Каким методом в металлургии получают алюминий. Металлургия алюминия, магния и титана

Алюминий - один из наиболее молодых промышленных металлов. Малый удельный вес, стойкость против окисления, способность образовывать сплавы со многими другими металлами, легкая обрабатываемость, высокая механическая прочность и антикоррозионная стойкость сделали алюминий одним из наиболее прогрессивных металлов. К середине XX в. алюминий по производству и использованию занял второе место (после железа).
Рост производства алюминия опережает рост производства железа, меди, свинца, цинка и даже рост населения земли, общей промышленной продукции и прирост электрической мощности.
За двадцать лет (с 1937 по 1957 гг.) в капиталистических странах выпуск алюминия увеличился с 444 тыс. т до 2730 тыс. т, или более чем в 6 раз, в то время как производство стали за это время повысилось менее чем в два раза, мели на 37%, свинца на 10% и цинка на 68%. Динамика производства алюминия в капиталистических странах характеризуется следующими показателями количественного роста тыс. T металла:

Основные производители алюминия в капиталистическом мире - США, Канада, Франция, Западная Германия, Норвегия, Япония, Италия. Ниже приведены данные о производстве алюминия в капиталистических странах, тыс. т:

Рост производства алюминия в капиталистических странах, и в первую очередь в США, Канаде и Франции, стал возможным после того, как была осуществлена большая программа строительства крупных глиноземных и алюминиевых заводов, созданы источники дешевой электроэнергии, а алюминий нашел применение во многих отраслях хозяйства.
Производство алюминия обычно создается вблизи источников дешевой электроэнергии, удельный вес которой составляет около 15% всей стоимости алюминия. Экономия средств на электроэнергию обычно превышает в несколько раз транспортные расходы на доставку богатого алюминием сырья на заводы даже из весьма удаленных пунктов его добычи. Развитие алюминиевой промышленности шло по пути создания очень крупных глиноземных и алюминиевых заводов при значительной концентрации производства, особенно в США и Канаде.
При общей мощности алюминиевых заводов капиталистических стран на 1 января 1958 г. 3300 тыс. т мощность заводов США достигает 1670 тыс. т, в том числе компании «Алкоа» (Алюминиум Компани оф Америка)-719,0, «Рейколдэ Металз Компани» - 443,3, «Кайзер Алюминиум энд Кемикл Корп.» - 451,8 и «Анаконда Алюминиум Компани» - 54,4 тыс. г, а мощность заводов Канады - более 740 тыс. т, в том числе компании «Алюминиум компани оф Канада» - 703,9 тыс. т. в год.
Имеются сообщения о программе дальнейшего строительства и расширения заводов. К 1961 г. в США намечается ввести в эксплуатацию около 700 тыс. T новых мощностей по производству алюминия; в Канаде - 120 тыс. т.
В Европе алюминиевая промышленность получила развитие во Франции, Норвегии, Италии и ФРГ. В этих странах также намечено строительство новых алюминиевых заводов.
Алюминиевые заводы США и Канады по мощности можно распределить следующим образом:

