Каталог :: Технология

Реферат: Производство алюминия

                                  План.                                  
            Общие сведения о алюминии............................. 2            
Особенности восстановления активных металлов.......... 3
Свойства и получение активных металло................. 3
Руды алюминия......................................... 5
Производство глинозема................................ 6
Способ Байера........................................ 7
Производство электродов............................... 8
Сырье для получения электродов....................... 8
Электролит алюминиевой ванны.......................... 9
Конструкции электролизеров........................... 10
Выливка алюминия..................................... 11
Структура себестоимости алюминия-сырца.............. 11
Получение алюминия особой чистоты.................... 13
Сплавы алюминия...................................... 13
Литература........................................... 18
                                                                              
     
Общие сведения о алюминии.
     Алюминий (Aluminium) - химический элемент третьей группы
периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается
латинскими буквами Al . Это серебристо-белый металл, легкий (Плотность=
2,7 г/см3) , легкоплавкий (tпл = 660,4 °С ), пластичный,
легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно
высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2,3 раза
больше чем у меди)
Алюминий находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al
2O3) составляет основу глинозема. Алюминий в природе
встречается в соединениях - его основные минералы:
·     боксит  - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH,
гидраргиллита Al(OH)3  и оксидов других металлов - 
алюминиевая руда;
·     алунит - (Na,K)2SO4 * Al2(SO4)3 * 4Al(OH)3 ;
·     нефелин - (Na,K)2O * Al2O3 * 2SiO2 ;
·     корунд - Al2O3 - прозрачные кристаллы;
·     полевой шпат (ортоклаз) - K2O * Al2O3 * 6SiO2 ;
·     каолинит - Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O - важнейшая составляющая часть глины
и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.
И хотя содержание его в земной коре 8,8% (для сравнения, например, железа в
земной коре 4,65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье
место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии
впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.
Особенности восстановления активных металлов.
Большинство металлов добывают из их соедитнений с помощью восстановительных
процессов. Так, способы получения железа, олова, свинца, меди и других
металлов средней активности основаны на восстановлении руд углеродом при
высоких температурах. Для получения металлов высокой активности, такие
способы неприменимы из-за большой скорости окисления этих металлов
кислородом, содержащимся в реакционной газовой смеси.
Промышленное производство многих активных металлов на электролизе
расплавленных  сред. Электролизу подвергается либо соль металла, либо его
окисел, растворенный в солевом расплаве. Состав  расплава подбирают таким,
чтобы в нем не было катионов, разряжающихся при меньшем напряжении, чем
катион получаемого металла.
Свойства и получение активных металло.
Электролиз расплавленных солей - сравнительно молодой металлургический
процесс. Его разработка и промышленное освоение стали  возможными лишь при
уровне науки и техники, достигнутом только во второй половине ХIХ века.
Поэтому история применения металлов, восстанавливаемых электролизом
расплавов, насчитывает не более ста леит (если не принимать во внимание малые
количества металлов, получаемых ранее в лабораториях ученых).
     

Завод по производству алюминия. Производство этих металлов росло и продолжает расти очень быстро. Алюминия сейчас производят в мире больше, чем меди или цинка, магния - почти столько же, сколько олова или никеля. По масштабам производства наиболее применяемые в наше время металлы располагаются в такой последовательности: железо, алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово, магний, титан. Но уже в ближайшие годы произойдут изменения в этом ряду, так как по темпам развития производства магний, и особенно титан, значительно опережают стоящие впереди металлы. Только железо, по-видимому, надолго сохранит место главного металла человечества. Несмотря на быстрое развитие алюминиевой промышленности, разница между выпуском алюминия и железа еще очень велика. Руды алюминия. По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов (7,45%), а вместе с кислородом и кремнием составляет 82,58% массы земной коры. Он входит в состав около 250 минералов, 40% которых относится к алюмосиликатам. Алюминиевой рудой называют горную породу с высоким содержанием окиси алюминия в доступной для извлечения форме, образующую крупные залежи. Ниже приведены основные рудообразующие минералы алюминия, содержащие , %:

