопроводов, сплавы алюминия обладают высокой стойкостью к почвенной коррозии. В 1951 году на Аляске был построен трубопровод длиной 2, 9 км. После 30 лет работы не было обнаружено ни одной течи или серьёзного повреждения из-за коррозии.

Алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. При частом намокании, если поверхность алюминиевых изделий не была дополнительно обработана, он может темнеть, вплоть до почернения в промышленных городах с большим содержанием окислителей в воздухе. Для избежания этого выпускаются специальные сплавы для получения блестящих поверхностей путём блестящего анодирования - нанесения на поверхность металла оксидной плёнки. При этом поверхности можно придавать множество цветов и оттенков. Например, сплавы алюминия с кремнием позволяют получить гамму оттенков, от серого до чёрного. Золотой цвет имеют сплавы алюминия с хромом.

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 др.

В промышленности используются также и алюминиевые порошки. Применяются в металлургической промышленности: в алюминотермии, в качестве легирующих добавок, для изготовления полуфабрикатов путём прессования и спекания. Этим методом получают очень прочные детали (шестерни, втулки и др.). Также порошки используются в химии для получения соединений алюминия и в качестве катализатора (например, при производстве этилена и ацетона). Учитывая высокую реакционную способность алюминия, особенно в виде порошка, его используют во взрывчатых веществах и твёрдом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться.

Учитывая высокую стойкость алюминия к окислению, порошок используются в качестве пигмента в покрытиях для окраски оборудования, крыш, бумаги в полиграфии, блестящих поверхностей панелей автомобилей. Также слоем алюминия покрывают стальные и чугунные изделия во избежание их коррозии.

По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа (Fe) и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами -- ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65, 5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов -- дуралюмина (94% -- алюминий, 4% медь (Cu), по 0, 5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина (85-90% -- алюминий, 10-14% кремний (Si), 0, 1% натрий (Na)) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди (Cu), магния (Mg), железа (Fe), >никеля (Ni) и др.

Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония (Zr) - широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.

При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в пищу, и она приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку в быту оксидную пленку очень легко повредить, то использование алюминиевой посуды все-таки нежелательно.



Рафинирование алюминия

Рафинирование алюминия осуществляется для производства более высоких марок алюминия.

Процесс рафинирования производится в расплавленной среде, анодом является сплав загрязнённого алюминия с тяжёлым металлом, а катод представлен чистым рафинированным металлом.

Между анодом и катодом располагают электролит, который состоит из фтористых и хлористых солей. При проведении рафинирования следует обратить внимание на то, что плотность электролиты при температуре процесса, должна быть больше, нежели плотность чистого алюминия, но в тоже время меньше, нежели плотность анода.

В качестве утяжелителя анодного сплава, как правило, используют медь (25%).

Процесс рафинирования алюминия производится не только электролитическим способом, но и другими. Так на некоторых предприятиях (как правило, вторичного алюминия) используют магниевый метод рафинирования, а так же метод дистилляции через субфторид алюминия.

Для получения особо чистого алюминия достаточно часто используют метод зонной перекристаллизации, который основан на не одинаковом распределении примесей алюминия между твёрдой фазой и жидкой при частичном расплавлении. При рафинировании алюминия в жидкую фазу уходит целый ряд примесей. По сути, процесс зонной перекристаллизации представляет собой следующий процесс. Особо чистый слиток алюминия помещают в графитовую лодочку, после чего в кварцевую трубку, в которой образуют вакуум. Снаружи вдоль трубки продвигают нагреватель, который создаёт узкую расплавленную зону слитка. Как правило, зонную переплавку проводят до 15 раз подряд, примеси второй и первой группы смещаются к краям трубки, а в центре образуется наиболее чистый алюминий. Таким способом можно получить алюминий до 99,9999%.

Список использованной литературы

1. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. Справочное руководство. Редакционная коллегия И.В. Горынин и др. Москва «Металлургия», 1978.

2. Воскобойников В.Г. и др. Общая металлургия - 6-изд., перераб. и доп. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.

3. Вегман Е.Ф и др. Металлургия чугуна. - Москва: - 3-изд., переработанное и дополненное. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004 .

4. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А. и др. Электрометаллургия стали и ферросплавов. - М.: Металлургия, 1974.

5. Якушев А.М. Проектирование сталеплавильных и доменных цехов. - М.: Металлургия, 1984.

6. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. -- М.: «Мир», ООО «Издательство ACT».

7.Сборник технологических инструкций по выплавке стали в основных дуговых печах

8. Технология конструкционных материалов. Под ред. А.М. Дальского. 2004г.

9. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Металлургия. 1986.

Размещено на Allbest.ru

...