Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Магнитогорский Государственный Технический Университет

им. Носова

Кафедра металлургии черных металлов

Реферат по дисциплине «История металлургии»

МЕТАЛЛУРГИЯ АЛЮМИНИЯ

Аннотация

Рассмотрена тема "Металлургия алюминия", описаны основные свойства этого металла. Кратко изложена история открытия алюминия, возможные способы его получения и применения в различных отраслях промышленности.

Введение

1. Свойства алюминия

2. Применение алюминия

3. Сырые материалы

4. Производство глинозема

5. Электролитическое получение алюминия

6. Рафинирование алюминия

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Слово «металлургия» происходит от греч.:

metalleuо – выкапываю, добываю из земли;

metallurgeo – добываю руду, обрабатываю металлы;

metallon – рудник, металл.

Это слово означает область науки и техники, охватывающую процессы обработки добытых из недр руд, получение металлов и сплавов, придание им определенных свойств.

В древности, в средние века и сравнительно недавно, вплоть до времени М.В.Ломоносова, считалось, что существует 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть).

В 1814 г. шведский химик Й.Берцелиус предложил использовать буквенные знаки, которыми пользуется весь мир, за редкими исключениями.

Сегодня науке известно более 80 металлов, большинство из них используется в технике.

В мировой практике сложилось деление металлов на черные (железо и сплавы на его основе) и все остальные – нечерные (Non-ferrous metals, англ.; Nichtei-senmetalle, нем.) или цветные металлы. Металлургия часто подразделяется на черную и цветную. В настоящее время на долю черных металлов приходится около 95% всей производимой в мире металлопродукции.

В технике принята также условная классификация, по которой цветные металлы разделены на «легкие» (алюминий, магний), «тяжелые» (медь, свинец и др.), тугоплавкие (вольфрам, молибден и др.), благородные (золото, платина и др.), редкие металлы.

Доля продукции, изготовленной с использованием черных и цветных металлов, в настоящее время составляет 72-74% валового национального продукта государства. Можно утверждать, что металлы в XXI в. останутся основным конструкционными материалами, так как по своим свойствам, экономичности производства и потребления не имеют себе равных в большинстве сфер применения.

Из ~ 800 млн. т потребляемых металлов ~ 750 млн. т – сталь, 20-22 млн. т – алюминий, 8-10 млн. т – медь, 5-6 млн. т – цинк, 4-5 млн. т – свинец (остальные - < 1 млн. т).

Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержится в земной коре в больших количествах: алюминий (8,8%), железо (4,65%), магний (2,1%), титан (0,63%).

К рудным месторождениям легких металлов обычно относят руды, содержащие алюминий; основной поставщик алюминия – бокситы, а также алуниты, нефелины и раз личные глины. К рудным месторождениям цветных металлов относятся месторождения меди, свинца и цинка, кобальта, никеля, сурьмы. Запасы металлов в наиболее крупных из них достигают от десятков до сотен млн. т, при обычном содержании металлов в руде – единицы процентов.

Масса добываемых материалов во много раз превышает количество содержащихся в руде металлов и в подавляющем большинстве случаев из природных руд экономически невыгодно непосредственно извлекать полезные компоненты.

Археологические раскопки свидетельствуют о том, что знакомство человека с металлами относится к временам, весьма удаленным от нас. Считается, что первые изделия из бронзы получены за 3 тыс. лет до н.э восстановительной плавкой смеси медной и оловянной руд с древесным углем. Значительно позже бронзы стали изготовлять добавкой в медь олова и других металлов (алюминиевые, бериллиевые, кремненикелевые и др.). В настоящее время наиболее распространены алюминиевые бронзы (5-12% Al) с добавками железа, марганца и никеля.

В настоящее время металлургическое производство является одним из приоритетных отраслей народного хозяйства.

1. СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

Алюминий был впервые получен датским физиком Х.Эрстедом в 1825 г. Название этого элемента происходит от латинского алюмен, так в древности назывались квасцы, которые использовали для крашения тканей.

Алюминий обладает многими ценными свойствами: небольшой плотностью – около 2,7г/см 3 , высокой теплопроводностью – около 300 Вт/(м. К) и высокой электропроводностью 13,8 . 10 7 Ом/м, хорошей пластичностью и достаточной механической прочностью.

Алюминий образует сплавы со многими элементами. В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке.

Сродство алюминия к кислороду очень большое. При его окислении выделяетсябольшое количество тепла (~ 1670000 Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Алюминий соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной ~ 0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому алюминий стоек против коррозии. Поверхность алюминия хорошо защищает от окисления этой пленки и в расплавленном состоянии.

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины.

В состав дюралюминия, кроме алюминия, входят 3,4-4% Cu, 0,5% Mn и 0,5%Mg, допускается не более 0,8% Fe и 0,8% Si. Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали (плотность дюралюминия 2,85 г/см 3).

Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработке и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147-216 МПа до 353-412 МПа, а твердость по Бринеллю с 490-588 до 880-980 МПа. При этом относительное удлинение сплава почти не изменяется и остается достаточно высоким (18-24%).

Силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.

Впервые металлический алюминий был получен химическим путем немецким химиком Ф.Велером в 1821 г. (восстановлением из хлорида алюминия металлическим калием при нагревании). В 1854 г. французский ученый Сент-Клер Девиль предложил электрохимический способ получения алюминия, восстанавливая натрием двойной хлорид алюминия-натрия.

Производство и получение алюминия

Металлический алюминий получают в три стадии:

• Получение глинозема (Al 2 O 3) из алюминиевых руд;
• Получение алюминия из глинозема;
• Рафинирование алюминия.

