Свойства алюминия и вго применение

Алюминий обладает многими ценными свойствами: небольшой плотностью — около 2,7 г/см³, высокой теплопроводностью — около 300 Вт/(м ■ К) и высокой электропроводностью 13,8 • 10⁷ Ом/м, хорошей пластичностью и достаточной ме­ханической прочностью.

Алюминий образует сплавы со многими элементами. В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. 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 выделяется большое количество тепла (~ 1670000Дж/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 защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии.

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралю­миний и силумины.

В состав дюралюминия, кроме алюминия, входят 3,4-4% Си, 0,5% Мп 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/см³).

Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработки и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147—216 МПа до 353— 412 МПа, а твердость по Бринелю 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.

Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, метал­лургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энер­гетике и электронике. Многие части искусственных спутни­ков нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов.

Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого

алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.).

По общему производству металла в мире алюминий зани­мает второе место! после железа.

СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух ста­дий. Первая - эти получение глинозема (А1₂0₃) из рудного сырья и вторая— получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Руды алюминия. Вследствие высокой химической активнос­ти алюминий встречается в природе только в связанном ви­де: корунд А1₂0₃, гиббсит А1₂О_э • ЗН₂0, бемит А1₂О_э • Н₂0, кианит ЗА1₂0₃ • 2Si0₂, нефелин (Na, K)₂0 • • А1₂0₃ ■ 2Si0₂, каолинит А1₂О_э • 2Si0₂ * 2H₂0 и другие. Основными используемыми в настоящее время алюминиевыми рудами являются бокситы, а также нефелины и алуниты.

Бокситы. Алюминий в бокситах находится главным образом в виде гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита и др.), ко­рунда и каолинита. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35—60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe₂0₃ 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важ­ной характеристикой бокситов является отношение содержа­ний в них А1₂0₃ к Si0₂ по массе — так называемый кремневый модуль.

Кремневый модуль бокситов, поступающих для получения глинозема, должен быть не ниже 2,6. Для бокситов среднего качества этот модуль составляет 5—7 при 46-48 %_тном со­держании А1₂0₃, а модуль высококачественных — около 10 при 50 %-ном содержании А1₂0₃. Бокситы с более высоким содержанием А1₂О_э (52%) и модулем (10-12) идут для производства электрокорунда.

К числу крупных месторождений бокситов в нашей стране относится Тихвинское (Ленинградская область), Северо­уральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябин­ская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанай-ская область).

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов и урти-тов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском

 

полуострове. Основные компоненты уртита — нефелин и апа тит ЗСа₃(Р0₄)₂ • CaF₂. Их подвергают флотационному обога­щению с выделением нефелинового и апатитового концентра­тов. Апатитовый концентрат идет для приготовления фосфор­ных удобрений, а нефелиновый - для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20-30 А1₂0₃, 42-44 Si0₂, 13-14 Na_zO, 6-7 K₂0, 3-4 Fe₂0₃ и 2-3 CaO.

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K₂SO„ • Al₂(S0₄)₃ • 4А1(ОН)₃. Содержа­ние Al₂0₃ в них невысокое (20-22%), но в, них находятся другие ценные составляющие: серный ангидрид S0₃ (~20%) и щелочь Na₂0 • К₂0 (4-5 %). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы. При производстве глинозема применяют щелочь NaOH, иногда известняк СаСО_э, при элект­ролизе глинозема криолит Na₃AlF₆ (3NaF • A1F₃) и немного фтористого алюминия A1F₃, а также CaF₂ и MgF₂.

Производство криолита. Криолит в естественном виде в природе встречается очень редко и его производят искусст­венно из концентрата плавикового шпата (CaF₂). Процесс осуществляют в две стадии, первая — это получение плави­ковой кислоты HF. Тонкоизмельченный CaF₂ смешивают с сер­ной кислотой в трубчатых вращающихся печах при 200 °С. В печи протекает реакция: CaF₂+H₂S0₄=2HF+CaSO„. Поскольку в плавиковом шпате содержится в качестве примеси Si0₂, об­разуется также немного летучей кремнефтористой кислоты H₂SiF₆. Газообразные HF и H₂SiF₆ после их очистки от при­месей поглощаются в вертикальных башнях водой, в резуль­тате получают раствор плавиковой кислоты с кремнефторис­той. Его очищают от H₂SiF₆, добавляя немного соды: H₂SiF₆+Na₂C0₃=Na₂SiF₆+H₂O+CO₂. Кремнефтористый натрий вы­падает в осадок и получается очищенная плавиковая кисло­та. Вторая стадия — получение криолита. В раствор плави­ковой кислоты добавляют А1(ОН)₃ и соду и проводят так на­зываемый процесс варки криолита, в течение которого про­текают следующие реакции:

6HF + А1(ОН)₃ = H₃A1F₆ + ЗН₂0

2H₃A1F₆ + 3Na₂C0₃ = 2Na₃AlF₆ + 3C0₂ + 3H₂0.

Криолит выпадает в осадок, его отфильтровывают и про­сушивают при температуре 130—150 °С.

Фтористый алюминий получают схожим способом, добавляя к плавиковой кислоте до полной ее нейтрализации гидроксид алюминия: 3HF + Al(OH)₃ = AlF₃ + ЗН₂0.

ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА

Как уже отмечалось, технология производства алюминия сос­тоит из двух стадий: первая— производство глинозема и вторая — электролитическое получение алюминия из глино­зема. За рубежом практически весь глинозем ролучают из бокситов в основном способом Байера (К.И.Байер — австрий­ский инженер, работавший в России), на отечественных за­водах глинозем получают из бокситов способом Байера и из бокситов и нефелинов способом спекания. Оба эти способа относятся к щелочным методам выделения глинозема из руд. Способ Байера экономически целесообразно использовать для переработки бокситов с небольшим содержанием Si0₂ (с кремниевым модулем Al₂0₃/Si0₂ более 5-7), поскольку при росте количества Si0₂ все больше А1₂0₃ и используемой в процессе щелочи теряются из-за образования химического соединения Na₂0 • А1₂О_э • 2Si0₂ • 2Н₂0.

Для переработки бокситов с кремниевым модулем менее 5—7 более экономичным является способ спекания. В связи с истощением богатых глиноземом месторождений боксита и вовлечением в производство более бедных бокситов, доля способа Байера в производстве глинозема снижается и воз­растает доля способа спекания.

Способ Байера

Способ Байера — способ выделения глинозема из боксита — основан на выщелачивании, цель которого растворить содер­жащийся в боксите оксид алюминия А1₂О_э, избежав перевода в раствор остальных составляющих боксита (Si0₂, Fe₂0₃ и др.). В основе способа лежит обратимая химическая реак­ция:

А1₂0₃ • п Н₂0 + 2NaOH = Na_zO ■ Al₂0₃ + (n + l)H₂0.

При протекании реакции вправо глинозем в виде алюмината натрия переходит в раствор, а при обратном течении реак­ции образующийся гидратированный А1₂О_э выпадает в осадок. Упрощенная схема производства глинозема по способу Байера

 

боксит Едкийнатр 1 Дробление

Известь

---- \ I \ г^

покрое изм ельчение

Пульпа

\

Автоклавное выщелачивание

\ \

Раздадление пульпы

ар_

Сгущение шлама

Ал/опинатныи раствор Красный шла*

—it \r~

Декомпозиция Лронывка

Гидратная пума У""» *"&Ш.

|________________, ♦ i

3 отвал \ _____

Сгишение и классификаци я гидроксида

г----- Т 1