Az alumíniumtermelés növekedése meghaladja a vas-, réz-, ólom-, cink-termelés növekedését, sőt a világ népességének növekedését, a teljes ipari termelés és a villamosenergia-termelés növekedését is.
Húsz év alatt (1937-től 1957-ig) a kapitalista országokban az alumíniumtermelés 444 ezer tonnáról 2730 ezer tonnára, több mint hatszorosára nőtt, míg az acéltermelés ez idő alatt kevesebb mint kétszeresére, sekélyen 37%-kal, az ólom 10%-kal nőtt. %-kal, a cink pedig 68%-kal. A kapitalista országok alumíniumtermelésének dinamikáját az ezer tonna fém mennyiségi növekedésének alábbi mutatói jellemzik:
A kapitalista világ fő alumíniumgyártói az USA, Kanada, Franciaország, Nyugat-Németország, Norvégia, Japán és Olaszország. Az alábbiakban a kapitalista országok alumíniumtermelésére vonatkozó adatok találhatók, ezer tonna:
Az alumíniumtermelés növekedése a kapitalista országokban, elsősorban az USA-ban, Kanadában és Franciaországban azután vált lehetővé, hogy egy nagy timföld- és alumíniumgyárak építésére irányuló program végrehajtása, olcsó villamosenergia-források megteremtése, valamint az alumínium számos országban alkalmazásra került. a gazdaság ágazataiban.
Az alumíniumtermelés általában olcsó villamosenergia-források közelében jön létre, amelyek részesedése az alumínium összköltségének körülbelül 15%-a. Az energiaköltségek megtakarítása általában többszöröse meghaladja az alumíniumban gazdag nyersanyagok gyárakba történő szállításának költségeit, még nagyon távoli kitermelési pontokról is. Az alumíniumipar fejlődése azt az utat követte, hogy nagyon nagy timföld- és alumíniumgyárak jöttek létre, jelentős termeléskoncentrációval, különösen az USA-ban és Kanadában.
A kapitalista országok alumíniumkohóinak összkapacitása 1958. január 1-jén 3 300 ezer tonna, az amerikai üzemek kapacitása eléri az 1 670 ezer tonnát, beleértve az Alcoát (Amerikai Alumínium Társaság) - 719,0, Reycolde Metals Company - 443,3, Kaiser Aluminiumot és a Chemical Corp. - 451,8 és Anaconda Aluminium Company - 54,4 ezer g, a kanadai üzemek kapacitása pedig több mint 740 ezer tonna, ezen belül a kanadai Aluminium Company - 703,9 ezer tonna évente.
A hírek szerint a gyárak további építésére és bővítésére irányuló programról van szó. 1961-ig mintegy 700 ezer tonna új alumíniumgyártó létesítmény üzembe helyezését tervezik az Egyesült Államokban; Kanadában - 120 ezer tonna.
Európában Franciaországban, Norvégiában, Olaszországban és Németországban fejlődött az alumíniumipar. Ezekben az országokban új alumíniumkohók építését is tervezik.
Az Egyesült Államokban és Kanadában az alumíniumkohók kapacitás szerint az alábbiak szerint oszthatók el:
Az európai kohók kapacitása kisebb: a kapitalista országok 36 alumíniumkohójából mindössze 6 30-60 ezer tonnás kapacitású.
Az Egyesült Államok, amelynek alumíniumtermelése a kapitalista országok teljes alumíniumtermelésének több mint 54%-át teszi ki, a bauxitnak mindössze 3%-át állítja elő teljes termeléséből. A bauxit fő lelőhelyei a Karib-tenger, Dél-Amerika, Afrika és Ausztrália szigetein találhatók. A kapitalista világ országaiban összesen évi 15-17 millió tonna bauxitot bányásznak. A bauxit fő forrásai Holland Guyana (3,5 millió tonna) és Jamaica (3,1 millió tonna). Európában Franciaország áll az első helyen a termelésben (1,5 millió tonna), Görögországban pedig bővül a kiváló minőségű bauxit gyártása.
A törmelék és a törmelék fontos nyersanyagforrások a másodlagos alumínium előállításához. Az újrahasznosított alumínium alapanyagok aránya a teljes alumíniumfelhasználásban az USA-ban 22-25%. Angliában 30-32%, Németországban - több mint 30%, Franciaországban pedig 24-26%.
Az USA-ban 1956-ban 1523 ezer tonna primer alumínium gyártása során 320 ezer tonna szekunder alumíniumot termeltek, Németországban 1957-ben 154 ezer tonna elsődleges alumínium gyártása során 88 ezer tonna másodlagos alumíniumot. beolvasztották.
A kapitalista országokban felhasznált másodlagos alumínium anyagok összmennyisége meghaladta a félmillió tonnát.
Az alumínium és ötvözetei tulajdonságainak sokfélesége az ipari termelés és építőipar különböző területein, valamint a mindennapi életben való széles körű alkalmazásához vezetett. Az alumíniumot a modern ipar több mint 500 ezer különféle termékének gyártásához használják fel.
A vezető kapitalista országok alumíniumfogyasztása különösen nőtt a második világháború és a háború utáni években. Ha a második világháború előtt 10 évente megduplázódott az alumíniumfogyasztás, akkor az utóbbi években ötévente.
1957-re a kapitalista országok alumíniumfelhasználása meghaladta a 2600 ezer tonnát és elérte az 1610 ezer tonnát az USA-ban, a 216 ezer tonnát Angliában, a 152 ezer tonnát Franciaországban, a 71 ezer tonnát Japánban és a 206 ezer tonnát Németországban.
Az alumíniumgyártás fejlődése közvetlenül összefügg a repülés fejlődésével, mivel az alumínium a repülőgépgyártás fő anyaga. Az alumíniumkohók termelési kapacitása és a stratégiai alumíniumtartalékok kialakítása nagymértékben meghatározza az ország katonai erejét. Az elmúlt években az Egyesült Államok támogatást nyújtott új üzemek építéséhez, és ezzel egyidejűleg nagy mennyiségben vásárolt alumíniumot stratégiai tartalékokhoz. Csak az 1953-1955 közötti időszakra. Az Egyesült Államok stratégiai alumíniumtartaléka megközelítőleg elérte a 450 ezer tonnát.
Az alumíniumot és az alumíniumötvözeteket széles körben használják a repülésben, mivel az alumínium fajsúlya (2,65-3) 2,5-3-szor kisebb, mint az acél és rézötvözetek fajsúlya. Ezenkívül az alumínium és ötvözeteinek szilárdsága meglehetősen magas.
Alumínium szükséges még harckocsigyártáshoz, tüzérséghez, kommunikációs berendezések, robbanóanyagok, világítás és gyújtólövedékek gyártásához. A katonai hajók alkatrészeinek alumínium felhasználása csökkenti azok elmozdulását, miközben megtartja harci tulajdonságait. Az alumínium a hadsereg felszerelésében is nagy jelentőséget kap.
Az elektromos ipar a hadiipar után a következő legnagyobb alumíniumfogyasztási ágazat. Az alumínium elektromos vezetőképességében lényegesen jobb a többi fémnél, csak az ezüst és a réz mögött. Az azonos vezetőképességet biztosító keresztmetszet mellett az alumíniumhuzalok súlya fele a rézet súlyának. Az alumíniumhuzalok és -kábelek elterjedtebbek Európában, mint az Egyesült Államokban. Nagy szilárdságú alumíniumötvözeteket használnak magnéziummal, szilíciummal és kadmiummal. Ezen elemek tartalma olyan, hogy az ötvözetek elektromos vezetőképessége észrevehetően nem csökken. A leghíresebb ötvözetek az Aldrey (Németország), Almelek (Franciaország) és Silmalek (Anglia).
Az orosz elektromos ipar folyamatosan növeli az alumínium iránti keresletet. Csak a kábeltermékek gyártásában nőtt a teljes alumíniumfelhasználás fajlagos felhasználása 1950-ről 1958-ra. két és félszer. Az ország teljes villamosításának lenini programja csak az alumínium elektrotechnikában való széles körű bevezetésével valósítható meg. Más szocialista országok (elsősorban Csehország és Németország) is nagy sikereket értek el ebben.