Получение глинозема

Около 95 % всего глинозема получают из бокситовых руд.

Боксит (фр. bauxite) (по названию местности Baux на юге Франции) – алюминиевая руда, состоящая из гидроксидов алюминия, оксидов железа и кремния, сырьё для получения глинозёма и глинозёмосодержащих огнеупоров. Содержание глинозёма в промышленных бокситах колеблется от 40 % до 60 % и выше. Используется также в качестве флюса в чёрной металлургии.

Рисунок 1 – Бокситовая руда

Обычно бокситы представляют собой землистую глиноподобную массу, которая может иметь полосчатую, пизолитовую (гороховидную) либо однородную текстуру. В обычных условиях выветривания полевые шпаты (минералы, составляющие большую часть земной коры и являющиеся алюмосиликатами) разлагаются с образованием глин, но в условиях жаркого климата и высокой влажности конечным продуктом их разложения могут оказаться бокситы, т. к. подобная обстановка благоприятствует выносу щелочей и кремнезёма, особенно из сиенитов или габбро. Бокситы перерабатывают в алюминий поэтапно: сначала получают оксид алюминия (глинозём), а затем металлический алюминий (электролитическим способом в присутствии криолита).

Основные примеси в бокситах это Fe 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 . К малым примесям бокситов относят: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, редкоземельные элементы, Cr, P, V, F, органика.

Обычно бокситы классифицируют:

• по цвету;
• по основному минералу (чаще они бывают смешанными);
• по возрасту.

Основными критериями качества алюминиевой руды являются :

1. Кремниевый модуль (Мsi = Al 2 O 3 /SiO 2 (% масс.)). Чем больше кремниевый модуль тем лучше качество (Мsi = 7);
2. Содержание железа в пересчете на Fe 2 O 3 . Если содержание Fe 2 O 3 около 18 % масс., то боксит считается высокожелезистым. Чем больше содержание железа труднее добыть бокситы;
3. Содержание серы. Наличие большого количества серы усложняет переработку боксита;
4. Содержание карбонатов в пересчете на CO 3 (2-) . Наличие большого количества карбонатов усложняет переработку боксита.

Бокситы применяют:

• в производстве глинозема;
• в производстве абразивных материалов;
• в производстве огнеупорных материалов;
• в качестве флюса для выплавки мартеновской стали;
• для сушки газов и чистки нефти от серы;
• в качестве красителя.

На сегодняшний день главными поставщиками боксита являются:

• Австралия – там находятся также огромные залежи Fe, Au, U, Ni, Co, Cuи др. Выгоднее покупать сырье у Австралии, чем перерабатывать свое.
• Гвинея – У России есть несколько купленных мест.
• Центральная Америка: Гайана, Ямайка, Суриман.
• Бразилия.

В Европе все месторождения истощены. Осуществляются поставки бокситов из Греции, но данное сырье является сырьем низкого качества.

Рисунок 2 – Запасы бокситов в мире

Ниже представлен основных месторождений алюминиевых руд в России.

• Первое месторождение было открыто в 1914 г. под Сант-Петербургов, рядом с городом Тихвин. На данном месторождении было построено 6 заводов. Самый большой - это Волховский алюминиевый завод. На сегодняшний день Тихвинское месторождение истощено и работает в основном на привозном сырье.
• В 1931 г. было открыто уникальное Северо-Уральское месторождение высококачественных бокситов (СУБР). Оно послужило базой для строительства в 1939 г. Уральского алюминиевого завода (УАЗ). А на основе Южно-уральского бокситового рудника (ЮУБР) был построен Богословский алюминиевый завод (БАЗ).
• Североонежское месторождение находится по дороге на Кольский полуостров. В Плане есть, но дата строительства неизвестна.
• Висловское месторождение – чистоглинистое месторождение каолитного типа. Для глинозема не используется.
• Тиманское месторождение (Республика Коми, Варкута). Канадцы заинтересованы в данном месторождении, поэтому планируют строительство заводов ("Коми Суал" - холдинг).

Получение глинозема из бокситовых руд

Поскольку алюминий амфотерен, глинозем получают тремя способами:

• щелочным,
• кислотным;
• 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. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема получения глинозема по способу Байера

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169 – 170 °С может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1. Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al 2 O 3 ; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2. Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230 – 250 °С (500 – 520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlOOH+NaOH→NaAlO 2 +H 2 O

Al(OH) 3 +NaOH→NaAlO 2 +2H 2 O;

SiO 2 +2NaOH→Na 2 SiO 3 +H2O;

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100 °С;

3. Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6 – 1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4. Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60 °С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH) 3 . Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси – затравки:

Na 2 O ·Al 2 O 3 + 4H2O→Al(OH) 3 + 2NaOH;

5. Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50 – 60 % частиц Al(OH) 3 . Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затра­вочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Оста­ток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах – для выщелачивания новых бокситов);

6. Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150 – 1300 °С; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

Al(OH) 3 → AlOOH → γ-Al 2 O 3 → α-Al 2 O 3

200 °C – 950 °С – 1200 °С.

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30 – 50 % α-Al2O3 (корунд), остальное γ-Al 2 O 2 .

Этим способом извлекается 85 – 87 % от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ° С .

Получение алюминия электролизом

Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970 °С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают (рисунок 4). Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись угле­рода (CO) или двуокись углерода (CO 2). На практике находят применение два типа анодов:

• самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых «хлебов» массы Зедерберга (малозольный уголь с 25 – 35 % каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается);
• обожженные, или «непрерывные», аноды из больших угольных блоков (например, 1900 × 600 × 500 мм массой около 1,1 т).

