Aluminiul a fost izolat pentru prima dată în formă liberă în 1825 de către fizicianul danez Ersted. În prezent, aluminiul este produs la scară industrială prin electroliză. Metoda de producere a aluminiului metalic prin electroliza aluminei dizolvate în criolit a fost brevetată independent în 1886 de către Paul Héroux în Franța și Charles Hohl în SUA.
De atunci, producția de aluminiu s-a dezvoltat extrem de rapid datorită importanței pe care aluminiul a dobândit-o în industrie. Până în 1917, țara noastră nu a avut propria topitorie de aluminiu, deși oamenii de știință ruși au adus mari contribuții la metalurgia aluminiului. În 1929, uzina din Leningrad „Krasny Vyborzhets” producea aluminiu folosind energia Volkhov și materii prime interne. În 1932 a fost pusă în funcțiune topitoria de aluminiu Volkhov, iar în 1933 topitoria de aluminiu Dneprovsk. Ulterior, au fost construite topitorii de aluminiu în diferite regiuni ale țării noastre.
Crearea unei baze energetice puternice a permis țării noastre să devină rapid una dintre primele țări producătoare de aluminiu.
Conținut
Proprietățile aluminiului
În forma sa pură, aluminiul este un metal alb-argintiu. Una dintre proprietățile importante ale aluminiului este densitatea sa scăzută: în stare solidă (la 20° C) este de 2,7 g/cm 3 , iar în stare lichidă (la 900° C) — 2,32 g/cm 3 . Punctul de topire al aluminiului de înaltă puritate (99,996%) este de 660,24° C, iar punctul de fierbere — 2500° C. Proprietățile importante ale aluminiului, care determină utilizarea sa în multe domenii ale industriei, sunt buna sa conductivitate electrică și conductivitate termică.
Aluminiul este bine prelucrat mecanic, are o ductilitate bună și este ușor de laminat în cele mai subțiri foi și sârme. În reacțiile chimice, aluminiul este amfoteric. Se dizolvă în alcalii și în acizii clorhidric și sulfuric, dar este rezistent la acizii nitric și organic concentrați. Aluminiul are trei electroni de valență pe coaja exterioară M, doi în orbitalul 3s și unul în orbitalul 3p. Prin urmare, aluminiul este de obicei trivalent în compușii chimici. Cu toate acestea, în unele cazuri, aluminiul poate pierde un electron p și poate deveni univalent, formând compuși de valență inferioară.
În prezent, producția de aluminiu implică două operațiuni principale:
- obținerea oxidului de aluminiu anhidru, lipsit de impuritățile care însoțesc aluminiul, prin prelucrarea chimică complexă a compușilor naturali (bauxită, argilă, caolin);
- producerea de aluminiu metalic prin electroliza aluminei dizolvate în criolit.
Aluminiul are multe proprietăți valoroase: densitate scăzută — aproximativ 2,7 g/cm 3 , conductivitate termică ridicată — aproximativ 300 W/(m — K) și conductivitate electrică ridicată 13,8 — 10 7 Ohm/m, plasticitate bună și rezistență mecanică suficientă.
Aluminiul formează aliaje cu multe elemente. În aliaje, aluminiul își păstrează proprietățile. În stare topită, aluminiul este fluid și umple bine formele, iar în stare solidă se deformează bine și este ușor de tăiat, lipit și sudat.
Afinitatea aluminiului pentru oxigen este foarte mare. Oxidarea sa generează o cantitate mare de căldură (~ 16700000000 J/mol). Aluminiul fin măcinat se aprinde când este încălzit și arde în aer. De asemenea, aluminiul se combină cu oxigenul din aer în condiții atmosferice. În acest caz, aluminiul este acoperit cu un strat subțire (grosime de~0,0002 mm) de o peliculă densă de oxid de aluminiu care o protejează împotriva oxidării ulterioare; prin urmare, aluminiul este rezistent la coroziune. Suprafața aluminiului este bine protejată de oxidare de această peliculă și în stare topită.
Aliaje de aluminiu
Cele mai importante aliaje de aluminiu sunt duraluminul și siluminul.
Compoziția duraluminiului, pe lângă aluminiu, include 3,4-4 % Cu, 0,5 % Mn și 0,5 % Mg, nu sunt permise mai mult de 0,8 % Fe și 0,8 % Si. Duraluminiul se deformează bine și proprietățile sale mecanice sunt apropiate de unele tipuri de oțel, deși este de 2,7 ori mai ușor decât oțelul (densitatea duraluminiului 2,85 g/cm 3 ).
Proprietățile mecanice ale acestui aliaj cresc după tratament termic și deformare la rece. Rezistența la tracțiune crește de la 147-216 MPa la 353-412 MPa, iar duritatea Brinell de la 490-588 la 880-980 MPa. În același timp, alungirea relativă a aliajului aproape că nu se modifică și rămâne suficient de ridicată (18-24 %).
