Алюминий: свойства, производство и применение

Физические свойства:

• Высокая тепло- и электропроводность.
• Стойкость к понижению температуры.
• Плотность – 2712 кг/м³.
• Температура плавления: 658⁰C– технический металл; 660⁰C– чистый металл.
• Пластичен. Из него можно получать тонкий лист и фольгу.
• Хорошо поддаётся сварке.
• Обладает хорошей светоотражающей способностью.

Химические свойства:

• Алюминий – высоко активен.
• На воздухе образует оксидную плёнку, которая в дальнейшем обеспечивает защиту от коррозии, и не даёт возможности вступать в реакцию с рядом окислителей.
• При нормальных условиях вступает в реакции с бромом и хлором.
• При повышении температуры образует соединения с азотом, йодом, кислородом, серой, фосфором, углеродом.
• Хорошо взаимодействует со щелочами.
• Образует множество сплавов с металлами.

Природные соединения алюминия

В чистом виде алюминий почти никогда не встречается (исключение могут составлять лишь особые восстановительные условия, образующиеся, к примеру, при выходе магмы из жерл вулканов). Гораздо чаще в земной коре присутствуют его соединения:

• Корунд (минеральные разновидности: рубин, сапфир, падпараджа, звёздчатый рубин, лейкосапфир, обыкновенный корунд и наждак)
• Бёмит.
• Диаспор.
• Хризоберилл (александрит).
• Гиббсит.
• Кианит.
• Каолинит.
• Мусковит.
• Алуниты.
• Анортит.
• Андалузит.
• Нефелины.
• Сподумен.
• Силлиманит.
• Криолит.
• Альбит.
• Отроклаз.
• Берилл.
• Шпинель.
• Полевые шпаты.
• Слюды.
• Бокситы.
• Глинозёмы.

В водоёмах содержание алюминия колеблется в пределах:

• От 0,001 до 10 мг/л – пресноводные бассейны рек и озёр.
• 0,01 мг/л – морская вода.

Производство алюминия

Алюминий является одним из самых востребованных металлов современной индустрии. Однако для его производства необходимо пройти несколько этапов, затратить значительное количество энергетических, транспортных и сырьевых ресурсов, использовать много персонала.

Добыча бокситов

Основным видом руды для получения алюминия служат бокситы, причём они являются качественными при содержании искомого минерала в 50% и более. В природе бокситы представлены в глиноподобном виде, массой красно-коричневого кирпичного цвета. Промышленное использование определяется морфологией, составом пород, условиями залегания рудных тел месторождений.

Добычу этого полезного ископаемого осуществляют как открытым (наиболее распространённым), так и закрытым способом (применяемым при значительных глубинах залегания, порядка 500 м и ниже). Проводя при этом бурильные, взрывные работы, используя селективные методы и применяя фрезерные технологии.

Производство глинозёма

Дальнейшим этапом производства алюминия является метод Байера, с помощью которого осуществляется выпуск 90% объёма мирового глинозёма – оксида алюминия Al₂O_3, представляющего собой порошок белого цвета. Способ достаточно прост и экономичен, но применим лишь для бокситов, отличающихся высоким качеством и малым содержанием примесей (лучше всего для этих целей подходит кремнезём).

Дробление

Прежде всего, добытые бокситы подвергают дроблению, то есть – раздавливания, раскалыванию и ударам с целью получения материала необходимой крупности и затем уже размалываемого с помощью истирания. Это даёт возможность довести материал до раскрытия зёрен искомого компонента, чтобы в дальнейшем сырьё полностью могло отдать находящийся в нём алюминий.

Выщелачивание

После чего раздробленный оксид алюминия растворяют в концентрированной щёлочи. Для достижения максимального эффекта в раствор добавляют известь. В результате данного технологического процесса получается пульпа, содержащая в себе алюминат натрия и посторонние примеси, первоначально входящие в состав боксита – красный шлам. Балласт удаляют, а полезный состав подвергают декомпозиции.

Декомпозиция

Процесс «выкручивания» – выделения кристаллического алюмината натрия в осадок носит название декомпозиции. Достаточно сложная и длительная процедура, включающая в себя разбавление водой с последующим охлаждением раствора в трубчатых теплообменниках, подразделяется на два этапа:

• Гидролиз раствора с получением гидроокиси алюминия.
• Кристаллизация, ускоряемая с помощью затравки и перемешивания.

