Алюминий, его свойства, способы получения и рафинирование

В этой статье:

1. Свойства алюминия

2. Сплавы алюминия

3. Сырые материалы для производства алюминия 3.1. Руды алюминия

3.2. Бокситы

3.3. Нефелины

3.4. Алуниты

3.5. Другие сырые материалы

3.6. Производство криолита

4. Рафинирование алюминия

Алюминий впервые выделен в свободном виде в 1825 г. датским физиком Эрстедом. В настоящее время в промышленных масштабах алюминий получают электролитическим путем. Способ получения металлического алюминия электролизом глинозема, растворенного в криолите, запатентовали в 1886 г. независимо друг от друга Поль Эру во Франции и Чарльз Хол в США.

Производство алюминия развивалось с тех пор чрезвычайно быстрыми темпами, благодаря тому значению, которое приобрел алюминий в промышленности. До 1917 г. наша страна не имела собственного алюминиевого завода, хотя русские ученые внесли большой вклад в металлургию алюминия. В 1929 г. на ленинградском был получен алюминий на Волховской энергии и на отечественном сырье. В 1932 г. пущен в строй Волховский алюминиевый завод, а в 1933 г. — Днепровский алюминиевый завод. В дальнейшем были построены алюминиевые заводы в различных районах нашей страны.

Создание мощной энергетической базы позволило нашей стране быстро выйти на одно из первых мест по производству алюминия.

Свойства алюминия

В чистом виде алюминий — металл серебристого белого цвета. Одно из важных свойств алюминия — его малая плотность: в твердом состоянии (при 20° С) она равна 2,7 г/см3, а в жидком виде (при 900° С) — 2,32 г/см3. Температура плавления высокочистого алюминия (99,996%) равна 660,24° С, температура кипения — 2500° С. Важными свойствами алюминия, определяющими его применение во многих областях промышленности, являются его хорошая электропроводность и теплопроводность.

Алюминий хорошо обрабатывается механически, обладает хорошей ковкостью, легко прокатывается в тончайший лист и проволоку. В химических реакциях алюминий амфотерен. Он растворяется в щелочах, соляной и серной кислотах, но стоек по отношению к концентрированной азотной и органическим кислотам. На внешней М-оболочке алюминия три валентных электрона, причем два — на 3s- орбите и один на 3p-орбите. Поэтому обычно в химических соединениях алюминий трехвалентен. Однако в ряде случаев алюминий может терять один p-электрон и проявлять себя одновалентным, образуя соединения низшей валентности.

Производство алюминия в настоящее время включает в себя две основные операции:

1. получение безводной, свободной от сопутствующих алюминию примесей, окиси алюминия путем сложной химической переработки природных соединений (бокситов, глины, каолина);
2. получение металлического алюминия методом электролиза глинозема, растворенного в криолите.

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 (~ 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 защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии.

Плавильные печи для рефайнеров

Рефайнеры применяют:

• печи ванного типа без применения слоя плавильных флюсов с дополнительным электромагнитным перемешиванием, а также с боковым загрузочным колодцем (рисунок 11);
• роторные (ротационные) печи со стационарной (фиксированной) осью вращения (рисунок 12);
• роторные (ротационные) печи с наклоняемой осью вращения (наклоняемые роторные печи) (рисунок 13);
• печи для переработки солевого шлака, которые выдают восстановленные (вторичные) флюсы и гранулированный алюминий;
• оборудование для обработки влажной стружки;
• другие типы печей (в небольшом количестве).

Рисунок 11 – Плавильная печь с загрузочным колодцем [6]

Рисунок 12 – Плавильная ротационная печь с фиксированной осью вращения [6]

Рисунок 13 – Плавильная ротационная печь с наклоняемой осью вращения [3]

Сплавы алюминия

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/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.