Siluminele sunt aliaje de turnătorie din aluminiu și siliciu. Acestea au calități de turnare și proprietăți mecanice bune.
Aluminiul și aliajele sale sunt utilizate pe scară largă în multe industrii, inclusiv în aviație, transporturi, metalurgie, industria alimentară și altele. Aluminiul și aliajele sale sunt utilizate pentru caroserii de aeronave, motoare, blocuri de cilindri, cutii de viteze, pompe și alte piese din industria aeronautică, industria automobilelor și a tractoarelor, precum și pentru recipientele de depozitare a produselor chimice. Aluminiul este utilizat pe scară largă în gospodării, industria alimentară, energia nucleară și electronică. Multe părți ale sateliților artificiali ai planetei noastre și ale navelor spațiale sunt fabricate din aluminiu și aliajele sale.
Datorită afinității chimice ridicate a aluminiului față de oxigen, acesta este utilizat în metalurgie ca agent de dezoxidare și, de asemenea, pentru producerea metalelor greu reductibile (calciu, litiu etc.) prin așa-numitul proces aluminothermic. Aluminiul ocupă locul al doilea după fier în ceea ce privește producția totală de metale la nivel mondial.
Materii prime pentru producția de aluminiu
Principala metodă modernă de producție a aluminiului este procesul electrolitic, care constă în două etape. Prima este producerea de alumină (Al2O3) din materii prime minerale, iar a doua este producerea de aluminiu lichid din alumină prin electroliză.
Minereuri de aluminiu
Datorită activității sale chimice ridicate, aluminiul se găsește în natură numai sub formă legată: corindonul Al2O3gibbsită Al2O3 — ZH2O, bemită Al2O3 • Н2O, cianit 3Al2O3 — 2SiO2, nefelină (Na, K)2O — Al2O3 — 2SiO2, caolinit Al2O3 — 2SiO2 — 2Н2O și altele. Principalele minereuri de aluminiu utilizate în prezent sunt bauxita, precum și nefelina și alunita.
Bauxita
Aluminiul din bauxită se găsește în principal sub formă de hidroxizi de aluminiu (gibbsit, bemit etc.), corindon și caolinit. Compoziția chimică a bauxitelor este destul de complexă. Acestea conțin adesea mai mult de 40 de elemente chimice. Conținutul de alumină în ele este de 35-60 %, siliciu 2-20 %, oxid Fe2O3 2-40 %, oxid de titan 0,01-10 %. O caracteristică importantă a bauxitelor este raportul dintre conținutul lor de Al2O3 față de SiO2 în masă — așa-numitul modul de siliciu.
Modulul de siliciu al bauxitei furnizate pentru producția de alumină trebuie să fie de cel puțin 2,6. Pentru bauxita de calitate medie, acest modul este de 5-7 la un conținut de 46-48 % Al.2O3iar modulul bauxitei de calitate superioară este de aproximativ 10 la un conținut de Al de 50 %.2O3. Bauxitele cu un conținut mai ridicat de Al2O3 (52 %) și modul (10-12) sunt utilizate pentru producerea electrocorindonului.
Depozitele mari de bauxită din țara noastră includ Tikhvinskoye (Leningrad Oblast), Severouralskoye (Sverdlovsk Oblast), Yuzhnouralskoye (Chelyabinsk Oblast), Turgai și Krasnooktyabrskoye (Kustanay Oblast).
Nepheline
Nefelinele fac parte din sienitele și urtitele nefelinice. Un zăcământ mare de urtite este situat în Peninsula Kola. Principalele componente ale urtitei sunt nefelina și apatita ZSa3(RO4)2 — CaF2. Acestea sunt supuse îmbogățirii prin flotare cu separarea concentratelor de nefelină și apatită. Concentratul de apatită este utilizat pentru prepararea îngrășămintelor fosfatice, iar concentratul de nefelină este utilizat pentru producția de alumină. Concentratul de nefelină conține, %: 20-30 Al2O3, 42-44 SiO2, 13-14 Na2O, 6-7 K2O, 3-4 Fe2O3 și 2-3 CaO.
Aluniți
Aluniții sunt un sulfat bazic de aluminiu și potasiu (sau sodiu) K2SO4 — Al2(SO4)3 — 4Al(OH)3. Conținutul de Al2O3 este scăzut (20-22 %), dar ele conțin alte componente valoroase: anhidridă sulfurică SO3 (~ 20 %) și alcali Na2O • К2O (4-5 %). Astfel, ca și nefelina, acestea sunt materii prime complexe.
Alte materii prime
În producția de alumină, alcali NaOH, uneori calcar CaCO3În electroliza aluminei, criolit Na3AlF6 (3NaF-AlF3) și unele fluoruri de aluminiu AlF3precum și CaF2 și MgF2.