Рисунок 4 – Схема электролизера

Сила тока на электролизерах состав­ляет 150 000 А. Они включаются в сеть последова­тельно, т. е. получается система (серия) – длинный ряд электролизеров.

Рабочее напряжение на ванне, состав­ляющее 4 – 5 В, значительно выше на­пряжения, при кото­ром проис­ходит раз­ло­жение окиси алю­миния, поскольку в процессе рабо­ты неизбежны потери напряжения в различных частях системы. Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия

Вреакционном сосуде окись алюминия превращается сначала в хлорид алюминия. Затем в плотно изолированной ванне происходит электролиз AlCl 3 , растворенного в расплаве солей KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и пода­ется для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде.

Преимуществами данного метода перед существующим электролизом жидкого крио­литоглиноземного расплава (Al 2 O 3 , растворенная в кри­олите Na 3 AlF 6) считают: экономию до 30 % энергии; возможность применения окиси алюминия, которая не годится для традиционного электролиза (например, Al 2 O 3 с высоким содержанием кремния); замену дорогостоящего криолита более дешевыми солями; исчезновение опасности выделения фтора .

Получение рафинированного алюминия

Для алюминия рафини­рующий электролиз с разло­жением водных солевых рас­творов невозможен. Пос­кольку для некоторых целей степень очистки промыш­лен­ного алюминия (Al 99,5 – Al 99,8), полученного электролизом криолитогли­нозем­ного расплава, недостаточна, то из промышлен­ного алюминия или отходов металла путем рафинирова­ния получают еще более чистый алюминий (Al 99,99 R). На­иболее известен метод рафинирования - трехслой­ный электролиз.

Рафинирование методом трехслойного электролиза

Одетая стальным листом, работающая на постоянном токе (рисунок 6) ванна для рафиниро­вания состоит из уголь­ной подины с токопод­водами и теплоизоли­рующей магнезитовой футеровки. В проти­воположность электро­лизу криолитоглино­земного расплава ано­дом здесь служит, как правило, расплавлен­ный рафинируемый ме­талл (нижний анодный слой). Электролит сос­тавляется из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фто­ридов алюминия и нат­рия (средний слой). Алюминий, растворяю­щийся из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой). Чистый металл служит катодом. Подвод тока к катодному слою осуществляется графитовым электродом.

Рисунок 6 - Схема электролизера с передним горном для рафинирования алюминия (по Фульда - Гинзбергу)

1 – алюминиевый расплав; 2 – электролит; 3 – рафинированный алюминий высокой частоты; 4 – катод из графита; 5 – магнезитовая стена; 6 – передний горн; 7 – изолирующий слой; 8 – боковая изоляция; 9 – угольная подина; 10 – анодный токопровод; 11 – изоляция подины; 12 – железный короб; 13 – крышка

Ванна работает при 750 – 800 °С, расход электроэнергии составляет 20 кВт ч на 1 кг чистого алюминия, т. е. несколько выше, чем при обычном электролизе алюминия.

Металл анода содержит 25 – 35 % Cu; 7 – 12 % Zn; 6 – 9 % Si; до 5 % Fe и незначительное количество марганца, никеля, свинца и олова, остальное (40 – 55 %) – алюминий. Все тяжелые металлы и кремний при рафинировании остаются в анод­ном слое. Наличие магния в электролите приводит к нежелательным изменениям состава электролита или к сильному его ошлакованию. Для очистки от магния шлаки, содержащие магний, обрабатывают флюсами или газообразным хлором.

В результате рафинирования получают чистый алюминий (99,99 %) и про­дукты сегрегации (зайгер-продукт), которые содержат тяжелые металлы и крем­ний и выделяются в виде щелочного раствора и кристаллического остатка. Щелоч­ной раствор является отходом, а твердый остаток применяется для раскисления.

Рафинированный алюминий имеет обычно следующий состав, %: Fe 0,0005 – 0,002; Si 0,002 – 0,005; Cu 0,0005 – 0,002; Zn 0,0005 – 0,002; Mg следы; Al остальное.

Рафинированный алюминий перерабатывают в полуфабрикат в указанном составе или легируют магнием (таблица 1).

Таблица 1 – Химический состав алюминия повышенной чистоты и первичного алюминия по DIN 1712, лист 1

		Допустимые примеси* , %
			в том числе

* Насколько возможно определить обычными методами исследования.

** Чистый алюминий для электротехники (алюминиевые проводники) поставляют в виде первичного алюминий 99,5, содержащего не более 0,03 % (Ti + Cr + V + Mn); обозначается в этом случае E-A1, номер материала 3.0256. В остальном соответствует нормам VDE-0202.

Рафинирование путем алюмоорганических комплексных соединений и зонной плавкой

Алюминий степени чистоты выше марки A1 99,99 R может быть получен рафинирую­щим электролизом чистого или технически чистого алюминия с применением в качестве электролита комплексных алюмоорганических соединений алюминия. Электролиз проходит при температуре около 1000°С между твердыми алюминиевыми электродами и в принципе схож с рафинирующим электролизом меди. Природа электролита диктует необходимость работать без доступа воздуха и при низкой плотности тока.

Этот вид рафинирующего электролиза, применяемым сначала лишь в лабора­торном масштабе, уже осуществляется в небольшом производственном масштабе – изготовляется несколько тонн металла в год. Номинальная степень очистки полу­чаемого металла 99,999 -99,9999%. Потенциальными областями применения металла такой чистоты являются криогенная электротехника и электроника.

Возможно применение рассмотренного метода рафинирования и в гальванотехнике.