Плавильные печи для ремелтеров

Ремелтеры применяют:

• в основном традиционные плавильные печи ванного типа без применения плавильных флюсов. Это обычно отражательные подовые печи различных видов: печи с передней загрузкой, шахтные печи, печи с наклонным (сухим) подом и т.п. (рисунки 8-10)

Рисунок 8 – Отражательная плавильная печь ванного типа с передней загрузкой [4]

Рисунок 9 – Шахтная плавильная печь [5]

Рисунок 10 – Плавильная печь с наклонным подом и копильником [6]

Сырые материалы для производства алюминия

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух ста­дий. Первая — это получение глинозема (Al2O3) 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 Al2O3, гиббсит Al2O3 • ЗН2O, бемит Al2O3 • Н2O, кианит 3Al2O3 • 2SiO2, нефелин (Na, К)2O • Al2O3 • 2SiO2, каолинит Al2O3 • 2SiO2 • 2Н2О 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 Fe2O3 2—40 %, окиси титана 0,01—10 %. Важ­ной характеристикой бокситов является отношение содержа­ний в них Al2O3 к SiO2 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 %-ном содержании Al2O3, а модуль высококачественных — около 10 при 50 %-ном содержании Al2O3. Бокситы с более высоким содержанием Al2O3 (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 (Кустанайская область).

Нефелины

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита — нефелин и апатит ЗСа3(РO4)2 • СаF2. 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 Al2O3, 42—44 SiO2, 13-14 Na2O, 6-7 К2O, 3-4 Fe2O3 и 2-3 СаО.

Алуниты

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) К2SO4 • Al2(SO4)3 • 4Al(ОН)3. Содержа­ние Al2O3 в них невысокое (20—22 %), но в них находятся другие ценные составляющие: серный ангидрид SO3 (~ 20 %) и щелочь Na2O • К2O (4—5 %). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы

При производстве глинозема применяют щелочь NaОН, иногда известняк СаСО3, при элект­ролизе глинозема криолит Na3AlF6 (3NaF•AlF3) и немного фтористого алюминия AlF3, а также СаF2 и MgF2.

Производство криолита

Криолит в естественном виде в природе встречается очень редко и его производят искусст­венно из концентрата плавикового шпата (СаF2). Процесс осуществляют в две стадии, первая — это получение плави­ковой кислоты HF. Тонкоизмельченный СаF2 смешивают с сер­ной кислотой в трубчатых вращающихся печах при 200 °С. В печи протекает реакция: СаF2+Н2SO4=2НF+СаSO4. Поскольку в плавиковом шпате содержится в качестве примеси SiO2, об­разуется также немного летучей кремнефтористой кислоты Н2SiF6. Газообразные НF и Н2SiF6 после их очистки от при­месей поглощаются в вертикальных башнях водой, в результате получают раствор плавиковой кислоты с кремнефторис­той. Его очищают от Н2SiF6, добавляя немного соды: Н2SiF6+Na2CO3=Na2SiF+Н2O+СO2. Кремнефтористый натрий вы­падает в осадок и получается очищенная плавиковая кисло­та. Вторая стадия — получение криолита. В раствор плави­ковой кислоты добавляют Аl(ОН)3 и соду и проводят так на­зываемый процесс варки криолита, в течение которого про­текают следующие реакции:

6НF + Al(ОН)3 = Н3АlF6 + 3Н2O

2Н3АlF6 + 3Na2CO3 = 2Na3AlF6 + ЗСO2 + 3Н2O.

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 + 3H2O.

Потребление в промышленности и жизни

На рисунке ниже показаны восемь секторов промышленности и строительства, в которых применение алюминия происходит особенно активно. Процентные доли по различным секторам промышленности в общем потреблении представлены по статистическим данным Международного Института алюминия за 2007 год. С тех пор, думается, картина в целом не изменилась, и эти данные вполне актуальны.