Az alumínium és ötvözeteinek mechanikai és fizikai tulajdonságai, különös tekintettel a könnyűségre és a magas hővezető képességre, előre meghatározzák a gépgyártásban és a motorgyártásban való széles körű alkalmazásukat. Az alumínium azon képessége, hogy különféle ötvözeteket képezzen más fémekkel, lehetővé teszi a szükséges anyagok kiválasztását a felhasználás különféle feltételeihez.
Az alumínium és különösen ötvözetei jó felületet adnak öntve. nagy méretpontosság és minimális súly. Az alkatrészek gyártásának gyártási folyamata lehetővé teszi a tervezők számára, hogy a legelőnyösebb, sőt nagyon összetett formájú alkatrészeket is megtervezhessék nagy szilárdsággal és minimális fémfelhasználással. Az alumínium ötvözése körülbelül 0,7% magnéziummal, szilíciummal és rézzel növeli annak szilárdságát. Motorházak, sebességváltók, dugattyúk és egyéb autóalkatrészek öntéséhez az alumíniumot sziluminnak nevezett ötvözet formájában használják.
Az autóiparban az alumínium felhasználása folyamatosan bővül. Az USA-ban akár 86,9 kg alumíniumot is elfogyasztanak egy Cadillac Eldorado autó elkészítéséhez. Fogyasztása az európai országok autóiparában magasabb: autónként 30-130 kg. A műszaki-gazdasági indoklás azt mutatja, hogy a fogyasztás 195 kg-ra növelhető. Egy autó. A General Motors bejelentette három kísérleti motor kiadását, amelyek teljes egészében alumíniumból és ötvözeteiből készültek.
Az alumíniumötvözetek alkalmazása a vasúti kocsik és mozdonyok gyártása során lehetővé teszi a kocsi tömegének 50%-os, a dízelmozdony tömegének 4-5 tonnával történő csökkentését.
A vegyiparban az alumínium nagy korrózióállóságát használják. A salétromsav szállítására szolgáló berendezések és tartályok alumíniumból készülnek. A korrózióállóság növelése érdekében az alumíniumot mangánnal ötvözik.
Az alumíniumot a kohászatban acél dezoxidálására, vas- és acéltermékek hegesztésére használják, valamint széles körben használják a konzerviparban is mindenféle tartály gyártásához: alumíniumból készülnek a tej-, sör- és egyéb folyadékok tárolására szolgáló tartályok.
Az elmúlt években a fejlett kapitalista országokban az alumínium felhasználása az ipari és lakóépületek szerkezeti elemeihez meredeken bővült, különösen az USA-ban: a lakó- és polgári építmények építésénél felhasznált alumínium mennyisége az 1952-es 220 ezer tonnáról nőtt. 1955-ben 400 ezer tonnára, 1957-ben pedig több mint 500 ezer tonnára, ami az ország teljes fémfelhasználásának csaknem negyedét tette ki.
Az USA-ban az építőiparban felhasznált összes alumínium közel 20%-a ablakkeretek gyártására megy el. Az alumínium szerkezeteket előnyben részesítik olyan esetekben, amikor a tömegcsökkentés műszaki hatását elérik, nem pedig egyszerűen alumíniumra cserélik az acélszerkezeteket. Így Angliában alumíniumból két hangárt és egy kiállítási épületet építettek. A Hatfield által épített hangár hétszer kisebb súlyú, mint egy acélhangár. Alumínium felhasználásával nagy fesztávú hidakat lehet építeni. Az alumíniumot széles körben használják könnyű mobil szerkezetek, daruk, gémek, kotrógépek és kotrógépalkatrészek gyártására.
Információk szerint az Egyesült Államokban több mint 100 ezer tonna alumínium hullámlemezt használnak fel raktárak, ipari épületek és mezőgazdasági épületek építésekor. A Reynold Metalle cég olyan házak építésére irányuló projektet fejleszt ki, amelyben az alumíniumötvözeteket széles körben használják majd. A sokemeletes épületek falához nagy alumíniumötvözet blokkokat is használnak: egy ilyen blokk súlya 4-4,5-szer kisebb, mint az azonos térfogatú falazat súlya. Angliában több mint 40 vállalat foglalkozik előregyártott alumínium házak gyártásával exportra. Az alumíniumnak minden bizonnyal nagy jövője van az építőiparban.
Az acélszerkezetekre szórt alumínium felhordásával tartós, korrózióálló bevonatot kapunk. Az eloxált alumínium az építészeti részletek burkolóanyagaként szolgál.
Egyre növekszik az alumínium konténerként és csomagolóanyagként való használata. Így 1957-ben az USA-ban 98,1 ezer tonna alumíniumfólia-felhasználás volt az 1950-es 38 ezer tonnához képest.
Az alábbiakban adjuk meg a fejlett kapitalista országok alumíniumfogyasztási szerkezetének jellemzőit, az ország országainak összes fogyasztásának %-át:
Az alumínium fő mennyiségét alumíniumból és ötvözeteiből készült félkész termékek formájában fogyasztják el. Az USA-ban hosszú ideig a nyomással feldolgozott félkész termékek alumíniumfelhasználása 75-80%, az öntvények 20-25%-a volt. Más országokban eltérő arányok vannak. Így Németországban a nyomással feldolgozott félkész termékekben az alumínium 60-65%-a, mintegy 30%-a öntésre, 5%-a pedig az acélipar igényeire fogy.
Az újrahasznosított fémeket főként öntöttötvözetek előállítására használják. Angliában a teljes öntöttötvözet-termelés 80%-át adják. az USA-ban 75%, Svájcban 60%, Franciaországban 50%, és ezek az ötvözetek minőségükben nem rosszabbak, mint az azonos összetételű elsődleges alumíniumötvözetek.
A nyomásos feldolgozással előállított félkész termékek formájukban és méretükben rendkívül változatosak. Az alábbiakban bemutatjuk a legfontosabb hengerelt alumínium típusokat az Egyesült Államokban, ezer tonnában:
Az ipari fejlődés modern korszakát az alumínium technológiai és gyártási szerepének növekedése jellemzi; jelentősége akkora, alkalmazása olyan kiterjedtté vált, hogy a szakirodalomban nem ok nélkül nevezik az alumíniumot a 20. század fémének.
Az alumínium a vas, a réz, az ólom és a cink fő helyettesítőjeként működik számos alkalmazási területen.
Az acél helyettesítőjeként már előkelő helyet foglalt el a gépészetben, különösen az autógyártásban, az építőiparban, különösen a mobil szerkezetekben és a nagy fesztávú szerkezetekben.
Így az USA-ban 1939-ben átlagosan 2,5 kg alumíniumot használtak fel autónként, 1952-ben pedig 6,8 kg-ot. és 1957-ben - 18,4 kg. Jelenleg minden autó 23,5 kg alumíniumot használ – főként az automata sebességváltókhoz és a motorhoz.
Az alumíniumgyártás további bővítése és költségeinek csökkentése növeli az alumínium vashelyettesítő alkalmazásának lehetőségét.
Az alumíniumot rézhelyettesítőként az elektrotechnikában használják kábelek és vezetékek, kis villanymotorok és kis teljesítményű transzformátorok, kondenzátorok, szerelvények és világítótestek gyártásához. Az alumínium elektrotechnikában való felhasználása több mint 50 évvel ezelőtt kezdődött, de csak az utóbbi években történt jelentős előrelépés ezen a területen, és a réz helyett az alumíniumot kezdték el széles körben használni.
Az Aluminium Company of Canada Limited 1957-ben folyamatos eloxáló üzemet épített alumíniumhuzalokhoz.
Az alumínium-oxid film nagy dielektromos állandóval rendelkezik, és kémiailag inert; olvadáspontja jóval magasabb, mint az alatta lévő alumínium olvadáspontja. A fólia nagyon kemény, de porózus, jól tapad az alumíniumhoz, és nagyon ellenáll a kopásnak. A film vastagsága kisebb, mint 0,013 mm (0,0005 hüvelyk), ezért nagyon kevés helyet foglal el a tekercsben, ezért nagyobb átmérőjű alumíniumhuzallal is lehet áramsűrűséget elérni, mint a rézhuzalnál. A vékony oxidréteg jó hőelvezetést biztosít a tekercsről; Az oxid szigetelés fontos előnye a könnyű súlya.
Az alumíniumot, mint ólomhelyettesítőt kábelköpenyek készítésére használják, és mindaddig használják, amíg műanyagra nem cserélik.