Еще более высокую чистоту – номинально до A1 99,99999 – можно получить последующей зонной плавкой металла. При переработке алюминия повышенной чистоты в полуфабрикат, лист или проволоку необходимо, учитывая низкую температуру рекристаллизации металла, принимать особые меры предосторожности. Примечательным свойством рафинированного металла является его высокая электропроводность в области криогенных температур .

Содержание статьи

АЛЮМИНИЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. В 1854 А.Девиль изобрел первый практический способ промышленного производства алюминия. Рост производства был особенно быстрым во время и после Второй мировой войны. Производство первичного алюминия (без учета производства Советского Союза) составляло только 620 тыс. т в 1939, но возросло до1,9 млн. т в 1943. К 1956 во всем мире производилось 3,4 млн. т первичного алюминия; в 1965 мировое производство алюминия составило 5,4 млн. т, в 1980 – 16,1 млн. т, в 1990 – 18 млн. т.

Производство алюминия включает три основные стадии: добыча и обогащение руды; получение из руды чистой окиси алюминия (глинозема); восстановление алюминия из окиси путем электролиза.

Добыча и обогащение руды.

Основная алюминиевая руда – бокситы – добывается главным образом в карьерах; крупнейшими производителями бокситов являются Австралия, Гвинея, Ямайка и Бразилия. Обычно слой руды взрывается для образования рабочей площадки на глубине до 20 м, а потом выбирается. Куски руды дробятся и сортируются с помощью грохотов и классификаторов. Дробленая руда далее обогащается, а пустая порода (хвосты) выбрасывается. На этой стадии процесса экономически выгодно использовать методы промывки и грохочения, использующие разность плотностей руды и пустой породы для отделения их друг от друга. Менее плотная пустая порода уносится промывочной водой, а концентрат оседает на дно обогатительной установки.

Процесс Байера.

Процесс получения чистой окиси алюминия включает нагревание боксита с едким натром, фильтрование, осаждение гидроокиси алюминия и ее прокаливание для выделения чистого глинозема. На практике руда смешивается с нужным количеством горячего едкого натра в автоклаве из низкоуглеродистой стали, и смесь прокачивается через ряд стальных сосудов с паровой рубашкой. В сосудах поддерживается давление пара 1,4–3,5 МПа в течение времени от 40 мин до нескольких часов, пока не завершится переход окиси алюминия из боксита в раствор алюмината натрия в перегретой жидкости. После охлаждения твердый осадок отделяется от жидкости. Жидкость фильтруется; в результате получается пересыщенный чистый раствор алюмината. Этот раствор метастабилен: алюминат-ион разлагается с образованием гидроокиси алюминия. Добавление в раствор кристаллической гидроокиси алюминия, остающейся от предыдущего цикла, ускоряет разложение. Сухие кристаллы гидроокиси алюминия затем прокаливаются для отделения воды. Получающийся безводный глинозем пригоден для использования в процессе Холла – Эру. По экономическим соображениям в промышленности эти процессы стремятся делать по возможности непрерывными.

Электролиз Холла – Эру.

Заключительная стадия производства алюминия включает его электролитическое восстановление из чистой окиси алюминия, полученной в процессе Байера. Этот способ извлечения алюминия основывается на том (открытом Холлом и Эру) факте, что когда глинозем растворяется в расплавленном криолите, при электролизе раствора выделяется алюминий. Типичный электролизер Холла – Эру представляет собой ванну с расплавленным криолитом 3NaF Ч AlF 3 (Na 3 AlF 6) – двойным фторидом натрия и алюминия, в котором растворено 3–5% глинозема, – плавающим на подушке из расплавленного алюминия. Стальные шины, проходящие через подину из углеродистых плит, используются для подачи напряжения на катод, а подвешенные угольные бруски, погруженные в расплавленный криолит, служат анодами. Рабочая температура процесса близка к 950° С, что значительно выше температуры плавления алюминия. Температура в электролизной ванне регулируется изменением зазора между анодами и катодным металлоприемником, на который осаждается расплавленный алюминий. Для поддержания оптимальной температуры и концентрации глинозема в современных электролизерах применяются сложные системы управления. На производство алюминия расходуется очень много электроэнергии, поэтому энергетический КПД процесса – главная проблема в алюминиевой промышленности. Электродные реакции представляют собой восстановление алюминия из его окиси и окисление углерода до его окиси и двуокиси на анодах. Одна печь дает до 2,2 т алюминия в сутки. Металл сливается раз в сутки (или реже), потом флюсуется и дегазируется в отражательной копильной печи и разливается по формам.

Возобновляемые электроды Содерберга.

В электролизере Холла – Эру угольные аноды расходуются со скоростью 2,5 см/сут, так что часто требуется установка новых анодов. Чтобы исключить частое вмешательство человека в производство, был разработан процесс с использованием возобновляемого электрода Содерберга. Анод Содерберга непрерывно образуется и спекается в восстановительной камере из пасты – смеси 70% молотого кокса и 30% смоляной связки. Эта смесь набивается в прямоугольную оболочку из листовой стали, открытую с обоих концов и расположенную вертикально над ванной с расплавом внутри печи. По мере расходования анода в верхнее отверстие оболочки добавляется паста. Когда коксосмоляная смесь опускается вниз и нагревается, она спекается в твердый углеродистый брусок прежде, чем достигает рабочей зоны.

Потребление алюминия.