Диаспор, бемит

85,0

Гиббсит (гидраргиллит)

65,4

Кианит, силлиманит

63,2

Алунит

37,0

Нефелин

33,2

Каолинит

39,5
Наибольшее значение для производства глинозема имеют руды: бокситы, нефелины, алуниты, кианиты и каолины. Бокситы - горная порода, состоящая из гидроокисей алюминия, окислов железа, кремния и титана с примесями других соединений минерального и органического происхождения. В зависимости от того, какие гидроокиси алюминия преобладают, бокситы подразделяются на моногидратные (бемитовые и диаспоровые) и тригидратные (гиббситовые). Нефелины менее богаты окисью алюминия, чем бокситы, но содержат щелочи и , что позволяет вести комплексную переработку этого сырья. Важнейшие месторождения нефелиновых руд - Кукисвумгорское на Кольском полуострове, Кия-Шалтырское в Кемеровской области и Ужурское в Красноярском крае. Алуниты благодаря содержащимся в них сернокислым солям представляют собой ценное комплексное сырье, при переработке которого получают глинозем, серную кислоту, сульфаты калия и алюминия, квасцы и некоторые другие продукты. Производство глинозема. Свойства глинозема. Алюминий образуетз с кислородом три окиси: . В субокиси он одновалентен, в - трехваленте, а в AlO проявляет смешанную валентность. Субсоединения и могут быть получены при высоких температурах восстановлением или термическим разложением но практического значения эти процессы пока не имеют. Сырьем для производства алюминия служит глинозем - порошкообразная окись алюминия, состоящая из двух разновидностей (модификаций) окисла: (альфа-глинозем) и (гамма-глинозем). Альфа-окись алюминия - наиболее устойчивая форма, встречается в природе в виде минерала корунда. Он имеет прочную структуру, большую твердость и химическую стойкость: температура плавления корунда (2054±6)°С. Гамма-глинозем получается при обезвоживании гидроокиси алюминия, хорошо взаимодействует с растворами щелочей и кислот, обладает высокой гигроскопичностью. Даже нагретый до 1000°С гамма глинозем удерживает около 1% воды, и лишь продолжительная выдержка при 1200°С полностью его обезвоживает. Гамма-глинозем при этом превращается в корунд Способ Байера. Производство глинозема по спосбу Байера состоит в обработке боксита щелочным раствором при высокой температуре, получении алюминатного роаствора и нерастворимого осадка - красного шлама, отделения этого осадка от раствора и выделении из раствора гидроокиси алюминия в присутствии затравки - свежеосажденной . Сущность процесса Байера можно выразить следующей обратимой химической реакцией: При протекании реакции слева направо идет процесс извлечения глинозема в алюминатный раствор, при протекании реакции справа налево - разложение раствора с выделением гидроокиси алюминия. Производство электродов. Электроды служат для подвода электрического тока к электролиту, находящемуся в рабочем пространстве электролизера, поэтому они должны иметь хорошую электропроводимость, быть термостойкими, химически стойкими в расплавах и механически прочными. Их чистота должна обеспечивать высокое качество алюминия. Такими свойствами обладают углеродистые материалы, получаемые из углей и нефти. Сырье для получения электродов. По внутреннему строению электроды, применяемые в электролизе, напоминают изделия из бетона, но здесь роль наполнителя (щебня) выполняют твердые углеродистые материалы (угли и коксы), а связующим служат смолистые вещества (пеки). При обжиге электродов пек коксуется, связывая между собой частицы твердого наполнителя. В качестве твердых углеродистых наполнителей используют следующие материалы: 1) антрацит - ископаемый уголь, содержащий до 97% углерода, имеющий хорошую электропроводность, малую зольность и высокую механическую прочность; 2) термоантрацит - продукт термической (1150-1400°С) обработки антрацита, в результате которой возрастает механическая прочность материала и снижается содержание в нем вредных примесей; 3) литейный каменноугольный кокс, имеющий зольность не более 11%, малое содержание летучих (до 1,2%) и серы (до 1,2%); 4) пековый кокс - продукт коксования каменноугольного пека, содержащий 96,5 - 97,5% углерода, не более 0,8% летучих и до 0,5% серы; 5) нефтяной кокс, получаемый при коксовании нефтяных остатков и содержащий 90 - 95% углерода, не более 7% летучих, до 0,8% золы и менее 1,5% серы. Связующим в производстве электродов служит каменноугольный пек. Он представляет собой остаток после удаления летучих фракций из каменноугольной смолы при 300 - 350°С. Электролит алюминиевой ванны. Состав электролита. Основой электролита электролизеров для получения алюминия служит раствор глинозема в расплавленном криолите. Эффективное извлечение алюминия из такого раствора с помощью электролиза оказалось возможным благодаря удачному сочетанию свойств расплавленного криолита как растворителя. Растворимость глинозема в криолите при 950°С (обычная температура процесса) довольно высока (15%). Растворение глинозема сопровождается его ионизацией, протекающей с отщеплением иона алюминия . Криолитоглиноземный расплав не содержит соединений металлов, имеющих меньшее напряжение разложения, чем , не взаимодействует химически с углеродистыми материалами, не разлагается при температурах электролиза, обладает хорошей электропроводностью и умеренной летучестью. Конструкции электролизеров. Алюминиевые электролизеры классифицируют по мощности и по конструкции. Мощность электролизеров (имеется в виду токовая нагрузка, на которую они рассчитаны) может быть небольшой (30-40 кА), средней (50-90 кА) и большой )100-250 кА). По конструкции электролизеры различаются главным образом устройством анода и анодного токоподвода. Выделяются три разновидности конструкции: 1) электролизеры с самообжигающимся анодом и боковым подводом тока к нему; 2) электролизеры с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока к нему; 3) электролизеры с обожженными анодами. Выливка алюминия. Суточная производительность современных электролизеров средней мощности составляет 350-600 кг, а электролизеров средней мощности 700 - 17—кг. На большинстве отечественных заводов, применяющих ванны средней мощности, принят двухдневный график выливки. При более частой выливке возрастают трудовые затраты на эту операцию, а удлинение периода между выливками ведет к резким колебаниям теплового режима электролизеров и снижению их показателей. Ванны большой мощности выливают ежедневно. Структура себестоимости алюминия-сырца
Стаья затрат