Электролиз

Следующим этапом производства является электролиз, выполняемый при температуре 950⁰C в ваннах с расплавом криолита. Пропускаемый через раствор электрический ток, величиной более 400кА, освобождает алюминий от кислорода. Жидкий металл собирается на дне ванны для дальнейшего использования или – в качестве отправляемых потребителям слитков, или – для изготовления сплавов.

Литейное производство

Использования алюминия в чистом виде затруднено в связи с недостаточной прочностью, поэтому для её увеличения используют примеси. Химические соединения этого металла, полученные в металлургических процессах, подразделяются на два вида сплавов:

• Литейные.
• Конструкционные – полученные в результате деформации, которые в дальнейшем могут подвергаться или не подвергаться термическому воздействию.

Литейные сплавы

Основными добавками (легирующими элементами) при производстве литейных алюминиевых сплавов выступают:

• Магний, марганец, медь, кремний, цинк.
• В меньшей степени используются бериллий, литий, цирконий, титан.

Высокие показатели полученного литья определяются:

• Возможностью заполнения расплавом сложных форм, что является проявлением хороших литейных свойств.
• Незначительной массой изготавливаемой продукции, вследствие малого удельного веса самого алюминия.
• Стойкостью к коррозионному воздействию.
• Повышенной механической прочностью и твердостью, по сравнению с исходным материалом.
• Податливостью к обрабатываемым воздействиям.

По получаемым качествам, алюминиевые сплавы можно классифицировать на три вида:

• Конструкционные герметичные. Обладают хорошими антикоррозийными и литейными свойствами.
• Коррозионностойкие. Устойчивы к воздействиям агрессивных химических сред и воды. Достаточно легко обрабатываются в процессе резания и легко поддаются сварке.
• Жаропрочные. Сохраняют свои свойства при повышенных температурах и механических воздействиях.

Прокат

С помощью горячей или холодной прокатки на прокатных станах, алюминию придают форму, удобную для дальнейшего использования. Это может быть фольга, листы различной толщины, шины. В дальнейшем из этих изделий могут быть изготовлены прутки, трубы, разнообразные профили, находящие широкое применение в различных отраслях экономики.

Экструзия

Экструзия – это продавливание размягчённого в результате расплава металла через формирующий профиль. Наиболее наглядно данный процесс демонстрирует обычная бытовая мясорубка. Процесс позволяет уплотнить и повысить прочность материала экструдированного профильного изделия по сравнению с исходным сырьём.

Переработка алюминия

Современные экономические условия и экологические нормы сформировали ряд требований, выполнение которых как нельзя лучше обеспечивает технология переработка отходов алюминия. Дело в том, что металл сохраняется достаточно долгое время, не подвергаясь коррозии, при необходимости – в спрессованном состоянии. Также процесс переработки не требует большого расхода электроэнергии.

Рынок вторичного алюминиевого сырья представлен отходами изделий:

• Электротехнического профиля. Как правило, этот материал содержит в себе минимальное количество примесей.
• Пищевого направления – посуды и ёмкостей.
• Профильного формата, этот материал часто возникает при разделке мебели и стройдеталей.
• Моторного – обычно силумина.
• Средств авиационного и водного транспорта – самолётов, вертолётов, лодок.

Собранный алюминиевый лом подвергается сортировке, прессованию, высушиванию, плавлению. После чего направляется потребителям.

Сфера применения

В качестве восстановителя

В силу своих химических свойств, алюминий является сильным восстановителем, так как хорошо вступает в реакцию соединения с кислородом. Данное свойство находит применение для восстановления галогенидов и редких металлов.

В чёрной металлургии

Сталелитейное производство использует алюминий и его сплавы в качестве раскислителей, позволяющих не только избавиться от кислорода, но и исключить возможную пористость готовых изделий под воздействием пузырьков окиси углерода. Также в этой отрасли он применяется в качестве легирующих добавок и модификаторов в виде гранул, порошка и пудры.