Около 28% производимого алюминия идет на изготовление банок для напитков, пищевой тары и всевозможных упаковок. Еще 17% используется в транспортных средствах, включая самолеты, военную технику, железнодорожные пассажирские вагоны и автомобили. Около 16% применяется в конструкциях зданий. Примерно 8% используется в высоковольтных линиях электропередачи и других электрических устройствах, 7% – в таких потребительских товарах, как холодильники, кондиционеры воздуха, стиральные машины и мебель. На нужды машиностроения и промышленное оборудование расходуется 6%. Остающаяся часть потребляемого алюминия используется в производстве телевизионных антенн, пигментов и красок, космических кораблей и судов.

Алюминий является одним из самых распространенных элементов в земной коре – с количеством более 7% занимает третье место после кислорода и кремния. Его получают из боксита, т.е. осадочной горной породы, в которой он встречается в основном в виде оксида.

Этот металл хорошо известен уже более 2-х тысяч лет и характеризуется широким техническим применением. Для чего его можно использовать?

В промышленности алюминий в основном используется в сплавах с другими элементами, что улучшает его эксплуатационные свойства. В таком виде он представляет собой универсальный конструкционный материал с очень универсальным применением. Среди алюминиевых сплавов можно выделить, в частности, литейные сплавы и сплавы, используемые для пластической обработки. В их состав, кроме алюминия, входят такие элементы, как: медь, магний, кремний и марганец. Алюминиевые сплавы используют, в частности, в авиации, химической промышленности, автомобилестроении и даже в судостроении.

Алюминий широко используется в промышленности также и в чистом виде для изготовления разных предметов быта, таких как, например, зеркала, банки для напитков и продуктов питания, кухонные принадлежности или же всем известная алюминиевая фольга. Его используют также для изготовления химической аппаратуры, электрических проводов, а даже взрывчатых веществ. Чтобы выделить этот элемент из бокситовой руды, необходимо осуществить два следующих друг за другом этапа. Первый из них – это процесс Байера, который позволяет получить из минерала оксид алюминия. Затем это соединение подвергается электролизу, в результате чего образуется алюминий технической чистоты.

Из чего производят алюминий?

Чистый алюминий не встречается в природе из-за его способности к пассивации. Это явление заключается в окислении металла в присутствии воздуха, в результате чего на его поверхности образуется пассивный защитный слой. Алюминий покрывается слоем оксида алюминия (Al 2 O 3) толщиной до нескольких нм. Затем, под воздействием влаги внешний слой подвергается частичному гидролизу, в результате чего дополнительно образуется гидроксид, т.е. Al(OH) 3 .

Алюминий входит в состав разных минеральных пород, встречающихся в природе в виде руд. Для производства чистого алюминия используется, прежде всего, глинистая бокситовая руда. Она образуется в основном в местах выветривания алюмосиликатных пород в жарком климате и содержит также соединения железа. Это порода с характерным красным или коричневым цветом, которая встречается в двух видах: силикатном и карбонатном.

Производство алюминия технической чистоты

Алюминий технической чистоты (более 99%) промышленно получают в результате двух последовательных процессов. В результате первого получают оксид алюминия (процесс Байера), а на следующем этапе проводят процесс электролитической редукции (электролиз методом Холла-Эру), благодаря которому получают чистый алюминий. Для снижения расходов, связанных с транспортировкой бокситовой руды, большинство перерабатывающих предприятий строят недалеко от шахт.

Процесс Байера

Первый этап после добычи руды заключается в ее мытье с помощью воды. Таким образом удаляют большую часть загрязнений, которые просто растворяются в воде. Затем, в обработанное водой сырье добавляют CaO, т.е. оксид кальция. После этого его измельчают с помощью специальных трубных мельниц до момента получения зерен с очень малым диаметром, т.е. меньше 300 мкм. Соответствующее измельчение сырья чрезвычайно важно, так как оно обеспечивает большую площадь поверхности зерен, что, в свою очередь, влияет на эффективность протекания процесса экстракции.

Следующий этап производства оксида алюминия заключается в растворении зерен при помощи водного раствора каустической соды. В Группе PCC гидроксид натрия производится методом мембранного электролиза. Полученный таким образом продукт характеризуется очень высоким качеством и чистотой, отвечая при этом требованиям последнего издания Европейской фармакопеи. Смесь, содержащая молотые зерна и , хранится в течение нескольких часов в специальных реакторах, называемых автоклавами. Во время протекающего процесса осаждения в реакторах поддерживаются высокое давление и повышенная температура. Таким образом, получают алюминат натрия, который затем очищают при помощи разных фильтров.

На следующем этапе очищенный раствор алюмината натрия подвергается разложению. В результате образуется (т.е. водный раствор каустической соды) и кристаллы гидроокиси алюминия высокой степени чистоты. Полученный в результате кристаллизации осадок отфильтровывают и промывают водой. А оставшийся натровый щелок нагревают и возвращают в процесс для повторного использования.

Последним этапом производства чистого оксида алюминия является кальцинация. Она заключается в нагревании гидроксида алюминия при температуре выше 1000 o C, в результате чего происходит его разложение на Al 2 O 3 , который получают в виде чистого белого порошка. Так подготовленный оксид алюминия транспортируют в печи для получения металлического алюминия в процессе электролитической редукции.

Электролиз оксида алюминия

Следующим этапом получения чистого алюминия является проведение процесса электролиза методом Холла-Эру. В первую очередь, полученный в процессе Байера Al 2 O 3 расплавляют с криолитом и таким образом приготовленный раствор подвергают процессу электролиза при температуре не выше 900 o C. Полученный таким образом жидкий алюминий отделяют от электролита и удаляют из электролитических ванн с помощью т.н. вакуумных сифонов. Затем сырье попадает в литейное устройство, откуда на дальнейшем этапе его вкладывают в раскаленные печи, в которых происходит процесс переработки. Он заключается в очистке алюминия с целью достижения максимальной чистоты. В промышленных условиях алюминий может быть очищен двумя методами. Первый из них заключается в растопке алюминия и пропускании через него хлора, благодаря чему примеси связываются с , образуя хлориды, которые затем удаляют из процесса. Второй метод заключается в электролитической редукции расплавленного с медью алюминия. Полученный таким образом конечный продукт характеризуется очень высокой чистотой.

Алюминий – материал будущего

Разработка метода получения чистого алюминия из боксита с помощью процесса Байера и электролиза Холла-Эру расширила область применения этого элемента. Кроме того, сочетание высокой прочности с легкостью позволило в некоторых случаях заменить алюминием более дорогую сталь. Устойчивость к воздействию атмосферных факторов дала возможность использовать алюминий в производстве оконных и дверных профилей. Еще одним преимуществом алюминия является возможность подвергать его многократной вторичной переработке, благодаря чему он считается относительно дружественным окружающей среде материалом.

Подводя итог, алюминий – это универсальный материал, широко используемый в пищевой, энергетической, химической, транспортной, строительной, автомобильной и авиационной промышленностях. Учитывая его многочисленные преимущества, безусловно, это не предел возможностей его применения и в ближайшем будущем он по-прежнему будет приобретать популярность.

В истории металлургии алюминия возможно различить три периода, характеризующиеся определенными методами, применяемыми для получе­ния этого металла!. Эти периоды следующие: 1) получение алюминия хи­мическими методами, 2) получение алюминия электротермическим путем и 3) получение алюминия электролизом расплавленных солей.

Открытие алюминия и получение его химическими методами

Первоначальные попытки выделения алюминия в свободном состоянии относятся к 1807 г. и принадлежат знаменитому английскому химику Гемфри Дэви (1778-1629). Последнему до этого времени удалось впервые получить металлические калий и натрий электролизом расплавленных едких щелочей. В качестве источника тока Дэви пользовался вольтовым столбом. J

С цёлью выделения алюминия Дэви тем же путем пытался разложить глинозем. Для этого он пропускал электрический ток через слегка увлаж­ненную и находящуюся в атмосфере водорода гидроокись алюминия. При этом в качестве анода служила платиновая пластинка, на которой поме­щалась плотно спрессованная гидроокись алюминия, а катодом - погру­женная в нее железная проволока. При пропускании тока последняя раскалялась добела и оплавлялась.

Таким путем Дэви получил только железоалюминиевый сплав, из ко­торого выделить свободный алюминий он не смог. Точно так же оказа­лись безуспешными опыты Дэви по восстановлению глинозема парами ка­лия в присутствии Железных опилок.

Фиг.1 Получение алюминия по методу Сен-Клер-Девилля. Первая мастерская в районе Парижа

Из полученного сплава железа с алюминием последний выделить в чи­стом виде Дэви также не удалось.

Все это, однако, не помешало Дэви быть уверенным в том, что глино­зем является химическим производным предполагаемого металла, которому он заранее дал название aluminum (алюминум), образовав его от англий­ского наименования глинозема - alumina.

Свободный алюминий впервые был выделен датским физиком Гансом Эрстедом (1777-1851) в марте.1825 г. С этой целью Эрстед получил амальгаму алюминия, восстановив хлорид алюминия (также им впервые полученный) «амальгамой калия. Дестиллируя затем без доступа воздуха ртуть из полученной алюминиевой амальгамы, Эрстед извлек таким обра­зом небольшие комочки алюминия - «металла из глины», по цвету и блеску похожего на олово.

Позднее, в 1827 г., немецкий химик Фридрих Ведер (1800-1882) улуч­шил метод Эрстеда, заменив амальгаму калия металлическим калием. В фарфоровый или платиновый тигель Велер помещал несколько кусочков металлического калия, сверху засыпал их кристаллами хлорида алюминия, и закрытый крышкой тигель осторожно нагревал на горелке. Полученная в результате реакции серо-черная плавленая масса после охлаждения вы­щелачивалась водой; твердый остаток представлял собой порошкообраз­ный алюминий. Так как взаимодействие между калием и хлоридом алюми­ния при их непосредственном сплавлении протекало крайне бурнее Велер в 1845 г. применил измененный вариант своего способа, нагревая эти ве­щества раздельно и пропуская пары хлорида алюминия над калием. При­меняя этот метод. Велер получил алюминий в количествах, достаточных для определения его важнейших физических и химических свойств.

В 1864 г. Анри Сен-Клер-Девилль {1818-1881 г.) во Франции применил способ Велера для первого промышленного способа производства алюми­ния, внеся в него дальнейшие улучшения: металлический калий Сен-Клер- Девилль заменил более дешевым натрием, а нестойкий и весьма гигроско­пичный хлорид алюминия - более прочным двойным хлоридом алюминия и натрия (АLСLз №СL). Разложение двойного хлорида натрием осуществ­лялось в пламенной печи при постепенно повышающейся температуре. Процесс, в отличие от бурной реакции восстановления чистого хлорида алюминия, протекал очень спокойно. Восстановленный алюминий собирался на подине печи и отливался затем в болванки в железных изложницах (фиг. 1). Производство алюминия этим так называемым химическим способом по методу Сен-Клер-Девилля существовало с 1854 по 1890 г. Однако в течение. 30 лет с помощью химического метода было получено в общей сложности всего около 200: т алюминия. В конце 80-х годов прошлого столетия химический способ был вытеснен электролити­ческим способом, который позволил резко снизить стоимость произ­водства алюминия и создал возможность для быстрого развития алюми­ниевой промышленности.