В цехе:

с верхним с обожженными

токоотводом анодами

Глинозем43,043,7
Фтористые соли3,73,1
Обожженые аноды за вычетом возврата огарков-11,2
Анодная масса8,8-
Монтаж и демонтаж анодов-1,0
Энергозатраты25,324,3
Зарплата6,26,0
Амортизация6,05,0
Цеховые расходы7,0
Итого:100,0100,0
Получение алюминия особой чистоты. Для производства полупроводниковых материалов требуется алюминий чистотой 99,9999 - 99,99999% Al, недостижимой при электролитическом рафинировании. Глубокую очистку алюминия осуществляют зонной перекристаллизацией или дистилляцией через субфторид. Очистка зонной перекристаллизацией основана на том, что при красталлизации примеси металлов распределяются неравномерно между жидким и твердым алюминием. При температу затвердевания алюминия (660°С), когда в жидком алюминии растут кристаллы, содержание в них железа, кремния, меди, цинка, никеля, магния значительно меньше, чем в жидком металле. Сплавы алюминия. Всем известна тонкая алюминиевая фольга используется как упаковочный материал для продуктов питания (например шоколада), более толстая - для изготовления банок для напитков. Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (2,5 - 3,0 г/см3) в сочетании с достаточно хорошими механическими свойствами и удовлетворительной устойчивостью к окислению. По своим прочностным характеристикам и по износостойкости они уступают сталям, некоторые из них также не обладают хорошей свариваемостью, но многие из них обладают характеристиками, превосходящими чистый алюминий. Особо выделяются алюминиевые сплавы с повышенной пластичностью, содержащие до 2,8% Mg и до 2,5% Mn - они обладают большей, чем чистый алюминий прочностью, легко поддаются вытяжке, близки по коррозионной стойкости к алюминию.