Применение алюминия в готовой промышленной продукции [1]

Основными отраслями промышленности, которые активно применяют алюминий, являются:

• Строительство
• Упаковывание продукции
• Электрическая промышленность
• Транспортное машиностроение
• Производство машин и оборудования
• Производство товаров для повседневной жизни
• Порошковая металлургия
• Раскисление стали в черной металлургии

Рафинирование алюминия

Алюминий, извлекаемый из электролизных ванн, называют алюминием-сырцом. Он содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические примеси, а также газы (водо­род, кислород, азот, оксиды углерода, сернистый газ). Неметаллические примеси — это механически увлеченные час­тицы глинозема, электролит, частицы футеровки и др.
Для очистки от механически захваченных примесей, раст­воренных газов, а также от Na, Са и Мg алюминий подвер­гают хлорированию. Для этого в вакуум-ковш вводят трубку, через которую в течение 10—15 мин подают газообразный хлор, причем для увеличения поверхности соприкосновения газа с металлом на конце трубки крепят пористые керами­ческие пробки, обеспечивающие дробление струи газа на мелкие пузырьки. Хлор энергично реагирует с алюминием, образуя хлористый алюминий AlCl3. Пары хлористого алюми­ния поднимаются через слой металла и вместе с ними всплы­вают взвешенные неметаллические примеси, часть газов и образующиеся хлориды Na, Са, Мg и Н2.

Далее алюминий заливают в электрические печи-миксеры или в отражательные печи, где в течение 30—45 мин проис­ходит его остаивание. Цель этой операции — дополнительное очищение от неметаллических и газовых включений и усред­нение состава путем смешения алюминия из разных ванн. Затем алюминий разливают либо в чушки на конвейерных раз­ливочных машинах, либо на установках непрерывного литья в слитки для прокатки или волочения. Таким образом получают алюминий чистотой не менее 99,8 % Аl.

Алюминий более высокой степени чистоты в промышленном масштабе получают путем последующего электролитического рафинирования жидкого алюминия по так называемому трех­слойному методу. Электролизная ванна имеет стенки из маг­незита, угольную подину (анод) и подвешенные сверху графитированные катоды. На подину через боковое отверстие порциями заливают исходный алюминий, поддерживая здесь анодный слой определенной толщины; выше него располагает­ся слой электролита из фтористых и хлористых солей, а над электролитом — слой очищенного алюминия, который легче электролита; в этот слой погружены концы катодов.

Для того, чтобы рафинируемый алюминий находился внизу, его утяжеляют, формируя в анодном слое сплав алюминия с медью (в слое растворяют 30—40 % Сu). В процессе электро­лиза ионы Al3+перемещаются из анодного слоя через слой электролита в катодный слой и здесь разряжаются. Накапливающийся на поверхности ванны чистый катодный металл вычерпывают и разливают в слитки. Этим способом получают алюминий чистотой 99,95—99,99%. Расход электроэнергии равен ~ 18000 кВт • ч на 1 т алюминия. Более чистый алюминий получают методом зонной плавки или дистилляцией через субгалогениды.

Ремелтеры: особенности работы

Для ремелтеров основной характеристикой является качество шихты:

• чистый лом, неокисленный и неокрашенный
• в большинстве случаев – лом с одним типом алюминиевого сплава.

Выход металла является очень высоким, то есть содержание металла составляет от 96 % до 100 %. Такой лом не требует плавильных флюсов, которые предназначены для обволакивания неорганических неметаллических компонентов. Небольшое количество покровных флюсов требуется для защиты от окисления при образовании шлака. Ремелтеры могут применять различные типы печей, однако наиболее типичной является печь ванного типа, газовая и с наклонным подом. Около 0,15 % общего количества металла в загружаемой шихте превращается в оксиды. Горячий шлак, снятый с поверхности расплава, содержит около 70 % металла, в основном поглощенного шлаком. Этот шлак собирается в стальной ящик, где его покрывают слоем флюса (до 5 % от объема снятого шлака) для предотвращения окисления большей части шлака. Окончательное содержание металла в охлажденном шлаке составит около 60 %. Этот шлак направляют на переработку рефайнерам, которые переплавляют его под слоем флюсов.

