Алюминий: применение, свойства, технология производства

До конца 19 в. алюминий отличался высокой стоимостью – чуть дешевле золота. В промышленных объемах выпуск начался с 1890 г. За 46 лет с 1854 по 1890 гг. выпущено 200 тонн металла, за 9 лет с 1890 по 1899 гг. – 28 тысяч тонн, а за 1930 год удалось получить 270 тыс. тонн алюминия. В последнее время годовой прирост в мировом производстве алюминия не превышает 5%.

Востребованность алюминия обусловлена его свойствами:

• высокая прочность при небольшой плотности;
• коррозийная стойкость;
• высокая технологичность в изготовлении изделий со сложной формой;
• способность менять форму под воздействием литья, резания, давления;
• первое место по распространению в недрах в сравнении с иными конструкционными металлами.
• возможность создания конструкций пайкой, склеиванием с нанесением эстетических и прочих покрытий.

Применение алюминия и сплавов

Небольшая масса в сочетании с завидной электропроводностью обеспечили спрос на алюминий в роли электропроводника вместо дорогостоящей меди. Проводку подвешивают на сравнительно большом расстоянии опор без риска обрыва ввиду легкого веса металла.

Сплавы алюминия востребованы во всех технических сферах, особенно в автопроме и самолетостроении, гражданском и промышленном строительстве, выпуске товаров народного потребления и пр.

Из алюминия создают детали автомобилей, кабели, радиоаппаратуру, измерительные приборы, оборудование в цехах по производству кислот, пищевых и прочих продуктов. За счет отличной пластичности металл легко вытягивают в фольгу, которая заменила дорогостоящую оловянную. В пищепроме металл идет на изготовление пищевой посуды, хранения продуктов и консервации.

Очищенный алюминий идет на потребности ядерной энергетики и радиолокации, а также полупроводниковой электроники. Благодаря высоким отражающим характеристикам сплав используют в создании зеркал, рефлекторов. В строительстве алюминиевые сплавы применяют в сооружении ферма и каркасов, лестничных пролетов.

Классификация алюминия по признакам

Металл классифицируется по виду сырья, способу производства, наличию и характеру примесей, другим параметрам.

Природные источники алюминийсодержащих руд: нефелины, бокситы, алуниты, каолины. Главным источником металла являются бокситы. Сначала из руды изготавливают глинозем, чтобы на втором этапе получить алюминий.

Методы изготовления глинозема подразделяют на 3 группы:

• щелочные;
• электротермические;
• кислотные.

С учетом наличия примесей различают алюминий чистый и технический, его сплавы. Степень чистоты влияет на свойства. Без примесей металл обладает малой прочностью, поэтому не числится среди конструкционных материалов. Для придания большей прочности его обрабатывают химическим и термическим способом, вводят добавки.

Сплавы делятся на деформируемые, порошковые и литейные. Первые классифицируют на упрочняемые с помощью термической обработки (ковочные сплавы, дюралюмины) и не упрочняемые. К литейным сплавам относят силумины. Это соединения с кремнием. Сплав применяют в производстве средне- и малонагруженных деталей (корпусов и узлов приборов, сложно-форменных отливок).

С учетом свойств сплавы делят на жаростойкие, высокопрочные, низкопрочные, повышеннопластичные.

Характеристики первичного алюминия

Металл с серебристым блеском, очень быстро окисляющийся на воздухе. Пленка окисла матовая, защищает от коррозии. В едкой щелочи, серной и соляной кислотах металл разрушается, но стойкий к воздействию органической и азотной кислоты. Чем чище сырье, тем выше становится его электропроводность и стойкость к коррозии. Плавится при 660 градусах, но для плавления требуется много тепла.

Сам алюминий малотоксичный, но соединения с ним при растворении в воде сохраняются в течение длительного периода, они вредны для животных и человека. Самыми ядовитыми являются ацетаты, хлориды и сульфаты. Попадая в организм человека, соединения алюминия вызывают нарушения функций ЦНС.

Производство алюминия

Качество промышленных алюминийсодержащих руд оценивают по количеству глинозема в их составе, характеру и набору примесей.

Основной источник металла – боксит. Сырье идет на производство изделий с высокой огнеупорностью, искусственного корунда. В осадочной рудной породе смешаны гидраты глинозема (35-70%), кремниевые, железные и прочие окислы. Часто встречающиеся гидраты бокситных глиноземов: гидраргеллит, бемитт, диаспор.

В промышленном производстве применяют руду в сыром виде. На мировом рынке торгуют и бокситом, и глиноземом. В странах СНГ распределение территорий с залежами бокситов неоднородное. Интересными являются уральские залежи. Чуть меньшие площади бокситной руды в Западном Казахстане, Европейской зоне СНГ.

На развитые страны приходится более 4,8 млрд тонн боксита, на развивающиеся – 12,5 млрд т. Наибольшие запасы в Бразилии, Камеруне и Гвинее. Страны, экспортирующие боксит, для противостояния монополистам объединились к 1973 г. в ассоциацию. Сюда вошли Гайана и Гвинея, а также Австралия и Ямайка, Югославия и позднее Гаити, Доминикана, Гана и Суринам, Сьерра-Леоне. В роли наблюдателей выбрана Греция и Индия.

Алюминиевая промышленность характеризуется территориальной отдаленностью объектов добычи бокситной руды и производства глинозема, выплавкой алюминия. В России бокситы делятся на 10 марок. Отличаются содержанием глинозема, объемом кремниевого модуля (вредной примеси). Перевозят боксит навалом.