Эти воздушные конструкции выполнены из сплавов алюминия
Дуралюмины - от французского слова dur - твердый, трудный и aluminium - твердый алюминий. Дуралюмины - сплавы на основе алюминия, содержащие: · 1,4-13% Cu, · 0,4-2,8% Mg , · 0,2-1,0% Mn , · иногда 0,5-6,0% Si , · 5-7% Zn , · 0,8-1,8% Fe , · 0,02-0,35% Ti и др. Дуралюмины - наиболее прочные и наименее коррозионно-стойкие из алюминиевых сплавов. Склонны к межкристаллической коррозии. Для защиты листового дуралюминия от коррозии его поверхность плакируют [1] чистым алюминием. Они не обладают хорошей свариваемостью, но благодаря своим остальным характеристикам применяются везде, где необходима прочность и легкость. Наибольшее применение нашли в авиастроении для изготовления некоторых деталей турбореактивных двигателей. Магналии - названы так из-за большого содержания в них магния (Mg ), сплавы на основе алюминия, содержащие: · 5-13% Mg , · 0,2-1,6% Mn , · иногда 3,5-4,5% Zn , · 1,75-2,25% Ni , · до 0,15% Be , · до 0,2% Ti ,

· до 0,2% Zr и др.
Алюминиевые трубы
Магналии отличаются высокой прочностью и устойчивостью к коррозии в пресной и даже морской воде. Магналии также хорошо устойчивы к воздействию азотной кислоты HNO3 , разбавленной серной кислоты H2 SO4, ортофосфорной кислоты H3PO4 , а также в средах, содержащих SO2 . Применяются как конструкционный материал в : · авиастроении; · судостроении; · машиностроении (сварные баки, заклепки, бензопроводы, маслопроводы); · для изготовления арматуры строительных сооружений; · для изготовления деталей холодильных установок; · для изготовления декоративных бытовых предметов и др. При содержании Mg выше 6% магналии склонны к межкристаллической коррозии. Обладают более низкими литейными свойствами, чем силумины. Силумины - сплавы на основе алюминия с большим содержанием кремния (Si). В состав силуминов входят: · 3-26% Si , · 1-4% Cu , · 0,2-1,3% Mg , · 0,2-0,9% Mn , · иногда 2-4% Zn , · 0,8-2% Ni , · 0,1-0,4% Cr , · 0,05-0,3% Ti и др. При своих относительно невысоких прочностных характеристиках силумины обладают наилучшими из всех алюминиевых сплавов литейными свойствами. Они наиболее часто используются там, где необходимо изготовить тонкостенные или сложные по форме детали. По коррозионной стойкости занимают промежуточное положение между дуралюминами и магналиями. Нашли свое основное применение в: · авиастроении; · вагоностроении; · автомобилестроении и строительстве сельскохозяйственных машин для изготовления картеров, деталей колес, корпусов и деталей приборов. САП - сплавы, состоящие из Al и 20-22% Al2O3 . Получают спеканием окисленного алюминиевого порошка. После спекания частицы Al2O3 играют роль упрочнителя. Прочность данного соединения при комнатной температуре ниже, чем у дуралюминов и магналиев, но при температуре превышающей 200 °С превосходит их. При этом САП обладают повышенной стойкостью к окислению, поэтому они незаменимы там, где температура эксплуатации превышает 400 °С . Литература. 1. Тарарин С.В. Электролиз расплавленных солей.М. Металлургия.,1982 2. Сушков А.И. Металлургия алюминия. М., Металлургия, 1971 3. Беляев А.И. Металлургия легких металлов., М., Металлургия., 1978
[1] Плакирование - (от французского plaquer - накладывать) нанесение методом горячей прокатки или прессования на поверхность металлических листов тонкого слоя другого металла или сплава.