Мощность европейских заводов ниже: из 36 алюминиевых заводов в капиталистических странах только 6 имеют мощность от 30 до 60 тыс. т.
США, производство алюминия в которых составляет более 54% общего производства алюминия в капиталистических странах, добывают лишь 3% бокситов из общей добычи их. Основные месторождения бокситов находятся на островах Караибского моря, в Южной Америке, Африке и Австралии. Всего в странах капиталистического мира добывается 15-17 млн. T бокситов в год. Главные источники бокситов - Голландская Гвиана (3,5 млн. т) и Ямайка (3,1 млн. т). В Европе первое место по добыче занимает Франция (1,5 млн. т.), расширяется добыча высококачественных бокситов в Греции.
Лом и скрап - важные источники сырья для производства вторичного алюминия. Доля вторичного алюминиевого сырья составляет в общем потреблении алюминия в США 22-25%. в Англии 30-32%, в ФРГ - более 30% и во Франции 24-26%.
В США при производстве в 1956 г. 1523 тыс. т первичного алюминия выпуск вторичного составил 320 тыс. т. В ФРГ в 1957 г. при производстве первичного алюминия 154 тыс. т вторичного алюминия было выплавлено 88 тыс. т.
Общее количество потребляемых в капиталистических странах вторичных алюминиевых материалов превысило полмиллиона тонн.
Разнообразие свойств алюминия и сплавов из него обусловили широкое его применение в различных областях промышленного производства и строительства, а также в быту. Алюминий используется при изготовлении более 500 тысяч различных изделий современной промышленности.
Потребление алюминия ведущими капиталистическими странами особенно возросло в годы второй мировой войны и в послевоенные годы. Если до второй мировой войны потребление алюминия увеличивалось вдвое через каждые 10 лет, то за последние годы оно увеличивается вдвое через каждые пять лет.
К 1957 г. потребление алюминия в капиталистических странах превысило 2600 тыс. T и достигло в США 1610 тыс. т, в Англии 216 тыс. т, во Франции 152 тыс. т, в Японии 71 тыс. г и в ФРГ 206 тыс. т
Развитие производства алюминия непосредственно связано с развитием авиации, так как алюминий является главным материалом в самолетостроении. Производственные мощности алюминиевых заводов и создание стратегических запасов алюминия определяют во многом военную мощь страны. В последние годы США выделяют субсидии на строительство новых заводов и одновременно производят большие закупки алюминия для стратегических запасов. Только за период 1953-1955 гг. стратегические запасы алюминия в США достигли примерно 450 тыс. т.
Алюминий и алюминиевые сплавы находят широкое применение в авиации потому, что удельный вес алюминия (2,65-3) в 2,5-3 раза меньше удельного веса стали и медных сплавов. Кроме того, прочность алюминия и его сплавов достаточно высокая.
Алюминий необходим также и для танкостроения, артиллерии, производства средств связи, взрывчатых веществ, осветительных и зажигательных снарядов. Применение алюминия для деталей военных судов снижает их водоизмещение при сохранении боевых качеств. Большое значение приобретает алюминий и в снаряжении армии.
Электротехническая промышленность - следующая за военной отрасль промышленности по расходу алюминия. Алюминий по электропроводности значительно превосходит другие металлы, уступая лишь серебру и меди. При поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, вес алюминиевых проводов вдвое меньше медных. Провода и кабели из алюминия распространены в Европе в большей степени, чем в США. Применяют высокопрочные сплавы алюминия с магнием, кремнием и кадмием. Содержание этих элементов таково, что заметно не снижается электропроводность сплавов. Наиболее известны сплавы: альдрей (ФРГ), альмелек (Франция) и сильмалек (Англия).
Электропромышленность России непрерывно увеличивает спрос на алюминий. Только в производстве кабельной продукции удельный расход от общего потребления алюминия возрос с 1950 по 1958 гг. в два с половиной раза. Ленинская программа сплошной электрификации страны может быть осуществлена только при широком внедрении в электротехнику алюминия. Больших успехов добились в этом и другие социалистические страны (особенно Чехия и Германия).
