Потребительские свойства алюминия

3 

   ВВЕДЕНИЕ 

  Металлургия – одна из важнейших базовых отраслей  мировой

промышленности. Особое место в ней занимает металлургия  легких  металлов  и сплавов (алюминий, магний, титан,  кремний и т.д.),  без которых сегодня

немыслим  научно-технический прогресс в освоении космоса, авиа-,  автомобиле-и судостроении, в различных отраслях машиностроения,  химии,  строительстве, в быту.

   Ключевую роль среди металлургии лёгких металлов занимает  алюминиевая

отрасль.

   По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода и кремния), на его долю приходится около 8,8% массы земной коры.

   По объемам производства алюминий занимает второе место (после железа), а по объемам экспорта первое место в мире, также алюминий  имеет невысокую стоимость  по отношению к другим металлам.

   Алюминий входит в состав огромного числа минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, — некоторые плауны, моллюски. В организм человека алюминий ежедневно поступает с пищей (около 2-3 мг), но его биологическая роль не установлена. В среднем в организме человека (70 кг) в костях, мышцах содержится около 60 мг алюминия.

   Название алюминий происходит от латинского alumen - так ещё за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский учёный Х. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный AlCl₃ и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый алюминий. Первый промышленный способ производства алюминия предложил в 1854 французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль. Похожий по цвету на серебро, алюминий на первых порах ценился очень дорого. Современный способ получения алюминия электролизом криолито-глинозёмного расплава разработан в 1886 одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

   С 1855 по 1890 было получено всего 200 т алюминия. Но в последующее десятилетие алюминия было произведено 28000 тонн и за один год, в 1930 году – 27000. Современный мировой объем производства алюминия  около 10 млн. т. в год.

 

1.Применение алюминия первичного в сфере производства и потребления.

По масштабам  применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники  и быта связано с совокупностью  его физических, механических и химических свойств: коррозионной стойкостью в  атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью  и сравнительно высокой прочностью. Алюминий  имеет в три раза более низкую плотность, вследствие  чего алюминий  применяется там ,где малая плотность  и большая удельная прочность имеют важное значение.

Из технического алюминия  изготавливают  различные  трубопроводы, палубные надстройки морских  и речных судов, кабели, электропровода , шины, конденсаторы, корпуса часов , витражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, цистерны для молока и  т. д.

Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче  меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Из алюминиевой  ленты  толщиной 0,2 – 0,3 мм. изготавливают консервные банки.

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

Алюминий широко применяется в авиации, строительстве, металлургии (легирующая добавка), алюмотермии, в машиностроении (для изготовления различных  транспортных аппаратов). В технике очень важно, чтобы собственный вес транспортной машины  был  минимален, что дает возможность при той же мощности мотора повысить грузоподъемность аппарата. Использование алюминия в авиации всем известно. За границей алюминий широко применяется для изготовления многих деталей железнодорожных вагонов , автомобилей и подъемных кранов  различных конструкций.

 

3

2.Классификационные признаки алюминия первичного.

В зависимости  от химического состава первичный  алюминий подразделяется на:

а)алюминий особой чистоты                        

Марка  А 999(99,999% Al) 

б)алюминий высокой  чистоты

Марки A995(99,995%Al),A99(99,99%Al),A97(99,97%Al),A95(99,95) 

в)алюминий технической чистоты

 Марки  A85(99,85),A8(99,8),A7,A6,A5,A0(99,0%Al) 

Кодировка по ТНВЭД

Раздел  ХV– недрагоценные металлы и изделия них

Группа 76 – алюминий и изделия из него

Позиция 7601 – алюминий необработанный

Кодировка по ОКП

Секция  D – продукция перерабатываемой промышленности

Подсекция DJ – основные металлы и готовые металлические изделия

Раздел 27 – основные металлы

Группа 27.4

Класс 27.42. – алюминий и полуфабрикаты  из алюминия

Категория 27.42.1. – алюминий необработанный; глинозем

Подкатегория  27.42.11. – алюминий необработанный

 

3.Потребительские свойства алюминия первичного.

Преимущества  алюминия  перед  другими  конструкционными  материалами

выражается  в следующем:

1.сравнительно низкий для металлов удельный вес;

2.высокая коррозионная стойкость;

3.легкость формования и обработки;

4.способность к стопроцентной  вторичной  переработке  (при  этом  экономия энергии 95%);

5.огнестойкость;

6.высокая электропроводность;

7.стойкость к низким температурам (при низких температурах он обладает даже более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью).

8.высокая отражательная способность;

9.бактерицидность;

10.немагнитность ;

11.отсутствие искрообразования при ударе;

 Эти  свойства немаловажны, а в некоторых случаях даже становятся решающими при выборе материала для той или иной конструкции.

Например, при строительстве в северных районах весьма важно такое качество алюминия, как надежность работы при  низких температурах - этот бич большинства  строительных материалов. Для некоторых  конструкций этот фактор имеет не меньшее значение, чем коррозионная стойкость или малая масса. Во взрывоопасных производствах используется другое преимущество алюминия - отсутствие искр при ударе, а в некоторых  производственных или лабораторных помещениях весьма важна  немагнитность  алюминия.

Конструкции из алюминия требуют более низких затрат  в  течение  срока

службы  и  практически  не  требуют  ремонта.  Обладая  хорошей   гибкостью, алюминиевые конструкции эффективно  несут  нагрузки  и  значительно  снижают затраты на сооружение фундаментов и  опор.  Это  позволяет  в  сжатые  сроки производить модернизацию строительных  сооружений,  мостов,  путепроводов  и т.п.

Во всех видах транспорта присутствие алюминия  обеспечивает  повышение

скорости  и безопасности движения, экономию энергии.

 

Коррозионная  стойкость

Алюминий обладает  высокой коррозионной  стойкостью  в атмосферных условиях: в аммиаке, сернистом и др.газах, в морской воде, в азотной кислоте. Это объясняется наличием  на его поверхности защитной пленки Al₂O₃. Чем чище алюминий и чем он более свободен от различных примесей , тем выше  его коррозионная устойчивость. Так, такая примесь как железо  заметно снижает коррозионную стойкость алюминия.

Коррозионная  стойкость алюминия настолько высока, что алюминиевые конструкции  можно применять без защитных покрытий. Например, срок службы алюминиевых  листов 0,7-0,8 мм в атмосфере индустриальных центров достигает 100 лет, а в сельской местности превышает 100 лет. В наиболее агрессивной атмосфере прибрежной полосы морей и океанов срок службы таких листов до настоящего времени  определяли равным пятидесяти годам, но последние исследования показали, что  он может быть значительно увеличен.

Стальные  листы, если их оцинковать горячим способом и нанести на цинк специальное  многослойное покрытие (например, типа версакор или гельбестос), будут  столь же долговечны, но вдвое дороже алюминиевых. Кроме того, любое местное  повреждение станет очагом интенсивной  коррозии.

Понятно, что чем больше поверхность конструкции, тем больше материалов и затрат труда  требует защита ее от коррозии. Поэтому  коррозионно-стойкий металл наиболее выгодно применять в конструкциях, состоящих из тонкостенных листов и  профилей.

 

4.Технология производства первичного алюминия и его технико – экономическая оценка. 

Алюминий  - наиболее распространенный металл  в природе, он входит в состав более 250 минералов. Наиболее важные алюминиевые руды : бокситы , нефелины , алуниты. Основная руда – бокситы , горные породы сложного состава, содержащие гидраты Al(OH)₃ др. Качество бокситов  тем выше, чем меньше в них содержание обычной примеси – кремнезема  SiO₂ (0,5 – 15 %). 

Современное  производство алюминия состоит из двух основных процессов : получения глинозема  Al₂O₃ из бокситов и получения металлического алюминия путем электролиза расплавленного глинозема.

Глинозем  получают щелочными ,электротермическими и другими способами. Наиболее распространенным  является   щелочной способ , разработанный  в конце  19 в. К.И.Байером.

Подготовка  боксита – дробление его крупных кусков и затем мокрый  размол , т.е. измельчение в шаровых мельницах ,куда доливают оборотный раствор с добавками щелочи (NaOH).

Выщелачивание ( или варку) полученной пульпы проводят в автоклавах (герметических стальных сосудах цилиндрической формы , диаметром 1,5- 2,5 м., высотой 8-14 м.).Процесс идет при температуре 105 – 250⁰С,давлении 2,5 – 3,5  мПа, концентрации щелочи (NaOH) 250 – 300 г/л. Для нагрева и перемешивания пульпы широко используется  пар ,подаваемый через сопла в днище. При выщелачивании (1-3 ч.) образуется алюминат натрия :

AlO(OH) + NaOH = NaAlO₂ + H₂O ; Al(OH)₃ + NaOH = NaAlO₂ + 2H₂O.

Расбавление ,сгущение ,фильтрацию проводят  для получения из автоклавной пульпы чистого раствора алюмината натрия .Пульпу разбавляют промывочной водой для последующего более полного удаления твердых частиц красного шлама и направляют в чаны-сгустители для отфильтровывания.

Выкручивание ( или декомпозиция) – разложение раствора алюмината натрия  с  выделением  Al(OH)₃, выпадающей в осадок по реакции

NaAlO₂ +2H₂O=Al(OH)₃+NaOH.

Кальцинация , т.е. обезвоживание Al(OH)₃,проводят его прокаливанием при 1200⁰С в трубчатых вращающихся печах  или в установках с кипящим слоем : 2Al(OH)₃ =Al₂O₃ + 3H₂O.Выход глинозема составляет около 85 %, на одну тонну глинозема расходуется 2 -2,5 тонн боксита. Потери связаны  с образованием силикоалюмината натрия при выщелачивании боксита. Поэтому щелочным  способом перерабатывают бокситы с небольшим содержанием кремнезема.