Сплавы на основе алюминия

Существуют целые серии сплавов на основе алюминия, пользующихся огромным спросом в качестве конструкционных материалов. В основном это – соединения с магнием, марганцем, медью, легируемые в свою очередь магнием, марганцем, железом и кремнием. Алюминиевые сплавы обладают пластичностью, прочностью, технологичностью, устойчивостью к вибрационным воздействиям и коррозийной стойкостью.

Алюминий, как добавка в другие сплавы

Находит применение алюминий и в сплавах других металлов:

• магния,
• алюминиевой бронзы,
• фехраля,
• стали.

Ювелирные изделия

В последнее время серебристо-белый металл вновь, как полтора столетия назад, стал привлекать внимание ювелиров, желающих внести некоторое разнообразие в стандартный набор используемых материалов. Причём не только в качестве дешёвой бижутерии, но и основы драгоценных изделий, а также и самостоятельных изысканных изделий.

Столовые приборы

Алюминиевые столовые приборы в настоящее время не пользуются такой популярностью, как ранее, по причинам вредности для человеческого здоровья и потери своего внешнего вида в процессе эксплуатации. Хотя некоторое количество их присутствует в общепите. Также некоторая утварь, типа ложек, вилок котелков, фляжек используется в качестве армейской посуды и туристского снаряжения.

Стекловарение

В индустрии производства стекла и стеклянных изделий алюминий и его соединения находят широкое применение:

• Глинозём (окись алюминия) повышает прочность, твёрдость и стойкость к температурным и химическим воздействиям.
• Алюминиевые соли необходимы для производства особых видов стекла.

Пищевая промышленность

Помимо пищевой добавки в продуктах питания E173, алюминий входит в состав антацидных средств, предназначенных для обволакивания органов желудочно-кишечного тракта с целью их обезболивания в ряде заболеваний.

Военная промышленность

Благодаря своим свойствам: лёгкости и податливости, алюминий находит широкое применение в конструкциях разнообразного вида вооружений: от пистолетов и автоматов – до танков, ракет и самолётов. Даже такие экзотические для нашего времени изделия, как арбалеты, шпаги, рапиры, сабли не обходятся без данного минерала.

В ракетной технике

Помимо использования алюминия в качестве материала для изготовления ракет, спутников и иных космических летательных аппаратов; порошок из этого металла, а также окислитель на его основе являются важными компонентами твёрдого топлива – горючего для запуска челноков и ракет.

Алюмоэнергетика

Промежуточная роль алюминия для активизации выработки первичных энергоносителей или непосредственно тепловой и электрической энергии проявляет себя в сравнительно новой отрасли – алюмоэнергетике. Именно здесь, в процессе окисления этого уникального минерала производится:

• Водород из воды.
• Электроэнергия – за счёт воздействия кислородом воздуха в электрохимических генераторах.

Месторождения в России и мире

50 месторождений алюминиевых руд расположено на территории России. Крупнейшие из них расположены в Архангельской, Белгородской, Ленинградской и Свердловской областях, а также в республике Коми.

Мировые бокситные месторождения располагаются в 7 регионах мира:

• Африка – Гвинея и ряд стран в центре и на западе континента.
• Южная Америка – Бразилия, Венесуэла, Гайана и Суринам.
• Карибские острова – Ямайка.
• Европа – Греция и ряд регионов России.
• Азия – Индия, Китай, Турция.
• Австралия.

Мировые запасы

Доказанные запасы алюминиевых руд оцениваются в 30 млрд. тонн, ресурсные оценки Геологической службы США доводят эту цифру до 75 млрд. тонн.

Страны, добывающие алюминий.

В 2018 году общемировая выплавка алюминия достигла 60 миллионов тонн, распределившись по странам следующим образом:

• Китай – 33 млн. тонн.
• Россия – 3,71 млн. тонн.
• Индия – 3,68 млн. тонн.
• Канада – 2,9 млн. тонн.
• ОАЭ – 2,6 млн. тонн.
• Австралия – 1,6 млн. тонн.
• Норвегия – 1,35 млн. тонн.
• Бахрейн – 0,995 млн. тонн.
• Саудовская Аравия – 0,916 млн. тонн.
• США – 0,89 млн. тонн.

Алюминий занимает лидирующее положение среди производимых на планете цветных металлов, уступая в общем металлургическом списке лишь стали.