Механические и физические свойства алюминия и его сплавов, особенно легкость и большая теплопроводность, предопределили их широкое применение в машиностроении и моторостроении. Способность алюминия образовывать различные сплавы с другими металлами дает возможность подобрать необходимый материал для различных условий его применения.
Алюминий и особенно его сплавы при литье дают хорошую поверхность. высокую точность размеров и минимальный вес. Производственный процесс изготовления деталей разрешает конструкторам проектировать наивыгоднейшую и даже очень сложную форму деталей при высокой прочности и минимальном расходе металла. Легирование алюминия магнием порядка 0,7%, кремнием и медью повышает его прочность. Для отливки корпусов моторов, коробок скоростей, поршней и других деталей автомобилей алюминий применяется в виде сплава, называемого силумином.
В автомобильной промышленности применение алюминия постоянно расширяется. В США на изготовление одной автомашины Кадилак Эльдорадо расходуется до 86,9 кг алюминия. Более высокий расход его в автостроении европейских стран: от 30 до 130 кг на одну машину. Технические и экономические обоснования показывают рациональность повышения расхода до 195 кг. Ha одну машину. Компания «Дженерал Моторе» заявила о выпуске трех экспериментальных двигателей, выполненных целиком из алюминия и его сплавов.
Применение алюминиевых сплавов при изготовлении железнодорожных вагонов и локомотивов позволяет уменьшить вес вагона на 50% и вес тепловоза на 4-5 т.
В химическом машиностроении используется высокая антикоррозионная стойкость алюминия. Из алюминия изготовляется аппаратура и тара для транспортировки азотной кислоты. Для повышения антикоррозионной стойкости алюминий легируют марганцем.
Алюминий применяется в металлургии для раскисления стали и для сварки железных и стальных изделий, а также находит широкое применение и в консервной промышленности для изготовления всевозможной тары: из алюминия изготовляется тара для молока, пива и других жидкостей.
В последние годы в развитых капиталистических странах резко расширилось применение алюминия для конструктивных элементов промышленного и жилищного строительства, особенно в США: количество алюминия, примененного в строительстве жилых и гражданских сооружений, увеличилось с 220 тыс. г в 1952 г. до 400 тыс. т в 1955 г. и более 500 тыс. т в 1957 г., что составило почти четвертую часть всего потребления в стране металла.
В США почти 20%) всего расходуемого в строительстве алюминия идет на изготовление оконных рам. Алюминиевым конструкциям отдается предпочтение в тех случаях, когда достигается технический эффект от снижения веса, а не от простой замены стальных конструкций алюминиевыми. Так, в Англии были построены из алюминия два ангара и выставочное здание. Вес ангара, построенного в Хетфильде, в семь раз меньше веса ангара из стальных конструкций. Применяя алюминий, можно строить мосты с большими пролетами. Широко применяется алюминий для изготовления легких передвижных конструкций, кранов, стрел, драг и деталей экскаваторов.
Имеются сведения о том, что США расходуют свыше 100 тыс. т алюминиевых гофрированных листов при строительстве складов, промышленных зданий и сельскохозяйственных строений. Компания «Рейнольд металле» разрабатывает проект постройки домов, в которых будут широко использованы алюминиевые сплавы. Применяются также и крупные блоки из алюминиевых сплавов для стен высотных зданий: вес такого блока в 4-4,5 раза меньше веса каменной кладки такого же объема. В Англии более 40 компаний занимаются производством сборных алюминиевых домиков на экспорт. Алюминию, безусловно, принадлежит большое будущее в строительстве.
Нанося распыленный алюминий на стальные конструкции, получают прочное защитное от коррозии покрытие. Анодированный алюминий служит как облицовочный материал для архитектурных деталей.
Усиливается использование алюминия как тары и упаковочного материала. Так, в 1957 г. в США потребление алюминиевой фольги составило 98,1 тыс. T против 38 тыс. т в 1950 г.
Характеристика структуры потребления алюминия в развитых капиталистических приведена ниже, % от общего потребления в странах стране:

Основное количество алюминия потребляется в виде полуфабрикатов из алюминия и его сплавов. В США в течение длительного периода времени потребление алюминия в полуфабрикатах, обработанных давлением, составляло 75-80%, а литье 20-25%. Для других стран характерны другие соотношения. Так, в ФРГ расходуется в полуфабрикатах, обработанных давлением, 60-65% алюминия, для литья - около 30% и 5% для нужд сталелитейной промышленности.
Для получения литейных сплавов в основном используются вторичные металлы. В общем производстве литейных сплавов они занимают в Англии 80%. в США 75%, в Швейцарии 60% и во Франции 50%, причем эти сплавы по качеству не уступают первичным алюминиевым сплавам того же состава.
Полуфабрикаты, изготовленные обработкой давлением, исключительно разнообразны по форме и размерам. Важнейшие виды алюминиевого проката в США представлены ниже, тыс. т:

Современный период промышленного развития знаменуется все возрастающей ролью алюминия в технике и в производстве; его значение настолько велико, а применение стало настолько обширным, что в технической литературе не без основания называют алюминий металлом XX в.
Алюминий в самых различных областях выступает как основной заменитель железа, меди, свинца и цинка.
Как заменитель стали он уже занял заметное место в машиностроении, особенно в производстве автомобилей, в строительстве, особенно в передвижных конструкциях и в сооружениях с большими пролетами.
Так, в США в 1939 г. в среднем на один автомобиль шло 2,5 кг алюминия, в 1952 г. - 6,8 кг. а в 1957 г - 18,4 кг. В настоящее время на каждый автомобиль расходуется 23,5 кг алюминия - в основном на автоматические трансмиссии и мотор.
Дальнейшее расширение производства алюминия и снижение его стоимости увеличивают возможность использовать алюминий как заменитель железа.
Алюминий как заменитель меди применяется в электротехнике для изготовления кабелей и проводов, мелких электромоторов и трансформаторов малой мощности, конденсаторов, арматуры и осветительных приборов. Применять алюминий в электротехнике начали более 50 лет назад, но только в последние годы в этой области был достигнут значительный прогресс и алюминий стали применять вместо меди в широких масштабах.
Фирма «Алюминиум компани оф Канада Лимитед» построила в 1957 г. завод непрерывного анодирования алюминиевой проволоки.
Пленка окиси алюминия имеет высокую диэлектрическую постоянную и химически инертна; температура ее плавления намного превосходит температуру плавления находящегося под ней алюминия. Пленка очень твердая, но пористая, обладает хорошей адгезией к алюминию и высокой устойчивостью к абразивному износу. Толщина пленки менее 0,013 мм (0,0005 дюйма), следовательно, она занимает очень мало места в обмотке Поэтому можно использовать алюминиевую проволоку большего сечения, чтобы получать такие плотности тока, как и в случае медной проволоки. Тонкий оксидный слой обеспечивает хороший теплоотвод от обмотки; важным преимуществом оксидной изоляции является ее малый вес.
Алюминий как заменитель свинца используется для изготовления оболочек кабелей и будет использоваться до тех пор, пока его не заменят пластическими массами.
Как заменитель цинка алюминий найдет применение в изготовлении кровельного материала вместо оцинкованного листа.
Алюминий значительно вытеснит олово, расходуемое в виде белой жести на изготовление консервных банок. Наметившиеся пути замены алюминием других цветных металлов объясняются рядом его технико-экономических преимуществ.
Запасы меди, свинца и цинка по сравнению с запасами алюминия незначительны, поэтому производство этих металлов менее обеспечено надежными месторождениями, чем производство алюминия. Первоначальные затраты на организацию производства алюминия значительно меньше затрат на организацию производства меди, свинца, олова и других металлов.
Алюминий уже сейчас дешевле других цветных металлов; по мере расширения объема и совершенствования техники производства стоимость его будет снижаться в результате усовершенствований процессов получения глинозема и существенных изменений в оборудовании электролитных заводов.
Имеются многочисленные сообщения о перспективе роста производства алюминия в капиталистических странах и о том, что рост потребления алюминия наибольший в сравнении с другими металлами. Высказано предположение, что к 1965 г. суммарная мощность алюминиевой промышленности капиталистических стран достигнет примерно 4,5 млн. т, в том числе США и Канады 3,4 млн. т.
Комиссия Пэйли по обеспечению США сырьевыми материалами на 1950-1975 гг. предполагала, что потребление первичного алюминия в 1975 г. составит в США 3300 тыс. г, а в остальных капиталистических странах 2200 тыс. т, общее потребление 5500 тыс. т. Форма «Рейнолдз металз компани» полагает, что к 1975 г. потребность США в алюминии возрастет в 5 раз; с 1,8 млн. г до 9 млн. т.
Эти оценки развития алюминиевой промышленности правильно отражают тенденции к расширению сфер применения алюминия. Однако здесь не учитывается капиталистический характер производства и, следовательно, возможные неожиданные колебания в производстве и потреблении алюминия.

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.

Свойства

Алюминий - элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Атомный номер 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов.

Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния). Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

Важнейшими минералами, содержащими алюминий, являются:

Корунд- Al 2 O 3

Диаспор (бемит) -AlOOH

Шпинель - Al 2 O 3 ·MgO

Гиббсит -Al(OH) 3

Кианит (андалузит, силимонит) - Al 2 O 3 ·SiO 2

Каолин - Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O

Основные алюминиевые руды – бокситы, нефелины, алуниты, каолины и кианиты. Содержание глинозёма в промышленных бокситах колеблется от 40 % до 60 % и выше. Используется также в качестве флюса в чёрной металлургии. К числу крупных месторождений бокситов в нашей стране относится Тихвинское (Ленинградская область), Северо-уральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябинская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область).

Физические свойства

металл серебристо-белого цвета, лёгкий,

плотность - 2,7 г/см³,

температура плавления у технического алюминия - 658 °C, у алюминия высокой чистоты - 660 °C

удельная теплота плавления - 390 кДж/кг,

температура кипения - 2500 °C

твёрдость по Бринеллю - 24…32 кгс/мм²,

высокая пластичность: у технического - 35 %, у чистого - 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу

модуль Юнга - 70 ГПа.

Алюминий обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм·м) и теплопроводностью (1,24×10−3 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

слабый парамагнетик

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. 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. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин)

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.