Строительство

Алюминиевые окна и фасады

Основными алюминиевыми сплавами, которые находят применение в строительной промышленности, являются сплавы 6063 и 6060, а также сплав 6082 (в Европе) и сплав 6061 (в Северной Америке). Они обладают довольно высокой прочностью (6082 и 6061 – до 400 МПа) и хорошей коррозионной стойкостью.

Оконные алюминиевые профили с терморазвязкой (сплавы 6060/6063)

Важнейшие конструкционные характеристики алюминия, которые определяют применение алюминия как материала для оконных и дверных рам:

• прочность для обеспечения жесткости и безопасности;
• способность принимать сложные формы (обеспечивается экструзией);
• привлекательный внешний вид;
• коррозионная стойкость;
• минимальная потребность в техническом обслуживании.

Навесной фасад с алюминиевым каркасом (сплавы 6060/6063)

Стоечно-ригельный фасад

Алюминиевая кровля и алюминиевая облицовка зданий

Декоративные и защитные профилированные облицовочные материалы часто изготавливают из катаных алюминиевых листов. Различные виды декоративных и защитных покрытий делают их идеальными материалами для применение в качестве кровельного материала.

Применение для кровли и облицовки зданий обеспечивают следующие свойства алюминия:

• низкая масса, благодаря низкой плотности;
• стойкость к воде;
• коррозионная стойкость;
• декоративный вид.

Алюминиевая кровля

Машины и оборудование

Отопительные и вентиляционные системы

Алюминиевые сплавы серий 3000, 5000 и 6000 обладают хорошей термической проводимостью. В комбинации с высокой прочностью эти сплавы являются хорошим выбором для применения в системах обогрева и вентиляции. Эти системы включают следующие компоненты, в которых применяют алюминиевые сплавы:

• компрессоры;
• конденсеры/испарители;
• расширительные клапаны;
• вентиляторы;
• трубы.

Свойства алюминия, которые важны для отопительных и вентиляционных систем:

• высокая теплопроводность;
• высокий контактный коэффициент;
• малая плотность;
• высокая коррозионная стойкость.

Провода и кабели

Высокая электрическая проводимость марок алюминия серии 1000, а также алюминиевых сплавов серии 8000, делает их весьма подходящими для изготовления электрических проводников. Алюминиевые проводники применяют в следующих случаях:

• распределительные электрические подстанции;
• силовые системы высотных зданий;
• высоковольтные линии электропередач;
• большинство подземных линий электропередач;
• силовые кабели для промышленного применения.

Большая часть алюминия в электротехнической промышленности применяется в виде кабелей (8 из 13 %). Однако его применяют также и в виде электрических шин для оборудования с большой силой тока, а также для питания электричеством больших зданий. Кроме того, кабели для промышленных, торговых и жилых зданий могут содержать много изолированных проводников, которые помещают в общий защитный алюминиевый рукав.

Требования к алюминию, который применяется для электротехнических приложений:

• приемлемая стоимость;
• достаточно высокая электрическая проводимость;
• коррозионная стойкость;
• прочность.

Страны лидеры по добыче алюминиевых руд

Jсновные месторождения алюминия сосредоточены в регионах с тропическим климатом, а большая часть 73% залежей приходятся на всего 5 стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. Из них самые богатые запасы имеет Гвинея более 5 млрд. тонн (28%от мировой доли).

Если разделить запасы и объемы по добыче, то можно получить следующую картину:

• 1-е место – Африка (Гвинея).
• 2-е место – Америка.
• 3-е место – Азия.
• 4-е место – Австралия.
• 5-е – Европа.

Пятерка лидеров стран по добыче алюминиевой руды представлена в таблице

Также к основным добытчикам алюминиевых руд относятся: Ямайка (9,7 млн. т.), Россия (6,6), Казахстан (4,2), Гайана (1,6).