История получения алюминиевых сплавов электротермическим путем

В истории металлургии алюминия должны быть отмечены работы бр. Каулес по электротермическому производству алюминиевых сплавов, (от­носящиеся к концу прошлого (Столетия. После ряда безуспешных попыток получения чистого, свободного от карбида, алюминия восстановлением глинозема углеродом, Каулес пришли к необходимости вести этот процесс в присутствии других, менее химически активных металлов. В результате ими был разработан промышленный метод электротермического получения сплавов алюминия с медью и железом - алюминиевой бронзы и ферро­алюминия.

Для получения этих сплавов бр. Каулес применяли дуговые печи на 5000-6000 а и 60 в (фиг. 2). В печь вводилась шихта из глинозема, дре­весного угля и металлического скрапа (железа или меди). Алюминиевая бронза получалась с содержанием до 17% Аl и ферроалюминий до 20% Аl. Расход электроэнергии составлял в среднем 37 квт-ч на 1 кг алюми­ния в сплаве.

Фиг. 2. Дуговые электропечи бр. Каулес

По методу бр. Каулес в Англии и США с 1884 по 1892 г. работали заводы, выпускавшие сплавы на, рынок. Однако в таком виде электротер­мический способ производства алюминиевых сплавов конкурировать с бо­лее дешевым электролитическим методом не мог.

Только в настоящее время электротермическое производство алюми­ниевых сплавов, главным образом с кремнием, вновь получило значитель­ное развитие как одна из специальных областей металлургии алюминия.

История получения алюминия электролизом расплавленных солей

В 1852 г. Роберт Бунэен (1811-1899), подвергая электролизу расплав­ленный хлорид магния, получил металлический магний. Продолжая свои исследования, Бунзен применил этот же метод для выделения металличе­ского -алюминия. Последний и был им получен в 1854 г. электролизом рас­плавленного двойного хлорида алюминия и натрия.

Сен-Клер-Девилль, проводя свои исследования независимо от Бунзена, в это же самое время также получил металлический алюминий электроли­зом двойного хлорида алюминия и натрия. В марте 1854 г. Сен-Клер- Девилль представил французской Академии наук вместе с описанием) своих опытов маленький королек алюминия, выделенный им электролитическим путем. 9 июля того же года Бунзен опубликовал результаты своих работ в «Поггендорфс Аннален».

Опыты Бунзена и Сен-Клер-Девилля не вышли, /однако, за пределы лаборатории ввиду невозможности получить в то время значительные количества электроэнергии.

Понадобилось свыше 30 лет, прежде чем принцип получения «алюминия электролизом расплавленных солей нашел свое осуществление в промыш­ленное! и.

Мощным толчком для развития электролитиче­ского метода послужило «изобретение в,1867 г. бр. Грамм динамомашины.

Основоположнийами современного электролити­ческого способа производства металлического алю­миния являются Поль Эру (1863-1914) во Фракции и Чарльз Холл (1863-1914) в США, 23 апреля 1886 г. Эру и 9 июля того же года Холл заявили’ почти аналогичные патенты на способ получе­ния алюминия электролизом глинозема растворенного в расплавленном криолите.

Эти даты собственно и следует считать’ нача­лом развития современной мировой алюминиевой промышленности и вместе с тем началом широкого использования алюминия. Необходимо отметить, что появлению патентов Эру и Холла предшество­вало накопление значительного практического и теоретического материала, полученного большим числом исследователей, много работавших над воп­росом электролиза расплавленных алюминиевых солей. ,

Роль Эру и Холла заключалась, пожалуй, не столько в ношзне их открытия, сколько в удачном сочетании «уже известных положений, оформленных ими в метод, пригодный для промышленного использования.

Эру, будучи студентом Горной школы в Париже, уже в 1888 г. инте­ресовался электролитическим методом получения алюминия. Об этом сви­детельствует набросок электролиза в его тетради, датированный этим го­дом (фиг. 3). Весьма показательно, что этот набросок чрезвычайно бли­зок к эскизу из первого патента Эру <см. фиг. 4). *

Интерес Эру к алюминию получил практическое преломление после смерти отца, когда он получил в наследство небольшую кожевенную ма­стерскую в Жантильи близ Парижа. Мастерская была оборудована парб- вой машиной, и после приобретения динамомашины Грамма Эру получил возможность производить опыты электролиза различных соединений алю­миния.

Фиг. 3. Набросок электролизера в школьной тетра­ди Эру

Будучи убежден, что алюминий возможно получить электролизом, Эру после многих неудач te водными растворами перешел к электролизу рас­плавленного криолита и смеси его с хлоридом алюминия. Во время одного из таких опытов исследователь обнаружил на угольном аноде ясные при­знаки его обгорания и заключил, что в электролите находится окисел, восстановление которого шло за счет расходования материала анода.

Химический анализ показал, что вместо хлорида алюминия в расплав­ленный криолит исследователь вводил глинозем, получавшийся за счет гид­ролиза хлорида. Введя теперь глинозем в криолит намеренно, Эру ‘и пюк- . шел к открытию способа, который с тех пор применяется для производ­ства алюминия.

На основании этих опытов Эру заявил свой первый патент от 23 ап­реля 1886 г. Патент этот дает весьма ясную формулировку сущности про­цесса, которая остается целиком справедливой и по нестоящее время.