A cink helyettesítőjeként alumíniumot használnak majd a tetőfedő anyagok gyártásában horganyzott lemezek helyett.
Az alumínium jelentősen felváltja az ónt, amelyet ónlemez formájában használnak a konzervdobozok készítéséhez. Az egyéb színesfémek alumíniummal való helyettesítésének feltörekvő módjait annak számos műszaki és gazdasági előnye magyarázza.
A réz-, ólom- és cinkkészletek elenyészőek az alumíniumkészletekhez képest, így ezeknek a fémeknek az előállítása kevésbé biztonságos, mint az alumínium termelése. Az alumíniumgyártás megszervezésének kezdeti költségei lényegesen alacsonyabbak, mint a réz, ólom, ón és egyéb fémek gyártásának megszervezésének költségei.
Az alumínium már olcsóbb, mint a többi színesfém; A termelés volumenének bővülésével és a technológia fejlődésével a timföldgyártási folyamatok fejlesztése és az elektrolitgyárak berendezésében bekövetkezett jelentős változtatások következtében a költségek csökkennek.
Számos jelentés szól arról, hogy a kapitalista országokban az alumíniumtermelés növekedési kilátásai vannak, és hogy az alumíniumfogyasztás növekedése a legnagyobb a többi fémhez képest. Feltételezések szerint 1965-re a kapitalista országok alumíniumiparának összkapacitása eléri a 4,5 millió tonnát, ezen belül az USA és Kanada 3,4 millió tonnát.
Paley Bizottság az Egyesült Államok nyersanyagellátásáról 1950-1975. feltételezte, hogy 1975-ben az USA-ban 3300 ezer tonna primer alumínium fogyasztás, más kapitalista országokban 2200 ezer tonna, a teljes fogyasztás 5500 ezer tonna A Reynolds Metals Company forma úgy véli, hogy 1975-re az Egyesült Államok alumínium iránti kereslete megnő. 5 alkalommal; 1,8 millió g-ról 9 millió tonnára.
Ezek az alumíniumipar fejlődésére vonatkozó becslések helyesen tükrözik az alumínium alkalmazási körének bővítésére irányuló tendenciákat. Ez azonban nem veszi figyelembe a termelés kapitalista jellegét, és ezáltal az alumíniumgyártás és -fogyasztás esetleges váratlan ingadozásait.
Az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériuma
Szövetségi Oktatási Ügynökség
Magnyitogorszki Állami Műszaki Egyetem
őket. Nosova
Vasfémkohászati Tanszék
Absztrakt a „kohászat története” tudományágról
KOHÁSZATI ALUMÍNIUM
annotáció
Az "Alumíniumkohászat" témát megvizsgáljuk, és ismertetjük ennek a fémnek a fő tulajdonságait. Röviden felvázoljuk az alumínium felfedezésének történetét, előállításának lehetséges módjait és felhasználását a különböző iparágakban.
Bevezetés
1. Az alumínium tulajdonságai
2. Alumínium alkalmazása
3. Nyersanyagok
4. Timföldgyártás
5. Alumínium elektrolitikus gyártása
6. Alumínium finomítása
Következtetés
Felhasznált irodalom jegyzéke
Bevezetés
A "kohászat" szó görög eredetű:
metalleu® - ásom, kivonom a földből;
metallurgeo – ércet bányászok, fémeket dolgozok fel;
metallon – enyém, fém.
Ez a szó a tudomány és a technika területét jelenti, amely a mélyből bányászott ércek feldolgozásának, a fémek és ötvözetek előállításának folyamatait takarja, bizonyos tulajdonságokat adva nekik.
Az ókorban, a középkorban és viszonylag nemrégiben, egészen M. V. Lomonoszov idejéig, azt hitték, hogy 7 fém létezik (arany, ezüst, réz, ón, ólom, vas, higany).
1814-ben J. Berzelius svéd kémikus alfabetikus jelek használatát javasolta, amelyeket ritka kivételektől eltekintve világszerte használnak.
Ma a tudomány több mint 80 fémet ismer, ezek többségét a technikában használják.
A világgyakorlatban a fémeket vastartalmú (vas és azon alapuló ötvözetek) és minden más - színesfémre (Non-ferrousmetals, angol; Nichtei-senmetalle, német) vagy színesfémekre osztják. A kohászatot gyakran vas- és színesfémekre osztják. Jelenleg a vasfémek teszik ki a világon előállított összes fémtermék mintegy 95%-át.
A technológiában egy feltételes besorolást is elfogadtak, amely szerint a színesfémeket „könnyű” (alumínium, magnézium), „nehéz” (réz, ólom stb.), tűzálló (volfrám, molibdén stb.) csoportokra osztják. ), nemes (arany, platina stb.) stb.), ritka fémek.
A vas- és színesfémekből készült termékek aránya jelenleg az állam nemzeti össztermékének 72-74 százalékát teszi ki. Vitatható, hogy a fémek a 21. században. továbbra is a fő szerkezeti anyagok maradnak, hiszen tulajdonságaikat, termelési és fogyasztási gazdaságosságukat tekintve a legtöbb felhasználási területen páratlanok.
A mintegy 800 millió tonna elfogyasztott fémből ~ 750 millió tonna acél, 20-22 millió tonna alumínium, 8-10 millió tonna réz, 5-6 millió tonna cink, 4-5 millió tonna ólom. pihenés -< 1 млн. т).
A modern technológia számára legértékesebb és legfontosabb fémek közül csak néhány található nagy mennyiségben a földkéregben: alumínium (8,8%), vas (4,65%), magnézium (2,1%), titán (0,63%).
A könnyűfémérc-lelőhelyek általában alumíniumtartalmú érceket tartalmaznak; Az alumínium fő szállítója a bauxit, valamint az alunitok, nefelinek és különféle agyagok. A színesfémek érctelepei közé tartoznak a réz, ólom és cink, kobalt, nikkel és antimon lerakódások. Közülük a legnagyobb fémtartalék tízmillió tonnától százmillió tonnáig terjed, az érc szokásos fémtartalma néhány százalék.
A bányászott anyagok tömege sokszorosa az ércben lévő fémek mennyiségének, és az esetek túlnyomó többségében gazdaságilag nem kifizetődő a természetes ércekből közvetlenül kinyerni a hasznos komponenseket.
A régészeti ásatások azt mutatják, hogy az ember fémekkel való ismerkedése tőlünk nagyon távoli időkre nyúlik vissza. Úgy gondolják, hogy az első bronztermékeket Kr.e. 3 ezer évvel a réz- és ónércek szénnel való olvadáscsökkentési keverékéből nyerték. Jóval később a bronzot úgy kezdték előállítani, hogy ónt és más fémeket (alumínium, berillium, szilícium-nikkel stb.) adnak a rézhez. Jelenleg a legelterjedtebbek az alumíniumbronzok (5-12% Al) vas, mangán és nikkel hozzáadásával.
Jelenleg a kohászati termelés a nemzetgazdaság egyik kiemelt ágazata.
1. ALUMÍNIUM TULAJDONSÁGAI
Az alumíniumot először H. Ørsted dán fizikus szerezte meg 1825-ben. Ennek az elemnek a neve a latin alumen szóból ered, amely az ókorban a timsó elnevezése volt, és amelyet szövetek festésére használtak.
Az alumíniumnak számos értékes tulajdonsága van: alacsony sűrűség - körülbelül 2,7 g / cm 3, magas hővezető képesség - körülbelül 300 W / (m K) és nagy elektromos vezetőképesség 13,8. 10 7 Ohm/m, jó alakíthatóság és megfelelő mechanikai szilárdság.
Az alumínium számos elemet tartalmazó ötvözeteket képez. Az alumínium olvadt állapotban folyékony és jól kitölti a formákat, szilárd formájában könnyen deformálódik, könnyen vágható, forrasztható és hegeszthető.
Az alumínium affinitása az oxigénhez nagyon magas. Oxidációja során nagy mennyiségű hő szabadul fel (~ 1 670 000 J/mol). A finomra őrölt alumínium hevítéskor meggyullad és levegőben ég. Az alumínium a levegőben és a légköri körülmények között oxigénnel egyesül. Ebben az esetben az alumíniumot vékony (~ 0,0002 mm vastag) sűrű alumínium-oxid film borítja, amely megvédi a további oxidációtól; Ezért az alumínium ellenáll a korróziónak. Az alumínium felület jól védi ezt a filmet az oxidációtól még olvadt állapotban is.
Az alumíniumötvözetek közül a duralumínium és a szilumin a legfontosabbak.
A duralumínium összetétele az alumíniumon kívül 3,4-4% Cu-t, 0,5% Mn-t és 0,5% Mg-t tartalmaz, legfeljebb 0,8% Fe és 0,8% Si megengedett. A duralumínium jól deformálódik, és mechanikai tulajdonságai közel állnak bizonyos típusú acélokhoz, bár 2,7-szer könnyebb, mint az acél (duralumínium sűrűsége 2,85 g/cm3).
Ennek az ötvözetnek a mechanikai tulajdonságai nőnek a hőkezelés és a hideg deformáció után. A szakítószilárdság 147-216 MPa-ról 353-412 MPa-ra, a Brinell-keménység pedig 490-588-ról 880-980 MPa-ra nő. Ebben az esetben az ötvözet relatív nyúlása szinte nem változik, és meglehetősen magas marad (18-24%).
A sziluminok alumínium és szilícium ötvözetei. Jó öntési tulajdonságokkal és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek.
2. ALUMÍNIUM ALKALMAZÁSA
Az alumíniumot és ötvözeteit széles körben használják számos iparágban, beleértve a repülést, a közlekedést, a kohászatot, az élelmiszeripart stb. A repülőgépek karosszériái, motorjai, hengerblokkok, sebességváltók, szivattyúk és egyéb alkatrészek a repülésben és az autóiparban alumíniumból és ötvözeteiből készülnek. ipar, vegyi termékek tárolására szolgáló edények. Az alumíniumot széles körben használják a mindennapi életben, az élelmiszeriparban, az atomenergiában és alumíniumból és ötvözeteiből készülnek az űrhajók.
Az alumínium oxigénnel szembeni nagy kémiai affinitása miatt a kohászatban deoxidálószerként, illetve nehezen redukálható fémek (kalcium, lítium stb.) úgynevezett aluminoterm eljárással történő előállítására is használják.
A világ teljes fémtermelését tekintve az alumínium a második helyen áll a vas után. ,
3. NYERSANYAGOK
Az alumíniumgyártás fő modern módszere az elektrolitikus módszer, amely két szakaszból áll. Az első a timföld (Al 2 O 3) előállítása érc alapanyagokból, a második pedig a folyékony alumínium előállítása alumínium-oxidból elektrolízissel.
Alumíniumércek. Az alumínium nagy kémiai aktivitása miatt a természetben csak kötött formában fordul elő: korund Al 2 O 3, gibbsit Al 2 O 3. 3H 2 O, böhmit Al 2 O 3. H 2 O, kianit 3Al 2 O 3, 2SiO 2, nefelin (Na, K) 2 O. Al 2O 3. 2SiO2, kaolinit Al2O3, 2SiO2. 2H 2 O és mások. A jelenleg használt fő alumíniumércek a bauxit, valamint a nefelinek és alunitok.
Bauxit. A bauxitban lévő alumínium főleg alumínium-hidroxidok (gibbsit, böhmit stb.), korund és kaolint formájában található meg. A bauxit kémiai összetétele meglehetősen összetett. Gyakran több mint 40 kémiai elemet tartalmaznak. A timföldtartalom bennük 35-60%, szilícium-dioxid 2-20%, Fe 2 O 3 -oxid 2-40%, titán-oxid 0,01-10%. A bauxitok fontos jellemzője az Al 2 O 3 és a SiO 2 tömegarány - az úgynevezett szilícium modul.
Hazánkban a nagy bauxitlelőhelyek közé tartozik a Tikhvinszkoje (Leningrádi régió), Szeverouralszkoje (Szverdlovszki régió), Juzsnouralszkoje (Cseljabinszki régió), Turgaiskoye és Krasznooktyabrszkoje (Kustanay régió).
A nefelinek a nefelin szienitek és urtitek részei. A Kola-félszigeten nagy urtites-lerakódás található. Az urtit fő összetevői a nefelin és apatit 3Ca 3 (PO 4) 2. CaF2. Flotációs dúsításnak vetik alá nefelin-apatit koncentrátumok felszabadulásával. Az apatit koncentrátumot foszfát műtrágyák, a nefelin koncentrátumot pedig az alumínium-oxid előállításához használják. A nefelin koncentrátum %: 20-30 Al 2 O 3, 42-44 SiO 2, 13-14 Na 2 O, 6-7 K 2 O, 3-4 Fe 2 O 3 és 2-3 CaO.
Az alunitok az alumínium és a kálium (vagy nátrium) K 2 SO 4 fő szulfátjai. Al2(SO4)3. 4 Al(OH) 3. Az Al 2 O 3 tartalom bennük alacsony (20-22%), de további értékes összetevőket tartalmaznak: kénsav-anhidrid SO 3 (~ 20%) és alkáli Na 2 O, K 2 O (4-5%). Így ezek a nefelinekhez hasonlóan összetett nyersanyagok.
Egyéb nyersanyagok. A timföldgyártás során lúgos NaOH-t, esetenként mészkő CaCO 3 -ot használnak a timföld elektrolízisénél, kriolit Na 3 AlF 6 (3NaF.AlF 3) és kevés alumínium-fluorid AlF 3, valamint CaF 2 és MgF 2.
Fémalumíniumot először F. Wöhler német kémikus nyert vegyi úton 1821-ben (alumínium-kloridból hevítés közben káliumfémmel redukálva). 1854-ben Sainte-Clair Deville francia tudós elektrokémiai módszert javasolt az alumínium előállítására az alumínium-nátrium-klorid kétszeres nátriummal történő redukálásával.
Alumínium gyártás és gyártás
A fémes alumíniumot három szakaszban állítják elő:
- Alumínium-oxid (Al 2 O 3) kinyerése alumíniumércekből;
- Alumínium gyártása timföldből;
- Alumínium finomítás.
Alumínium-oxid gyártás
Az összes alumínium-oxid körülbelül 95%-a bauxitércekből származik.
Bauxit(francia bauxit) (a dél-franciaországi Baux terület neve után) alumínium-hidroxidokból, vas- és szilícium-oxidokból álló alumíniumérc, alumínium-oxid és timföld tartalmú tűzálló anyagok előállításához szükséges alapanyagok. Az ipari bauxit alumínium-oxid-tartalma 40% és 60% között van, és magasabb. A vaskohászatban folyósítóként is használják.
1. ábra – Bauxit érc
A bauxit jellemzően földes, agyagszerű massza, amely lehet sávos, pizolit (borsó alakú) vagy egységes szerkezetű. Normál időjárási körülmények között a földpátok (a földkéreg nagy részét alkotó ásványok, alumínium-szilikátok) agyagokká bomlanak, de meleg éghajlaton és magas páratartalom mellett bomlásuk végterméke bauxit is lehet, mivel az ilyen körülmények kedveznek a földkéreg eltávolításának. lúgok és szilícium-dioxid, különösen szienitből vagy gabbróból. A bauxitot lépcsőzetesen dolgozzák fel alumíniummá: először alumínium-oxidot (alumínium-oxidot), majd fémalumíniumot (elektrolitikusan kriolit jelenlétében) nyernek.
A bauxit fő szennyeződései a Fe 2 O 3, SiO 2, TiO 2. A bauxit kisebb szennyeződései: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, ritkaföldfém elemek, Cr, P, V, F, szerves anyagok.
A bauxitot általában osztályozzák:
- szín szerint;
- a fő ásvány szerint (gyakrabban keverednek);
- korának megfelelően.
Fő kritériumok az alumíniumérc tulajdonságai:
- Szilícium modul (Msi = Al 2 O 3 /SiO 2 (tömeg%)). Minél nagyobb a szilícium modul, annál jobb a minőség (Msi = 7);
- Vastartalom Fe 2 O 3 -ban kifejezve. Ha a Fe 2 O 3 tartalom körülbelül 18 tömeg%, akkor a bauxit magas vastartalmúnak tekinthető. Minél nagyobb a vastartalom, annál nehezebb a bauxit bányászata;
- Kéntartalom. A nagy mennyiségű kén jelenléte megnehezíti a bauxitfeldolgozást;
- Karbonáttartalom CO 3 -ban kifejezve (2-). A nagy mennyiségű karbonát jelenléte megnehezíti a bauxit feldolgozását.
A bauxitot használják:
- timföldgyártásban;
- csiszolóanyagok gyártása során;
- tűzálló anyagok gyártásában;
- folyasztószerként kandallós acél olvasztásához;
- gázok szárításához és olaj tisztításához a kéntől;
- festékként.
Ma a bauxit fő szállítói a következők:
- Ausztrália – hatalmas Fe, Au, U, Ni, Co, Cu stb. lelőhelyek is találhatók. Kifizetődőbb Ausztráliából nyersanyagot vásárolni, mint saját feldolgozni.
- Guinea – Oroszország több helyet vásárolt.
- Közép-Amerika: Guyana, Jamaica, Suriman.
- Brazília.
Európában minden betét kimerült. A bauxitot Görögországból szállítják, de ez az alapanyag gyenge minőségű.
2. ábra – Bauxitkészletek a világon
Az alábbiakban az alumíniumércek fő lelőhelyei találhatók Oroszországban.
- Az első lelőhelyet 1914-ben fedezték fel Szentpétervár közelében, Tikhvin városa közelében. Ezen a területen 6 üzem épült. A legnagyobb a Volhov Alumíniumgyár. Ma a Tikhvinskoye mező kimerült, és főleg importált nyersanyagokkal működik.
- 1931-ben fedezték fel a kiváló minőségű bauxit (SUBR) egyedülálló észak-uráli lelőhelyét. Ez volt az alapja az uráli alumíniumgyár (UAZ) építésének 1939-ben. A dél-uráli bauxitbánya (YUBR) alapján felépült a Bogoslovsky Alumíniumgyár (BAZ).
- A Severonezhskoye mező a Kola-félsziget felé vezető úton található. A tervben szerepel, de az építés időpontja nem ismert.
- A Vislovskoe lelőhely egy kaolit típusú tiszta agyaglelőhely. Nem használják alumínium-oxidhoz.
- Timan mező (Komi Köztársaság, Varkuta). A kanadaiak érdeklődnek e lelőhely iránt, ezért gyárak építését tervezik (a Komi Sual egy holding).
Timföld előállítása bauxit ércekből
Mivel az alumínium amfoter, az alumínium-oxidot háromféleképpen állítják elő:
- lúgos,
- savas;
- elektrolitikus.
A legelterjedtebb a lúgos módszer (K.I. Bayer módszer, amelyet Oroszországban a múlt század végén fejlesztettek ki, és kis mennyiségű (akár 5-6%) szilícium-dioxiddal kiváló minőségű bauxit feldolgozására alkalmazták). Azóta technikai megvalósítása jelentősen javult. A Bayer-módszerrel végzett timföldgyártás diagramja a 3. ábrán látható.
3. ábra – A timföld Bayer-módszerrel történő előállításának sémája
A módszer lényege, hogy az alumíniumoldatok gyorsan lebomlanak, ha alumínium-hidroxidot vezetnek beléjük, és a bomlásból visszamaradt oldat intenzív keverés közben 169-170 °C-on, 169-170 °C-on ismét fel tudja oldani a bauxitban lévő alumínium-oxidot. Ez a módszer a következő alapvető műveletekből áll:
1. Bauxit előállítása, amely malomban aprításából és őrléséből áll; bauxitot, maró lúgot és kis mennyiségű meszet juttatnak a malmokba, ami javítja az Al 2 O 3 felszabadulását; a kapott pépet kioldásra táplálják;
2. A bauxit kilúgozása (a közelmúltban a még használt kerek formájú autoklávblokkokat részben csőszerű autoklávokra cserélték, amelyekben a kilúgozás 230-250 °C (500-520 K) hőmérsékleten megy végbe, ami abból áll, hogy kémiai bomlása kölcsönhatás lúgok vizes oldatával; Lúggal reagálva az alumínium-oxid-hidrátok nátrium-aluminát formájában oldatba mennek:
AlOOH+NaOH→NaAlO 2 +H 2 O
Al(OH) 3 + NaOH → NaAlO 2 + 2H 2 O;
SiO 2 +2NaOH→Na 2SiO 3 +H2O;
oldatban a nátrium-aluminát és a nátrium-szilikát oldhatatlan nátrium-alumínium-szilikátot képez; a titán és a vas oxidjai átjutnak az oldhatatlan maradékba, és a maradéknak vörös színt adnak; ezt a maradékot vörösiszapnak nevezik. Az oldódás befejeztével a kapott nátrium-aluminátot lúg vizes oldatával hígítjuk, miközben a hőmérsékletet 100 °C-kal csökkentjük;
3. Az aluminát oldat elválasztása a vörösiszaptól, általában speciális sűrítőben történő mosással; Ennek eredményeként a vörösiszap leülepedik, az aluminát oldatot leengedik, majd szűrik (tisztítják). Korlátozott mennyiségben az iszapot például cement adalékanyagaként használják. A bauxit típusától függően 1 tonna előállított alumínium-oxid 0,6–1,0 tonna vörösiszap (száraz maradék);
4. Aluminát oldat bomlása. Szűrik és keverővel (bontókkal) nagy tartályokba szivattyúzzák. Az alumínium-hidroxidot Al(OH) 3 extraháljuk a túltelített oldatból 60 °C-ra (330 K) történő hűtéssel és folyamatos keveréssel. Mivel ez a folyamat lassan és egyenetlenül megy végbe, és további feldolgozása során nagy jelentősége van az alumínium-hidroxid kristályok képződésének és növekedésének, nagy mennyiségű szilárd hidroxidot - egy magot - adnak a bontókhoz:
Na 2 O · Al 2 O 3 + 4H2O → Al(OH) 3 + 2 NaOH;
5. Az alumínium-hidroxid izolálása és osztályozása; ez hidrociklonokban és vákuumszűrőkben fordul elő, ahol 50-60% Al(OH) 3 részecskéket tartalmazó csapadékot választanak le az aluminát oldatból. A hidroxid jelentős része maganyagként visszakerül a bomlási folyamatba, amely változatlan mennyiségben marad a forgalomban. A vizes mosás után a maradék kalcinálásra kerül; a szűrlet szintén visszakerül a keringésbe (párologtatókban történő besűrítés után - új bauxit kilúgozására);
6. Alumínium-hidroxid dehidratálása (kalcinálás); Ez a timföldgyártás utolsó lépése; cső alakú forgókemencékben, és a közelmúltban 1150-1300 ° C hőmérsékleten turbulens anyagmozgású kemencékben is végrehajtják; a forgókemencén áthaladó nyers alumínium-hidroxidot szárítják és dehidratálják; Melegítéskor a következő szerkezeti átalakulások következnek be egymás után:
Al(OH) 3 → AlOOH → γ-Al 2 O 3 → α-Al 2 O 3
200 °C – 950 °C – 1200 °C.
Végül a kalcinált alumínium-oxid 30-50% α-Al2O3-ot (korundot) tartalmaz, a többi γ-Al 2 O 2.
Ezzel a módszerrel a teljes előállított alumínium-oxid 85-87%-át extrahálják. A keletkező alumínium-oxid erős kémiai vegyület, olvadáspontja 2050 °C.
Alumínium előállítása elektrolízissel
A kriolit alapú olvadékban oldott alumínium-oxid elektrolitikus redukcióját 950-970 °C-on végezzük elektrolizátorban. Az elektrolizátor egy széntömbökkel bélelt fürdőből áll, melynek aljára elektromos áramot vezetnek. A katódként szolgáló tűzhelyen felszabaduló folyékony alumínium nehezebb, mint az elektrolit olvadt sója, ezért szénbázisra gyűjtik, ahonnan időszakosan kiszivattyúzzák (4. ábra). A tetején lévő elektrolitba szénanódokat merítenek, amelyek az alumínium-oxidból felszabaduló oxigén atmoszférájában égnek, és szén-monoxidot (CO) vagy szén-dioxidot (CO2) szabadítanak fel. A gyakorlatban kétféle anódot használnak:
- Önégő Zederberg anódok, amelyek brikettből állnak, a Zederberg tömegű úgynevezett „kenyér” (alacsony hamutartalmú szén 25-35% kőszénkátrány szurokkal), alumínium héjba töltve; magas hőmérséklet hatására az anód tömege eléget (szinter);
- sült, vagy "folyamatos" anódok, amelyek nagy széntömbökből készülnek (pl. 1900 × 600 × 500 mm, tömegük körülbelül 1,1 t).
4. ábra – Az elektrolizátor diagramja
Az elektrolizáló készülékekben az áramerősség 150 000 A. Sorosan kapcsolódnak a hálózathoz, azaz rendszert (sorozatot) kapunk - egy hosszú sor elektrolizáló készüléket.
A fürdő üzemi feszültsége, 4-5 V, lényegesen magasabb, mint az a feszültség, amelynél az alumínium-oxid lebomlik, mivel működés közben elkerülhetetlen a feszültségveszteség a rendszer különböző részein. A nyersanyagok és az energia egyensúlyát 1 tonna alumínium előállításánál az 5. ábra mutatja be.
5. ábra – Nyersanyag és energia egyensúlya 1 tonna alumínium előállításánál
A reakcióedényben az alumínium-oxid először alumínium-kloriddá alakul. Ezután egy szorosan szigetelt fürdőben a KCl és NaCl olvadt sókban oldott AlCl 3 elektrolízise megy végbe. A folyamat során felszabaduló klórt kiszívják és újrahasznosításra szállítják; alumínium rakódik le a katódra.
Ennek a módszernek az előnyei a folyékony kriolit-alumínium-oxid olvadék (Al 2 O 3 Na 3 AlF 6 kriolitban oldott) meglévő elektrolízisével szemben: akár 30%-os energiamegtakarítás; az alumínium-oxid alkalmazásának lehetősége, amely nem alkalmas hagyományos elektrolízisre (például magas szilíciumtartalmú Al 2 O 3); a drága kriolit helyettesítése olcsóbb sókkal; a fluorid felszabadulás veszélyének megszűnése.
Finomított alumínium beszerzése
Alumínium esetében a finomító elektrolízis a vizes sóoldatok lebontásával lehetetlen. Mivel bizonyos célokra a kriolit-alumínium-oxid olvadék elektrolízisével nyert ipari alumínium (Al 99,5 - Al 99,8) tisztítási foka nem elegendő, az ipari alumíniumból vagy fémhulladékból finomítással még tisztább alumíniumot (Al 99,99 R) nyernek. A legismertebb finomítási módszer a háromrétegű elektrolízis.
Finomítás háromrétegű elektrolízissel
Az acéllemezzel burkolt, egyenárammal működő finomítófürdő (6. ábra) egy széntűzhelyből áll, áramvezetékekkel és hőszigetelő magnezit béléssel. A kriolit-alumínium-oxid olvadék elektrolízisével ellentétben itt az anód rendszerint a finomított fémolvadék (az alsó anódréteg). Az elektrolit tiszta fluoridokból vagy bárium-klorid és alumínium- és nátrium-fluoridok keverékéből áll (középső réteg). Az elektrolitban az anódrétegből feloldódó alumínium az elektrolit (felső katódréteg) felett szabadul fel. A tiszta fém katódként szolgál. Az áramot egy grafitelektróda szolgáltatja a katódrétegnek.
6. ábra - Alumíniumfinomításhoz használt elülső kemencével ellátott elektrolizáló rajza (Fulda - Ginsberg szerint)
1 – alumínium olvadék; 2 – elektrolit; 3 – finomított nagyfrekvenciás alumínium; 4 – grafit katód; 5 – magnezit fal; 6 – első kürt; 7 – szigetelő réteg; 8 – oldalsó szigetelés; 9 – széntűzhely; 10 – anód áramvezető; 11 – alsó szigetelés; 12 – vasdoboz; 13 – borító
A fürdő 750 – 800 °C-on üzemel, áramfogyasztása 20 kWh/1 kg tiszta alumínium, vagyis valamivel magasabb, mint a hagyományos alumínium elektrolízisnél.
Az anódfém 25-35% Cu-t tartalmaz; 7-12% Zn; 6-9% Si; legfeljebb 5% vas és kis mennyiségű mangán, nikkel, ólom és ón, a többi (40-55%) alumínium. A finomítás során minden nehézfém és szilícium az anódrétegben marad. A magnézium jelenléte az elektrolitban nemkívánatos változásokhoz vezet az elektrolit összetételében vagy súlyos salakképződéshez. A magnézium eltávolítására a magnéziumot tartalmazó salakokat folyasztószerrel vagy klórgázzal kezelik.
A finomítás eredményeként tiszta alumínium (99,99%) és szegregációs termékek (Ziger termék) keletkeznek, amelyek nehézfémeket és szilíciumot tartalmaznak, és lúgos oldat és kristályos maradék formájában szabadulnak fel. A lúgos oldat hulladéktermék, a szilárd maradékot deoxidációra használják fel.
A finomított alumínium általában a következő összetételű,%: Fe 0,0005 – 0,002; Si 0,002 – 0,005; Cu 0,0005 – 0,002; Zn 0,0005 – 0,002; Mg nyomok; A többit.
A finomított alumíniumot a megadott összetételű vagy magnéziummal ötvözött félkész termékké dolgozzák fel (1. táblázat).
1. táblázat – A nagy tisztaságú alumínium és a primer alumínium kémiai összetétele a DIN 1712 szabvány 1. lapja szerint
|
Megengedett szennyeződések*, % |
||||||||
|
beleértve |
||||||||
* Amennyire lehetséges, hagyományos kutatási módszerekkel határozzuk meg.
** Az elektrotechnikai célra szánt tiszta alumíniumot (alumíniumvezetők) 99,5 primer alumínium formájában szállítjuk, amely legfeljebb 0,03% (Ti + Cr + V + Mn) tartalmaz; ebben az esetben E-A1 jelű, 3.0256 anyagszámú. Egyébként megfelel a VDE-0202 szabványnak.
Finomítás szerves alumínium komplexekkel és zóna olvasztással
Az A1 99,99 R-nél magasabb tisztaságú alumínium tiszta vagy kereskedelmileg tiszta alumínium finomításával, elektrolitként összetett szerves alumíniumvegyületek felhasználásával nyerhető. Az elektrolízis körülbelül 1000°C hőmérsékleten megy végbe a szilárd alumíniumelektródák között, és elvileg hasonló a réz finomítási elektrolíziséhez. Az elektrolit természete azt diktálja, hogy levegő nélkül és alacsony áramsűrűséggel kell dolgozni.
Ezt a finomító elektrolízist, amelyet kezdetben csak laboratóriumi méretekben alkalmaztak, már kis ipari méretekben végeznek - évente több tonna fémet állítanak elő. A kapott fém névleges tisztítási foka 99,999-99,9999%. Az ilyen tisztaságú fémek lehetséges alkalmazásai közé tartozik a kriogén elektrotechnika és elektronika.
A galvanizálásnál lehetséges a megfontolt finomítási módszer alkalmazása.
Még nagyobb tisztaság - névlegesen A1 99,99999-ig - érhető el a fém ezt követő zónaolvasztásával. A nagy tisztaságú alumínium félkész termékké, lemezekké vagy huzalokká történő feldolgozásakor a fém alacsony átkristályosodási hőmérséklete miatt különleges óvintézkedéseket kell tenni. A finomított fém egyik figyelemre méltó tulajdonsága a magas elektromos vezetőképesség a kriogén hőmérsékleti tartományban.
Az alumíniumnak számos olyan tulajdonsága van, amelyek a világ egyik leggyakrabban használt anyagává teszik. A természetben elterjedt, a fémek között az első helyet foglalja el. Úgy tűnik, hogy a gyártás során nem lehetnek nehézségek. A fém magas kémiai aktivitása azonban azt jelenti, hogy tiszta formájában nem található meg, előállítása nehézkes, energiaigényes és költséges.
Nyersanyagok a gyártáshoz
Milyen alapanyagokból nyerik az összes benne lévő ásványból, drága és veszteséges. Akár 50%-ot tartalmazó bauxitból bányászják, és jelentős tömegben közvetlenül a föld felszínén fekszik.
Ezek az alumíniumércek meglehetősen összetett kémiai összetételűek. A teljes tömeg 30-70%-a alumínium-oxidot, akár 20%-ig terjedő szilícium-dioxidot, 2-50%-ban vas-oxidot, 10%-ig terjedő titánt tartalmaznak.
Az alumínium-oxid, és ez az alumínium-oxid, hidroxidokból, korundból és kaolinitből áll.
Nemrégiben az alumínium-oxidokat a nefelinekből kezdték előállítani, amelyek nátrium-, kálium-, szilícium-oxidokat és alunitokat is tartalmaznak.
1 tonna tiszta alumínium előállításához körülbelül két tonna timföldre van szükség, amelyet viszont körülbelül 4,5 tonna bauxitból nyernek.
Bauxit lerakódások
A világ bauxitkészletei korlátozottak. A világon mindössze hét terület található gazdag lelőhelyekkel. Ezek: Guinea Afrikában, Brazília, Venezuela és Suriname Dél-Amerikában, Jamaica a Karib-térségben, Ausztrália, India, Kína, Görögország és Törökország a Földközi-tengeren és Oroszország.
Azokban az országokban, ahol gazdag bauxitlelőhelyek vannak, az alumíniumgyártás is fejleszthető. Oroszország az Urálban, az Altaj és a Krasznojarszk területeken, a Leningrádi régió egyik régiójában bauxitot, a Kola-félszigeten pedig nefelint bányász.
A leggazdagabb betétek az UC RUSAL orosz egyesült céghez tartoznak. Ezt a Rio Tinto (Anglia-Ausztrália) óriás követi, amely a kanadai Alcannal és a CVRD-vel szövetkezett. A negyedik helyen a kínai Chalco, majd az amerikai-ausztrál Alcoa cég áll, amelyek szintén nagy alumíniumgyártók.
A gyártás eredete
Oersted dán fizikus volt az első, aki 1825-ben izolálta az alumíniumot szabad formájában. A kémiai reakció kálium-amalgámmal ment végbe, amely helyett két évvel később Wöhler német kémikus káliumfémet használt.
A kálium meglehetősen drága anyag, ezért az alumínium ipari előállításához a francia Saint-Clair Deville 1854-ben kálium helyett nátriumot, egy sokkal olcsóbb elemet, valamint stabil alumínium-nátrium-kloridot használt.
N. N. Beketov orosz tudós képes volt kiszorítani az alumíniumot az olvadt kriolitból magnéziummal. Ugyanezen század nyolcvanas éveinek végén a németek alkalmazták ezt a kémiai reakciót az első alumíniumgyárban. A 18. század második felében mintegy 20 tonna tiszta fémet állítottak elő kémiai módszerekkel. Nagyon drága alumínium volt.
Az alumínium elektrolízissel történő előállítása 1886-ban kezdődött, amikor szinte azonos szabadalmi kérelmeket nyújtottak be ennek a módszernek az alapítói, Hall amerikai tudós és a francia Héroult. Javasolták az alumínium-oxid feloldását olvadt kriolitban, majd az alumínium elektrolízissel történő előállítását.
Itt kezdődött az alumíniumipar, amely több mint egy évszázados története során a kohászat egyik legnagyobb ágává vált.
A gyártástechnológia főbb szakaszai
Általánosságban elmondható, hogy az alumínium nem változott a kezdetek óta.
A folyamat három szakaszból áll. Az alumíniumércek közül az első, legyen az bauxit vagy nefelin, alumínium-oxidot - alumínium-oxidot, Al 2 O 3 -ot állít elő.
Ezután az ipari alumíniumot 99,5%-os tisztasággal választják el az oxidtól, ami bizonyos célokra nem elegendő.
Ezért az alumíniumot az utolsó szakaszban finomítják. Az alumínium gyártása a 99,99%-os tisztítással ér véget.
Alumínium-oxid gyártás
Három módja van az alumínium ércekből való kinyerésének:
Sav;
Elektrolitikus;
Lúgos.
Az utolsó módszer a legelterjedtebb, még a 18. században kifejlesztett, de azóta többszörösen finomított és jelentősen továbbfejlesztett, kiváló minőségű bauxit feldolgozására szolgál. Az alumínium-oxidok körülbelül 85%-át így nyerik.
A lúgos módszer lényege, hogy az alumíniumoldatok nagy sebességgel bomlanak le, amikor alumínium-hidroxidot vezetnek beléjük. A reakció után visszamaradó oldatot magas, körülbelül 170 °C-os hőmérsékleten bepároljuk, és ismét felhasználjuk az alumínium-oxid feloldására;
Először a bauxitot aprítják és őrlik malmokban maró lúggal és mésszel, majd autoklávokban 250 ° C-ig terjedő hőmérsékleten, kémiai bomlása következik be, és nátrium-aluminát képződik, amelyet lúgos oldattal hígítanak alacsonyabb hőmérsékleten - csak 100 ° C. Az aluminát oldatot speciális sűrítőben mossák, elválasztják az iszaptól. Aztán lebomlik. Az oldatot szűrőkön keresztül szivattyúzzák keverővel ellátott tartályokba a készítmény állandó keveréséhez, amelyhez szilárd alumínium-hidroxidot adnak az oltáshoz.
A hidrociklonokban és vákuumszűrőkben alumínium-hidroxid szabadul fel, melynek egy része maganyagként kerül vissza, egy részét kalcinálásra használják fel. A hidroxid elválasztása után visszamaradt szűrletet szintén visszavezetik a keringésbe a következő adag bauxit kilúgozására.
A hidroxid kalcinálása (dehidratálása) 1300 °C-ig terjedő hőmérsékleten megy végbe.
Két tonna alumínium-oxid előállításához 8,4 kWh villamos energiát fogyasztanak.
A 2050°C olvadáspontú erős kémiai vegyület még nem alumínium. Előre áll az alumíniumgyártás.
Alumínium-oxid elektrolízise
Az elektrolízis fő berendezése egy speciális, szénblokkokkal bélelt fürdő. Elektromos áramot vezetnek rá. A szénanódokat a fürdőbe merítik, amikor az oxidból tiszta oxigén szabadul fel, és szén-oxidot és szén-dioxidot képeznek. A fürdők vagy elektrolizátorok, ahogy a szakértők hívják őket, egy elektromos áramkörben sorba vannak kötve, és így sorozatot alkotnak. Az áramerősség 150 ezer amper.
Az anódok kétféleek lehetnek: nagyméretű széntömbökből égetettek, amelyek tömege több mint egy tonna, és önégő, alumínium héjú szénbrikettből áll, amelyet az elektrolízis során magas hőmérsékleten szintereznek.
A fürdő üzemi feszültsége általában körülbelül 5 volt. Figyelembe veszi mind az oxid bomlásához szükséges feszültséget, mind az elkerülhetetlen veszteségeket az elágazó hálózatban.
A kriolit alapú olvadékban feloldottan az elektrolitsóknál nehezebb alumínium-oxid ülepedik a fürdő szénbázisára. Időnként kiszivattyúzzák.
Az alumínium gyártási folyamata sok villamos energiát igényel. Egy tonna alumínium timföldből történő előállításához körülbelül 13,5 ezer kWh egyenáramú áramot kell fogyasztani. Ezért a nagy termelőközpontok létrehozásának másik feltétele a közelben működő erős erőmű.
Alumínium finomítás
A leghíresebb módszer a háromrétegű elektrolízis. Magnezittal bélelt szénágyakkal ellátott elektrolizáló fürdőkben is megtörténik. Az anód a folyamatban maga az olvadt fém, amelyet megtisztítanak. A vezetőképes tűzhely alsó rétegében található. A tiszta alumínium, amely az anódrétegben lévő elektrolitból feloldódik, felemelkedik és katódként szolgál. Az áramot grafitelektródával látják el.
A közbenső réteg elektrolitja alumínium-fluorid, vagy tiszta, vagy nátrium- és bárium-klorid hozzáadásával. 800°C-ra melegszik fel.
Háromrétegű finomítással 20 kWh/kg fém, azaz egy tonnához 20 ezer kWh kell. Ez az oka annak, hogy az alumíniumhoz – más fémgyártáshoz hasonlóan – nem csupán egy áramforrásra van szükség, hanem egy nagy erőműre is a közelben.
A finomított alumínium nagyon kis mennyiségben tartalmaz vasat, szilíciumot, rezet, cinket, titánt és magnéziumot.