Producția de criolit
Criolitul în forma sa naturală este foarte rar în natură și este produs artificial din concentrat de feldspat (CaF2). Procesul se desfășoară în două etape, prima fiind producția de acid fluorhidric HF. CaF fin măcinat2 este amestecat cu acid sulfuric în cuptoare rotative tubulare la 200 °C. Reacția are loc în cuptor: CaF2+Н2SO4=2HF+CaSO4. Deoarece spărul fluorurat conține SiO ca impuritate, se formează și unele substanțe volatile.2Ca impuritate, se formează o cantitate volatilă de acid silicofluoric H2SiF6. HF gazos și H2SiF6 după purificarea lor de impurități sunt absorbite în turnuri verticale cu apă, rezultând o soluție de acid fluorhidric cu acid silicofluoric. Acesta este purificat din H2SiF6prin adăugarea unui pic de sodă: H2SiF6+Na2CO3=Na2SiF+N2O+CO2. Silicofluorura de sodiu precipită și se obține acid fluorhidric purificat. A doua etapă este obținerea criolitului. La soluția de acid fluorhidric se adaugă Al(OH) și sodă și se realizează așa-numitul proces de „criolit”.3 și sodă și se realizează așa-numitul proces de gătire a criolitei, în timpul căruia au loc următoarele reacții:
Criolitul precipită, se filtrează și se usucă la 130-150 °C.
Fluorura de aluminiu se obține într-un mod similar prin adăugarea hidroxidului de aluminiu la acidul fluorhidric până la neutralizarea completă a acestuia: 3HF + Al(OH)3 = AlF3 + 3H2O.
Rafinarea aluminiului
Aluminiul extras din băile de electroliză se numește aluminiu brut. Acesta conține impurități metalice (Fe, Si, Cu, Zn etc.) și nemetalice, precum și gaze (hidrogen, oxigen, azot, oxizi de carbon, dioxid de sulf). Impuritățile nemetalice sunt particule de alumină antrenate mecanic, electrolit, particule de căptușeală etc.
Pentru purificarea de impuritățile antrenate mecanic, de gazele dizolvate, precum și de Na, Ca și Mg, aluminiul este supus clorurării. În acest scop, în cazanul de vid se introduce un tub, prin care se introduce clor gazos timp de 10-15 minute, iar pentru a mări suprafața de contact dintre gaz și metal, la capătul tubului se fixează dopuri ceramice poroase, care asigură fragmentarea jetului de gaz în bule mici. Clorul reacționează viguros cu aluminiul pentru a forma clorura de aluminiu AlCl3. Vaporii de clorură de aluminiu se ridică prin stratul metalic și cu ei plutesc impuritățile nemetalice în suspensie, o parte din gaze și clorurile rezultate Na, Ca, Mg și H2.
Aluminiul este apoi turnat în cuptoare de amestecare electrice sau în cuptoare de reflexie, unde este lăsat să se depună timp de 30-45 de minute. Scopul acestei operațiuni este de a purifica în continuare aluminiul de incluziunile nemetalice și gazoase și de a uniformiza compoziția prin amestecarea aluminiului din băi diferite. Aluminiul este apoi turnat fie în lingouri pe mașini de turnare pe bandă, fie pe mașini de turnare continuă în lingouri pentru laminare sau tragere. În acest fel se obține aluminiu cu o puritate de cel puțin 99,8 % Al.
Aluminiul cu o puritate mai mare este produs la scară industrială prin rafinarea electrolitică ulterioară a aluminiului lichid prin așa-numita metodă cu trei straturi. Baia de electroliză are pereți de magnezită, un fund de cărbune (anod) și catozi grafitați suspendați de sus. Pe fund, printr-o deschidere laterală, aluminiul inițial este turnat în porțiuni, menținându-se aici un strat anodic de o anumită grosime; deasupra acestuia se află un strat de electrolit format din săruri de fluorură și clorură, iar deasupra electrolitului — un strat de aluminiu purificat, care este mai ușor decât electrolitul; capetele catozilor sunt imersate în acest strat.
Pentru a menține aluminiul rafinat la fund, acesta este ponderat prin formarea unui aliaj aluminiu-cupru în stratul anodic (30-40 % Cu este dizolvat în strat). În procesul de electroliză, ionii Al 3+ se deplasează din stratul anodic prin stratul de electrolit către stratul catodic și sunt descărcați aici. Metalul catodic pur care se acumulează pe suprafața băii este extras și turnat în lingouri. Prin această metodă se produce aluminiu cu o puritate de 99,95-99,99%. Consumul de energie electrică este egal cu ~ 18000 kWh pentru 1 tonă de aluminiu. Aluminiul mai pur se obține prin topire zonală sau prin distilare prin subhalide.