Фиг. 4. Эскиз электролизера из первого патента Эру

«Я претендую, - говорится в патенте,- на изобретение описанного выше способа получения алюминия, который заключается в электролизе глинозема, растворенного в расплавленном криолите, причем ток подво­дится с помощью любых электродов, например угольных анодов, погру­жаемых в расплавленный электролит, в то время каяк катодом служит са­мый сосуд для электролита. При этом анод сжигается выделяющимся на нем кислородом, а металл собирается на дне тигля. В данном процессе криолит не расходуется, и для непрерывного выделения металла доста­точно возмещать разлагающийся при электролизе глинозем».

Фиг. 5. Эскиз электро­лизера из дополнитель­ного патента Эру

В качестве электролизера Эру использовал угольный стакан, который вставляется внутрь большого графитового тигля. Весь аппарат помещался в коксовую печь. На фиг. 4 приведен эскиз электролизера из первого па­тента Эру. Не найдя, однако, первоначально своему патенту практического применения, Эру занялся разработкой способа получения алюминиевых сплавов и примерно годом позже заявил дополнительный патент на полу­чение электролитическим путем алюминиевой бронзы. Для этого в электро­лизер вводится соответствующее количество металлической меди. В патен­те также указывается на возможность одновременного электролиза гли­нозема и окисла тяжелого металла. Как видно из эскиза (фиг. 5), заимст­вованного из дополнительного патента Эру, здесь совершенно отсутствует внешний нагрев электролизера, причем в описании указывается, что «элек­трический ток производит достаточно тепла, чтобы глинозем поддержи­вать в расплавленном состоянии».

Эру не смог реализовать свое изобретение во Франции и сделал это в Швейцарии, на заводе в Нейгаузене, пущенном в конце 1888 г. Завод этот был первым в Европе алюминиевым предприятием, работавшим по электролитическому методу. Вначале завод производил алюминиевую бронзу на основе дополнительного патента Эру. Вскоре (1891 г.). однако, завод в Нейгаузене перешел на производство чистого алюминии.

Холл так же, мак и Эру, будучи еще студентом колледжа, заинтересо­вался вопросом получения алюминия и производил опыты в надежде найти наиболее экономичный способ производства этого металла. В своих исследованиях Холл вначале шел чисто эмпирическим путем. Он пытался применить способ термического восстановления, затем перешел к электро­лизу водных растворов алюминиевых солей, убедился в необходимости перехода к электролизу в неводной среде и, наконец, стал искать раство­рителя для глинозема. С этой целью Холл перепробовал различные фто­ристые соли. В феврале 1886 г. он испытал криолит, причем обнаружил весьма легкую растворимость в нем глинозема, который в расплавленной соли быстро исчезал, растворяясь «подобно сахару или соли в кипящей воде».

23 февраля 1886 г. Холл подверг электролизу раствор глинозема в расплавленном криолите и получил алюминий. 9 июля 1886 г. он заявил свой ‘основной патент, который был выдан ему 2 апреля 1889 г.

В 1888 г. в Кенсингтоне близ Питсбурга (США) было начато первое в США производство алюминия но электролитическому методу Холла с по­лучением 50 фунтов (28, 65 кг) металла в день (фиг. 6). С 1894 г. для этого производства спала использоваться энергия Ниагарского водопада.

Фиг. 6. Первое производство алюминия по методу Холла в Питсбурге

С момента появления способа Эру и Холла собственно и начинается развитие современной алюминиевой промышленности, которая за полвека своего существования выросла в одну из крупнейших отраслей мирового хозяйства.

Весьма показательным является движение цен на алюминий на миро­вом рынке. В течение 30 лет, пока алюминий получался химическим путем, цена держалась, примерно, на уровне 45 руб. за килограмм. С 1890 г.. когда электролитический способ вытеснил все другие, произошло редкое снижение цены на алюминий, которая уже во все последующие годы со­ставляла в среднем 1 руб. за килограмм.

Первые попытки организации производства алюминия в нашей стране относятся к 80-м годам прошлого столетия, когда под Москвой для получения алюминия химическим путем бьц1 построен небольшой завод, про­существовавший, однако, очень короткое время Ос 1892 по 1893 г.).

В начале этого столетия проф. П. П. Федотьевым (1864-1934)и дру­гими русскими учеными был выполнен в области изучения современного способа производства алюминия ряд теоретических исследований, полу­чивших мировую известность. Однако лишь после Октябрьской социали­стической революции были созданы условия для организации и развития алюминиевой промышленности в нашей стране.

Первые опыты получения алюминия в значительном масштабе были осуществлены в 1929 г. по инициативе Ленинградского областного совета народного хозяйства на заводе «Красный выборжец» (Ленинград) под руководством проф. П. П. Федотьева. В 1930 г. в Ленинграде был пущен опытный алюминиевый завод, который сыграл большую роль в развитии советской алюминиевой промышленности. На этом заводе в течение четы­рех лет испытывалось различное оборудование и обучались кадры рабо­чих и инженерно-технического персонала для первых алюминиевых пред­приятий.

В мае 19321 г. был пущен Волховский алюминиевый завод, сооруженный на базе Волховской гидроэлектростанции, а в июне 1933 г. Днепровский алюминиевый завод, сооруженный на базе Днепрогэс. В 1938 г. вступил в эксплуатацию Тихвинский глиноземный завод, расположенный в непосредственной близости к месторождению тихвинских, бокситов. Далее, в сентябре 1939 г, был пущен Уральский алюминиевый завод с более со­вершенным и мощным оборудованием, чем предыдущие, а затем, уже в период Великой отечественной войны - ряд новых алюминиевых заводов, сооруженных в восточных районах страны.

Похожие записи: