Особенности выплавки алюминиевых сплавов (стр. 1 из 2)

Самарский Государственный Аэрокосмический Университет

Особенности выплавки алюминиевых сплавов

Реферат

Аткишкин Александр

Сысуев Александр

Группа 424

2000

Оглавление

1. История алюминия и его сплавов

2.Физические свойства алюминия

3.Получение

4.Сплавы алюминия

5.Применение

1. История алюминия и его сплавов

Первые упоминания об «легком серебристом металле» можно встретить Плиния старшего, и относятся они к событиям почти двух тысячелетней давности.

В XVI веке талантливый немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, исследуя различные вещества и минералы, в том числе квасцы, установил, что они «есть соль некоторой квасцовой земли», в состав которой входит окись неизвестного металла, впоследствии названная глиноземом.

Квасцы, заинтересовавшие Парацельса, были известны с давних времен. По свидетельству греческого историка Геродота, жившего в V веке до н. э., древние народы применяли при крашении тканей для закрепления их цвета минеральную породу, которую они называли «алюмен», т. е. «свяжущая». Этой породой и были квасцы.

В 1754 году немецкий химик Маргграф сумел выделить «квасцовую землю», о которой 200 лет до этого писал Парацельс. Прошло еще несколько десятков лет, прежде чем англичанин Дэви попытался получить металл, скрывающийся в квасцах. В 1807 году ему удалось электролизом щелочей открыть натрий и калий, но разложить с помощью электрического тока глинозем он так и не сумел. Зато он дал металлу название – алюминий.

Первым, кому удалось получить металлический алюминий, был датский ученый Эрстед. В 1825 году в одном из химических журналов он опубликовал свою статью, в которой писал, что в результате проведенных им опытов образовался «кусок металла, с цветом и блеском, несколько похожим на олово». Однако журнал этот был не очень известен, и сообщение Эрстеда осталось почти незамеченным в научном мире. Да и сам ученый не придавал своему открытию большого значения.

Вскоре, опыты Эрстеда продолжил другой ученый – Вёлер, который в конце 1827 года наконец опубликовал свои методы получения метала. Еще 18 лет у него ушло на модернизацию своего метода. В 1855 году на парижской выставке был показан алюминий, полученный по технологии французского химика Сент-Клер Девиля, но металл разработанный по его технологии оставался весьма дорогим. Тем не менее он все же построил первый алюминиевый завод.

В 1865 году известный русский ученый Н. Н. Бекетов предложил интересный способ, который быстро нашел применение на алюминиевых заводах Франции а в1886 году, независимо друг от друга американский студент Холл и французский инженер Эру разработали электролитический способ производства этого металла, без которого немыслимо получение металла и сегодня.

Примерно в это время алюминий из драгоценного, постепенно становится промышленный металлом. Это произошло как раз во время, т.к. начинало развиваться машиностроение и вот-вот должна было появится авиация – индустрия, немыслимая без этого металла.

У алюминия в то время был только один недостаток – прочность. Но в начале 20 века немецкий химик Вильм запатентовал сплав, впоследствии названный дюралем или дюралюминием и имевший прочности в два раза большую чем у самого алюминия. Вскоре появились первые самолеты, сделанные из этого сплава, и в дальнейшем алюминий твердо стал «крылатым металлом».

2. Физические свойства алюминия

Алюминий(лат. Aluminium, от alumen - квасцы) - химический элемент III гр. периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. Серебристо-белый металл, легкий, пластичный, с высокой электропроводностью, tпл = 660 °С. Химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой). По распространенности в природе занимает 4-е место среди элементов и 1-е среди металлов (8,8% от массы земной коры). Известно несколько сотен минералов Алюминия (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и др.). Получают электролизом глинозема Al₂О₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ при 950 °С. Алюминий имеет решётку гранецентрированного куба, устойчив при температурах от -269 °С до точки плавления (660 °С). Алюминий не имеет аллотропических изменений, элементарная ячейка состоит из 4 атомов, атомный диаметр 2,86×10^-10 м. Теоретическая плотность алюминия равна
2698,72 кг/м³. Экспериментальные значения для поликристаллического материала находятся в пределах от 2696,6 до 2698,8 кг/м³. Коэффициент температурного расширения при комнатной температуре 23×10^-6К^-1. Теплопроводность составляет при 24°С 2,37 Вт×см^-1×К^-1. Электросопротивление алюминия высокой чистоты (99,99%)
при 20°С составляет 2,6548×10^-8 Ом×м, или 65% электросопротивления международного эталона из отожжённой меди. Отражательная способность полированной поверхности составляет более 90%.

3.Получение

В природе аллюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы. Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводимых этапов -сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него получают алюминий.

Испльзуемые в настоящее время методы получения глинозема можно поделить на три вида: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили щелочные методы. В одних видах щелочных методов боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

Al O + Na CO = Al O Na O + CO .

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

В других видах щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде. В обоих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках. В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию - CaSiO уходит в осадок, образуя белый шлам. Очищенный от кремния раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

Al O Na O + 3H O + CO = 2Al(OH) + Na CO .

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

2Al(OH) = Al O + 3H O .

Этот способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита-около 80%.

Сам алюминий получают электролизом раствора глинозема Al₂O₃ в расплавленнном криолите. l₂O₃ должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al₂O₃ около 050^оС, а криолита - 1100^оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь риолита и Al₂O₃, содержащую около 10 масс.% Al₂O₃, которая плавится при 960^оС и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF₃, CaF₂ и MgF₂ проведение электролиза оказывается возможным при 950^оС.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.

Al₂O₃ = Al³⁺ + AlO₃^3-

На катоде выделяется жидкий алюминий:

Al³⁺ + 3е^- = Al

Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:

4AlO₃^3- - 12е^- = 2Al₂O₃ + 3O₂

Кислород окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания углерода анод наращивают.

При электролизе на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, 0.6 т угольных электродов, служащих анодами, 0.1 т криолита и от 17000 до 18000 квт ч электроэнергии. Полученный при электролизе глинозема алюминий-сырец содержит металлические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоянии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэтому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами.

После рафинирования получают торговые сорта алюминия. Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации алюминия. В настоящее время используется следующая классификация алюминия по степени чистоты:

Обозначение	Содержание алюминия по массе,%
Алюминий промышленной чистоты	99,5 - 99,79
Высокочистый алюминий	99,80 - 99,949
Сверхчистый алюминий	99,950 - 99,9959
Особочистый алюминий	99,9960 - 99,9990
Ультрачистый алюминий	свыше 99,9990

4.Сплавы алюминия

Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности , применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.