Виробництво алюмінію

Алюміній отримують електролізом розчину глинозему (техн. Al₂O₃) в розплавленому кріоліті Na₃[AlF₆] при 950…960 °C. Склад електроліту 75–90 % за масою Na₃[AlF₆], 5–12 % AlF₃, 2–10 % CaF₂, 1–10 % Al₂O₃, молярне відношення NaF/AlF₃ = 2,20–2,85.

Промисловий комплекс з отримання алюмінію включає ви­робництво глинозему з алюмінієвих руд, кріоліту та інших фто­ридів, вуглецевих анодних і футеровочних матеріалів і власне електролітичне отримання алюмінію.

Електроліз проводять в апаратах, катодом у яких служить дно ванни, анодом – попередньо обпалені вугільні блоки або самообпалюючі електроди, поміщені в розплавлений електроліт. У розплаві відбуваються такі реакції:

Na₃[AlF₆] ↔ 3Na⁺ + 2F^– + AlF₄^–;

AlF₄^– ↔ F^– + AlF₃;

AlF₃ ↔ F^– + AlF₂⁺;

AlF₂⁺ ↔ F^– + AlF²⁺;

AlF²⁺ ↔ F^– + Al³⁺;

Al₂O₃ ↔ AlO⁺ + AlO₂^–, AlO₂^– ↔ Al³⁺ + 2O^2–;

AlO⁺ ↔ Al³⁺ + O^2–, Al³⁺ + 3e → Al;

2O^2– – 4e → O₂.

Розплавлений алюміній при температурі електролізу важчий, ніж електроліт, тому накопичується на дні ванни. На аноді виділяється O₂, який взаємодіє з вуглецем анода, який вигорає, утворюючи СО та СО₂.

Густина струму на аноді 0,7–0,9 А/см², на катоді – 0,4–0,5 А/см², для різних типів електролізерів сила струму становить 100–250 кА, робоча напруга 4,2–4,5 В.

Для отримання 1 т чорнового алюмінію витрачається 14 500–17 500 кВт · год електроенергії, 1 925–1 930 кг глинозе­му, 500–600 кг анодного матеріалу, 50–70 кг фтористих солей. Добова продуктивність однієї ванни середньої потужності – від 550 до 1 200 кг алюмінію. Алюміній відбирають з електролізера один раз на 1–2 доби.

Алюміній високої чистоти (не більше 0,05 % домішок) отримують електролітичним рафінуванням чорнового алюмінію, який містить до 1 % домішок. У як електроліт найчастіше використовують розплав Na₃[AlF₆], BaCl₂ (до 60%) NaCl (до 4%). Для отримання алюмінію особливої чистоти (не більше 0,001% домішок) застосовують зонну плавку.

Алюміній розливають у зливки, які потім переробляють на листи, фольгу, профілі, дріт. Він добре зварюється, піддається куванню, штампуванню, прокатці, волочінню і пресуванню, а також обробляється методами порошкової металургії.

Застосування алюмінію

Завдяки таким властивостям, як мала густина, висока тепло- й електропровідність, висока пластичність і корозійна стійкість, достатньо високі міцністні властивості (особливо в сплавах) і багатьом іншим цінним якостям, алюміній отримав винятково широке поширення в різноманітних галузях сучасної техніки й відіграє найважливішу роль серед кольорових металів. Його широкому застосуванню сприяє найнижча вартість серед усіх кольорових металів

Чистий алюміній застосовується у виробництві фольги, яка широко використовується для виробництва електролітичних конденсаторів і пакувальних матеріалів для харчових продуктів. Завдяки дешевизні й високій провідності, меншій густині алю­міній майже повністю витіснив мідь із виробництва провідни­кової продукції (дроти, кабелі, шинопроводи та ін.). Також алюміній застосовують у виготовленні корпусів і охолоджувачів діодів, спеціальної хімічної апаратури.

Покриття з алюмінію наносять на сталеві вироби для підви­щення їхньої корозійної стійкості. Способи нанесення: розпи­лення (для захисту сталевих виробів, що експлуатуються в при­морських зонах, на хімічних підприємствах); занурення в роз­плав (для отримання алюмінованих сталевих стрічок); пла­кіювання прокатуванням (біметалічні стрічки); вакуумне напи­лення (для алюмінування стрічок зі сталі, тканин, паперу й пластмас, інструментальних дзеркал); електрохімічний спосіб (для отримання матеріалів і виробів із захисно-декоративними властивостями).

Алюміній в електротехніці

Одним зі найважливіших споживачів алюмінію є електро­технічна промисловість.

Основну кількість провідникової продукції – голі, обмоткові й ізольовані проводи, кабелі в одно- й багатожилковому вико­нанні виробляють за двостадійною технологією: спочатку на алюмінієвих заводах із рідкого сплаву отримують заготовку діаметром 9–10 мм, а потім на кабельних заводах волочінням її доводять до потрібного діаметру.

Електрична провідність відпаленого алюмінію чистотою 99,6 % становитиме 62 % провідності відпаленої міді, межа міцності дорівнює 0,84–2,04 МН/м² залежно від ступеня відпа­лення. За потреби вищих міцністних характеристик викорис­товують сплави з підвищеним умістом легуючих елементів. Для високовольтних ліній електропередачі використовують алюмі­нієві проводи, зміцнені сталевим дротом чи зі сталевим сердечником.

