Легкие цветные металлы

Алюминий, его свойства, способы получения и рафинирование

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 заводе «Красный выборжец» 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.

АлюминийАлюминий 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.

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.

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: СаF22SO4=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

3АlF6 + 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.

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.