Получение глинозема

Методы, используемые в промышленном производстве, делятся на 3 направления: кислотные, электротермические и щелочные. Наибольшее распространение получили последние.

Одни методы предусматривают обезвоживание боксита в условиях нагрева до 1000 градусов, дальнейшее измельчение в мельнице шарового типа, смешивание с содой и мелом, спекание до получения алюмината натрия. Полученную массу измельчают, затем выщелачивают с помощью воды. Итог – алюминат натрия в виде раствора.

В иных щелочных методиках глинозем из боксита связывают, обрабатывая руду щелочью. Результат – алюминат в виде водного раствора.

После получения водного раствора предстоит отделение алюмината натрия от примесей в отстойнике. Следующий этап – добавление извести в раствор при заданном давлении и температуре. Жидкость очищается от кремния, после чего проводится обработка углекислым газом до выпадения кристаллического гидрата алюминиевой окиси. Осадок моют, сушат и прокаливают, получая глинозем.

Получение алюминия

Электролитическое разложение глинозема ведет к получению кислорода и алюминия. В роли электролита выступает раствор глинозема в криолите. Последний уменьшает температуру плавки глинозема с 2000 до 935 градусов. В процессе разложения глинозема жидкий алюминий опускается на дно емкости из угля (катода), а кислород устремляется к углероду анодов. Для получения 1 т алюминия электролизом требуется примерно 2 т глинозема и 0,1 т электролита, 17-18 тыс. квт/ч электроэнергии и 0,6 т угольных электродов (катодов).

Электролиз выдает алюминий-сырец с примесями натрия и титана, а еще кремния и железа. Также в сыром алюминии присутствует водород, частички криолита, угля и глинозема. Чтобы очистить металл до получения высоких эксплуатационных свойств его рафинируют. Газы и неметаллические включения устраняют, продувая хлором, а также переплавкой. Металлические примеси удаляют электролизом. Рафинирование позволяет получить разные сорта алюминия, которые можно поставлять на рынок.

Сплавы алюминия бывают литейными и деформируемыми. Первые характеризуются высокой текучестью, вторые – пластичностью в ходе нагрева.

Стандарты производства алюминия

Нормативная документация, регламентирующая качественные характеристики первичного алюминия, сводится к 2 ГОСТам. Это стандарт 11069 – 2001 и 11070 – 74. Документы определяют требования к маркам металла по чистоте. Нормативы рассчитаны для продукции в виде катанки, алюминиевых чушек, слитков и пр. Описываются методы анализа, определения литья, а также количества медной, кремниевой, магниевой и других примесей.

С учетом химического состава различают металл высокой чистоты и технической. В первом не учитывают долю магния при определении марки, а во втором, если используют для посуды, допускают содержание мышьяка до 0,015%.

Маркировка алюминия

Металл маркируют несмываемой краской. На слитки, чушки и другие изделия наносят вертикальные полосы в определенном количестве:

• А995 – 4 зеленые;
• А99 – 4 черные;
• А98 - 4 желтые;
• А97 – 3 желтые;
• А95 – 3 зеленые;
• А85 – 2 белые + 1 горизонтальная зеленая;
• А8 – 2 белые;
• А7 – 2 желтые;
• А7Е – 2 желтые + 1 горизонтальная желтая, перечеркивающая вертикальные;
• А7Э – 1 желтая;
• А6 – 2 синие;
• А5 – 2 зеленые;
• А5Е – 2 зеленые + 1 горизонтальная зеленая, перечеркивающая вертикальные;
• А0 – 2 черные;
• А35 – зеленое пятно.

Маркировка с учетом пожеланий потребителя может наноситься иным способом, но обязательно не стираться.

Контроль над качеством алюминия

Качество проверяется согласно ГОСТ 11070 – 74. Регламенты распространяются на чушки любых существующих марок:

1. Форма, габариты, вес, геометрия. Сравниваются с условиями договора меду производителем и потребителем.
2. Технические требования. Изготовленные на заводе чушки не должны покрываться включениями, шлаком, трещинами. Требования к дефектам оговариваются сторонами.
3. Соответствие требованиям безопасности (пожаро-, взрывобезопасности, токсичности).
4. Правила приемки. Изделия поставляются партиями, в которых соблюдается единая марка и размер. Документ о качестве содержит массу партии, порядковые номера плавок, а также фирменный товарный знак, конкретную марку алюминия, его химический состав.
5. Метод испытаний. Проверка качества продукции предусматривает внешний осмотр формы, дефектов, подготовку и целенаправленный отбор пробников для проверки химического состава.
6. Маркировка, хранение и транспортировка. На каждой чушке обозначается товарный знак производителя, номер плавки, вес единицы. Чушки для транспортировки обвязывают поясами алюминиевой катанки. Допускается перевозка чушек морем, по ж/д, на автомобилях. Для хранения чистого алюминия используют закрытые склады, а технический металл разрешено складировать на открытой площадке.

Производство алюминия – сравнительно молодая отрасль, но активно развивающаяся в цветной металлургии. В конце 70-х годов около 50% мирового производства было сосредоточено на 3 заводах в США и 1 в Канаде. Позже отрасль стали развивать другие страны – Новая Зеландия и Австралия, а также Исландия, ЮАР и др. Основные нетто-экспортеры – Канада, Норвегия. Новые поставщики – Камерун, Гана и Суринам, а также Греция, Нидерланды и Бахрейн.