Шинопроводи виробляють із різноманітних алюмінієвих сплавів чи з алюмінію марки АЕ. Перерізи шин сягають великих розмірів – їхні ширина й товщино дорівнюють відповідно 800 і 450 мм, а їхня вартість становить лише третину від вартості еквівалентних мідних шин.

Алюміній у вигляді фольги товщиною 0,00635 мм використо­вують у сильнострумних статичних конденсаторах для покра­щення коефіцієнта потужності, а також для телефонних кабелів, радіаторів для охолодження великих напівпровідникових випря­миників та в багатьох інших виробах.

Алюміній у пакуванні

Алюмінієва фольга широко використовується для вироб­ництва різноманітних пакувальних матеріалів. Це пакування:

- харчових продуктів: молочні продукти (йогурт, плавлений сир, масло), солодощі (плитки шоколаду, морозиво, жувальна гумка), кава, чай, дитяче харчування, сухі продукти (супи, картопляне пюре);

- напоїв: пиво, безалкогольні напої, соки, молоко;

- готових страв;

- корму для тварин;

- тютюну;

- фармацевтики: таблетки, мазі, трансдермальні терапев­тичні системи;

- косметики: туби зубних паст, вологі серветки, шампуні;

- промислових товарів: клеї, чорнила картриджів, хімікати;

Сплави алюмінію

Головне застосування алюмінію – виробництво сплавів на його основі. Алюміній – основа легких сплавів. Легуючі добавки (мідь, кремній, магній, цинк, манган) уводять в алюміній голов­ним чином для підвищення його міцності. Широко поширені дуралюміни, які містять мідь та магній, силуміни, у яких основ­ними добавками є кремній, магналій (сплав алюмінію з
9,5–11,5 % магнію). Головними перевагами всіх сплавів алюмінію є їхня мала щільність (2,5–2,8 г/см³), висока міцність (у перерахунку на одиницю ваги), задовільна стійкість проти атмосферної корозії, порівняно мала вартість та легкість отримання та обробки. Алюмінієві сплави використовують у ракетній техніці, в авіа-, авто-, судно- та приладобудуванні та в багатьох інших галузях промисловості. Раніше використовували для виробництва посуду. За частотою використання сплави алюмінію займають друге місце після сталі та чавуну.

Порошки алюмінію

Велике практичне значення мають алюмінієві порошки й частинки. Розмір частинок становить від 0,015 до 17 000 мкм, а розмір порошків – від 1 до 1 000 мкм. Форма може бути сферичною, у вигляді тонких лусочок і частинок неправильної форми.

Порошки виробляються за різними технологіями й відрізняються розмірами та фізико-хімічними властивостями. Отримують порошки розпиленням у струмені повітря чи води, методом відцентрового лиття, гранулюванням через вібруюче сито з наступним охолодженням водою, розмолом у млинах, охолодженням алюмінію з газової фази та ін.

Алюмінієві порошки використовуються в металургії як легуючі добавки, в алюмотермії (для термітного зварювання та відновлення сполук Cr, Mn, W, Ca). Порошки застосовуються в хімічній промисловості для синтезу алюмоорганічних сполук і як каталізатори, а також для отримання ряду сполук алюмінію.

Алюмінієві порошки застосовують і як компонент вибухових речовин, піротехнічних сумішей та твердого ракетного палива. Унаслідок реакції окиснення алюмінію виділяється велика кількість енергії, тому леткі речовини, які входять до складу ВР чи палива, нагріваються до високої температури.

Алюмінієва пудра й паста використовуються як пігменти лакофарбових матеріалів. Пудра також застосовується як газоутворювач у виробництві пористих бетонів.

Також з алюмінієвих порошків виготовляють різноманітні деталі методами порошкової металургії. Це дозволяє знизити відходи металу до мінімуму. Також деталі зі спечених порошків мають унікальні характеристики й у ряді випадків заміняють такі метали, як титан і високоміцні марки сталі.

Біологічна роль

Алюміній входить до складу тканин тварин і рослин; в органах ссавців виявлено від 10⁻³ до 10⁻⁵ % алюмінію (на сиру речовину). Алюміній накопичується в печінці, підшлунковій і щитоподібній залозах. У рослинних продуктах уміст алюмінію коливається від 4 мг на 1 кг сухої речовини (картопля) до 46 мг (жовта ріпа), у продуктах тваринного походження – від 4 мг (мед) до 72 мг на 1 кг сухої речовини (яловичина). У денному раціоні людини вміст алюмінію сягає 35–40 мг. Відомі організ­ми – концентратори алюмінію, наприклад плауни (Lycopodia­ceae), які містять в золі до 5,3 % алюмінію, молюски (Helix и Lithorina), у золі яких 0,2–0,8 % алюмінію.

Утворюючи нерозчинні сполуки з фосфатами, алюміній порушує живлення рослин (поглинання фосфатів коренями) і тварин (усмоктування фосфатів в кишківнику).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: