Алюминий, его свойства, применение и технология производства. Торговые сорта алюминия. Сплавы на основе алюминия. Маркировка

 

По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов. По объему производства и масштабам применения он уступает только черным металлам.

Широкое использование алюминия обусловлено важнейшими свойствами:

физические

- низкая плотность – 2,7 г/см³ против 7,8 г/см³ для железа и 8,94 г/см³ для меди;

- температура плавления - 660⁰С

- высокая электро- и теплопроводность;

По электропроводности алюминий уступает только серебру, меди и золоту.

- высокая отражательная способность;

- кристаллическая решетка алюминия – гранецентрированная кубическая. Аллотропических превращений он не имеет.

химические

- хорошая коррозионная стойкость в атмосфере и ряде агрессивных сред.

Алюминий устойчив против атмосферной коррозии благодаря образованию на его поверхности плотной оксидной пленки Al₂O₃. Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким.

Он не коррозирует в пресной воде, обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде, в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (уксусной, лимонной и др.).

механические

невысокая прочность, высокая пластичность

технологические

Благодаря высокой пластичности алюминий хорошо обрабатывается давление как в холодном, так и в горячем состоянии. Алюминий хорошо сваривается, но имеет низкие литейные свойства и плохо обрабатывается резанием.

Алюминий широкого применяется в электронике для изготовления проводников тока. Благодаря хорошей коррозионной стойкости алюминий применяется в химической и пищевой промышленности. Он используется также в качестве раскислителя при производстве стали. Широко применяют алюминий также для защиты поверхности металлов от коррозии, при изготовлении полупроводниковых приборов, а также в ядерной технике. Из него изготавливают посуду, художественные и декоративные изделия и т.д.

Основная же масса алюминия расходуется на производство алюминиевых сплавов, которые благодаря малой плотности и достаточной прочности широко применяются в машиностроении, особенно в авиастроении и строительстве.

Производство алюминия

В природе алюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, каолинов.

Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы (гидрат глинозема Al₂O₃×nН₂О в смеси c оксидами железа, кремния, титана и других элементов).

Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводимых этапов:

- производство глинозема (Al₂O₃),

- электролитическое получение алюминия.

Блок-схема производства алюминия приведена на рисунке 1.

В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 200⁰С, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции:

Al₂O₃ + Na₂CO₃ = Al₂O₃·Na₂O + CO₂

Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит в раствор.

В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.

 

Рис. 1 Блок-схема производства алюминия

Смешивание бокситов с содой и получение алюмината натрия

Выщелачивание водой

Обработка известью

Обработка углекислым газом

Сушка, прокаливание Al(ОН)₃

Электролитическое разложение

 

Рафинирование

 

В общих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном оксиды и гидрооксиды Fe, Si и Тi. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

В полученный раствор при 125⁰С и давлении 5 атм. добавляют известь, что приводит к обескремниванию – CаSiО₃ уходит в осадок, образуя белый шлам.

Полученный раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 0С, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

Al₂O₃·Na₂O + 2Н₂О + СО₂ = 2Al(ОН)₃ + Na₂CO₃

Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема:

2Al(OН)₃ = Al₂О₃ + 3Н₂O

Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита – около 80%.

Получение металлического Аl из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части – на алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (А1F₃·3NaF или Na₃АlF₆).

Криолит, обладая особенностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 0С, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85% криолита и 15% глинозема равна 935 0С.

Схема электролиза глинозема достаточна проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии.

При электролизе 1т алюминия расходуется около 2т глинозема; 0,6т угольных электродов, служащих анодами; 0,1т криолита и от 17000 до 18000 кВт·ч электроэнергии.

Полученный при электролизе глинозема алюминий – сырец, содержит металлические примеси (Fe, Si, Тi, Na), растворенные газы, главным из которых является водород; кроме того, неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля, криолита. В таком состоянии алюминий непригоден для применения, т.к. имеет низкие свойства, поэтому его обязательно рафинируют. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30-45 мин при температуре 690-730⁰С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования получают торговые сорта алюминия.

 

 

Торговые сорта алюминия

Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации алюминия.

Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются Fe и Si. Обе они вредны.

Примеси понижают электро- и теплопроводность алюминия, коррозионную стойкость и пластичность, повышая его прочность и твердость.

В зависимости от содержания примесей алюминий первичный (ГОСТ 11069-2001) предназначен для изготовления чушек, слитков, катанки и т.д. бывает особой высокой и технической чистоты.

Марки первичного алюминия:

Алюминий особой чистоты - А999;

Алюминий высокой чистоты - А995, А99, А97, А95;

Алюминий технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, А0.

Контролируемыми примесями в алюминии являются Fe, Si, Сu и Ti. Алюминий всех марок содержит более 99% А1.

Количественное же превышение этой величины в сотых или десятых долях процента указывают в названии марки после начальной буквы А. Так в марке А85 содержится 99,85% А1. Исключение из этого принципа маркировки составляет марка АЕ, в которой содержание А1 такое же, как в марках А0 и А5, но другое соотношение входящих в состав примесей железа и кремния. Буква Е в марках А5Е, А7Е означает, что алюминий данной марки предназначается для производства электропроводов.

В зависимости от назначения алюминий можно производить в различном виде.

Алюминий всех марок, предназначенный для переплавки, отливают в виде чушек массой 5,15 и 1000 кг.

Форма чушек и их размеры оговорены ГОСТ 11070-74.

Если же алюминий предназначается для проката листа и ленты, то непрерывным или полунепрерывным методом отливают плоские слитки 17 размеров. Требования к форме и размерам по ГОСТ 9498-79.

Основным видом контроля алюминия как в чушках, так и в плоских слитках, является проверка химического состава и его соответствия марочному. К слиткам и чушкам, предназначенным для обработки давлением, предъявляют дополнительные требования, как отсутствие раковин, газовых пузырей, шлаков и других посторонних включений.

 

Алюминиевые сплавы

Прочность алюминия незначительная, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства. При легировании различными элементами повышается прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства.

Но могут происходить и нежелательные явления: снижается электропроводность; ухудшается коррозионная стойкость; почти всегда повышается относительная плотность.

По способу изготовления изделий из алюминиевых сплавов, их делят на две группы:

- деформируемые

- литейные алюминиевые сплавы.