Производство

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая - эти получение глинозема (Аl 2 O 3) из рудного сырья и вторая- получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Способ Байера

Способ Байера - способ выделения глинозема из боксита - основан на выщелачивании, цель которого растворить содержащийся в боксите оксид алюминия Аl 2 O 3 , избежав перевода в раствор остальных составляющих боксита (SiO 2 , Fe 2 O 3 и др.). В основе способа лежит обратимая химическая реакция:

Аl 2 O 3 · n Н 2 O + 2NaOH = Na 2 O · Аl 2 O 3 + (n + 1)H 2 O

При протекании реакции вправо глинозем в виде алюмината натрия переходит в раствор, а при обратном течении реакции образующийся гидратированный Аl 2 O 3 выпадает в осадок.

1. Подготовка боксита к выщелачиванию. Боксит дробят и размалывают до фракций размером 0,05-0,15 мм в среде добавляемой щелочи и оборотного раствора щелочи NaOH, добавляют также немного извести, активизирующей выщелачивание.

2. Выщелачивание боксита, заключается его в химическом 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 +H2O

Al(OH) 3 +NaOH → NaAlO 2 +2H 2 O;

SiO 2 +2NaOH → Na 2 SiO 3 +H 2 O;

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.

Выщелачивание производится в автоклавах - сосудах, работающих под давлением. Продуктом является автоклавная пульпа, состоящая из алюминатного раствора (содержащего Na 2 O · Аl 2 O 3) и шлама (осадка, в который выпадают остальные примеси боксита).

3. Отделение 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).Получаемый красный шлам (окраску ему придают частицы Fe 2 O 3) идет в отвал, шлам содержит, %: Аl 2 O 3 12-18, SiO 2 6-11, Fe 2 O 3 44-50, CaO 8-13.

4. Разложение алюминатного раствора , называемое также декомпозицией или выкручиванием, проводят с целью перевести алюминий из раствора в осадок в виде Аl 2 O 3 · 3 Н 2 O, для чего обеспечивают течение приведенной выше реакции выщелачивания влево, в сторону образования Аl 2 O 3 · 3 Н 2 O. Чтобы указанная реакция шла влево, необходимо понизить давление (до атмосферного), разбавить и охладить раствор, ввести в него затравки (мелкие кристаллы гидрооксида алюминия) и пульпу для получения достаточно крупных кристаллов Аl 2 O 3 · 3 Н 2 O перемешивать в течение 50-90 ч. 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 + 4H 2 O → Al(OH) 3 +2NaOH;

5. Отделение кристаллов гидрооксида алюминия от раствора и классификация кристаллов по крупности. После декомпозиции пульпа поступает в сгустители, где гидрооксид отделяют от раствора. Полученный гидрооксид в гидросепараторах разделяют на фракцию с размером частиц 40-100 мкм и мелкую фракцию (размером < 40 мкм), которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

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, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

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

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% α- Al 2 O 3 (корунд), остальное γ- Al 2 O 3 .

Извлечение глинозема при использовании описанного способа Байера составляет около 87 %. На производство 1 т глинозема расходуют 2,0-2,5 т боксита, 70-90 кг NaOH, около 120 кг извести, 7-9 т пара, 160-180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт · ч электроэнергии.

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:

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

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.

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-ferrousmetals, 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.

1. СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины.

2. ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

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 энергетики 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. ,

3. СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая – это получение глинозема (Al 2 O 3) 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 Al 2 O 3 , гиббсит Al 2 O 3 . 3H 2 O, бемит Al 2 O 3 . H 2 O, кианит 3Al 2 O 3 , 2SiO 2 , нефелин (Na, K) 2 O . Al 2 O 3 . 2SiO 2 , каолинит Al 2 O 3 , 2SiO 2 . 2H 2 Oи 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 каолинта. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35-60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe 2 O 3 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al 2 O 3 к SiO 2 по массе – так называемый кремневый модуль.

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

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита – нефелин и апатит 3Ca 3 (PO 4) 2 . CaF 2 . Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приго товления фосфорных удобрений, а нефелиновый – для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20-30 Al 2 O 3 , 42-44 SiO 2 , 13-14 Na 2 O, 6-7 K 2 O, 3-4 Fe 2 O 3 и 2-3 CaO.

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K 2 SO 4 . Al 2 (SO 4) 3 . 4 Al(OH) 3 . Содержание Al 2 O 3 в них невысокое (20-22%), но в них находится другие ценные составляющие: серный ангидрид SO 3 (~ 20%) и щелочь Na 2 O , K 2 O (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 CaCO 3 , при электролизе глинозема криолит Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) и немного фтористого алюминия AlF 3 , а также CaF 2 и MgF 2 .