Finomítás után az alumíniumot kereskedelmi termékekké dolgozzák fel. Ide tartoznak a bugák, huzalok, lapok és malacok.
A finomítás eredményeként kapott szegregációs termékeket részben szilárd üledék formájában dezoxidációra, részben lúgos oldat formájában eltávolítják.
Abszolút tiszta alumíniumot kapunk a fém ezt követő zónaolvasztásával inert gázban vagy vákuumban. Figyelemre méltó jellemzője a magas elektromos vezetőképesség kriogén hőmérsékleten.
Másodlagos nyersanyagok újrahasznosítása
A teljes alumíniumigény negyedét nyersanyagok újrahasznosításával elégítik ki. Az újrahasznosított termékek formázott öntvényeket készítenek.
Az előválogatott alapanyagokat küszöbkemencében olvasztják meg. Megtartja az alumíniumnál magasabb olvadáspontú fémeket, például a nikkelt és a vasat. Az olvadt alumíniumból klórral vagy nitrogénnel fújva távolítják el a különféle nemfémes zárványokat.
Az olvadékonyabb fémszennyeződéseket magnézium, cink vagy higany hozzáadásával és vákuumozással távolítják el. A magnéziumot klórral távolítják el az olvadékból.
Egy adott öntvényötvözetet olyan adalékanyagok hozzáadásával állítanak elő, amelyeket az olvadt alumínium összetétele határoz meg.
Alumíniumgyártó központok
Az alumíniumfogyasztást tekintve Kína áll az első helyen, a második helyen az Egyesült Államok, a harmadik helyen pedig Németország áll mögötte.
Kína szintén alumíniumgyártó ország, amely óriási előnnyel vezet ezen a területen.
Az első tízbe Kína mellett Oroszország, Kanada, az Egyesült Arab Emírségek, India, USA, Ausztrália, Norvégia, Brazília és Bahrein került.
Oroszországban a timföld- és alumíniumgyártás monopóliuma a United Company, amely évente 4 millió tonna alumíniumot állít elő, és hetven országba exportál termékeket, tizenhét ország öt kontinensén van jelen.
Az amerikai Alcoa cég két kohászati gyárral rendelkezik Oroszországban.
Kína legnagyobb alumíniumgyártója a Chalco. A külföldi versenytársakkal ellentétben minden eszköze hazájában összpontosul.
A norvég Norsk Hydro cég Hydro Aluminium részlege alumíniumkohókkal rendelkezik Norvégiában, Németországban, Szlovákiában, Kanadában és Ausztráliában.
Az ausztrál BHP Billiton alumíniumgyártással rendelkezik Ausztráliában, Dél-Afrikában és Dél-Amerikában.
Az Alba (Aluminium Bahrain B.S.C.) Bahreinben található – talán a legnagyobb termelés. Az ettől a gyártótól származó alumínium a világon gyártott „szárnyas” fémek teljes mennyiségének több mint 2% -át teszi ki.
Összefoglalva tehát azt mondhatjuk, hogy a fő alumíniumgyártók olyan nemzetközi cégek, amelyek bauxitkészletekkel rendelkeznek. Maga a rendkívül energiaigényes folyamat pedig alumíniumércekből timföldgyártásból, fluorid sók előállításából áll, amelyek magukban foglalják a kriolitot, a szénanód tömeget és a szénanódot, a katódot, a bélésanyagokat, valamint a tiszta fém tényleges elektrolitikus előállítását, amely az alumíniumkohászat fő alkotóeleme.
A fő alumíniumércek: bauxit, nefelin, alunit, kaolin, amelyek közül a legfontosabbak a 40-60% alumínium-oxidot tartalmazó bauxit, a többi vas-, szilícium-, kalcium-, titán- és egyéb szennyeződések oxidjai. A nefelinek, alunitok és kaolinok 20-30% alumínium-oxidot (A1 2 0 3) tartalmaznak.
Az alumínium előállítása 2 lépésben történik: alumínium-oxid (A1 2 0 3) előállítása alumíniumércekből és alumínium előállítása timföldből elektrolízissel.
Az összes alumínium-oxid körülbelül 95%-a bauxitércekből származik. A bauxit alumínium-hidroxidokból, vas-oxidokból, titánból és szilíciumból álló alumíniumérc.
Az alumínium fém előállításának technológiája 4 különálló gyártóüzemet foglal magában (2.10. ábra).
Rizs. 2.10.
Az alumínium-oxid előállításának módszere a kilúgozási reakción alapul. 230-250 °C-on az alumíniumoldat kémiai bomlása a vizes lúgoldattal való kölcsönhatás következtében megy végbe. Az alumínium-oxid-hidrátok lúggal kölcsönhatásba lépve nátrium-aluminát formájában oldatba kerülnek:
Oldatban nátrium-aluminát és nátrium-szilikát válik ki (oldhatatlan nátrium-alumínium-szilikát). A titán és a vas-oxidok átjutnak ebbe az üledékbe, és vörös színt adnak neki. Ezért az üledéket vörösiszapnak nevezik.
A kapott oldatok bomlása (bomlása) során fordított reakció megy végbe - az aluminát oldat hidrolízise alumínium-hidroxid kristályos csapadék képződésével. Következésképpen a lúg technológiai ciklusa lezárult. A kilúgozás során elköltött lúgot a bomlás során visszanyerik, és visszavezetik a folyamat elejére, hogy egy új ércet dolgozzanak fel.
Az elektrolízis végrehajtásához a timföldet meg kell olvasztani, de nagyon magas olvadáspontja van - 2030 °C, ezért az alumínium-oxidot speciális közegben oldják fel, ami lehetővé teszi az elektrolízis hőmérsékletének 950-1000 °C-ra csökkentését.
Ennek a tápközegnek a fő összetevője a kriolit - alumínium és nátrium-fluorid kettős sója (NaAlF 6). Az alumínium elektrolíziséhez további mennyiségű AlF 3 szükséges.
A kriolitot és az alumínium-fluoridot a természetes fluorpát dúsításából nyert CaF 2 flotációs koncentrátumból nyerik. Az ilyen anyagok előállításának savas módszere a következő reakciókon alapul:
A széntermékek szükségesek az elektrolit áramellátásához és az elektrolizátorok béleléséhez. Ide tartoznak: anóddal sült blokkok (elektródaelrendezés); anód tömeg (folyamatos önsütő anódok kialakulása); katódblokkok (a cella aljának béleléséhez); szénlapok (az elektrolizátorok oldalfalait bélelve).
Az elektrolízist elektrolizáló fürdőben-elektrolizátorokban végzik.
Egy olvadt alumíniumot (amely katódként szolgál) és egy kriolitból álló elektrolitot, alumínium-oxidot öntünk egy széntartalmú anyagfürdőbe. Az olvadékréteg vastagsága 250-300 mm. Az anód eszköz egy elektrolitba merített szénanódból áll. 70-75 kA egyenáramot és 4-5 V feszültséget biztosítanak az elektrolízishez és az elektrolit 1000 °C hőmérsékletre való melegítéséhez. Az elektrolitban lévő alumínium-oxid disszociál; A katódon egy alumíniumion kisüt és alumínium képződik, az anódon pedig egy oxigénion, aminek következtében az elektródák fokozatosan kiégnek és újakra cserélődnek. Az alumíniumot a fürdő alján gyűjtik össze egy elektrolitréteg alatt, ahonnan időszakonként egy vákuumüstbe pumpálják. Az elektrolízissel nyert nyers alumínium fémes és nemfémes szennyeződéseket, gázokat tartalmaz, ezért klóros fújással finomítják.
A klóros fújást vákuumüstben végezzük. Ehhez az eltávolított fedéllel ellátott merőkanál az elszívó szellőző burkolat alá kerül. Az alumíniumolvadékba egy csövet helyeznek, amelyen keresztül klórgázt vezetnek be. A felúszó klórbuborékok felfogják a szuszpendált nemfémes szennyeződéseket, fém-kloridokat és hidrogén-kloridot. A lebegő habot eltávolítjuk.
Klórral végzett kezelés után az alumíniumot (különböző elektrolizátorokból) legfeljebb 25 tonna kapacitású reverberációs kemencékbe öntik, és több órán át tartják. A művelet célja az alumínium összetételének átlagolása és a fém további tisztítása. Ezenkívül az alumíniumot 15 és 1000 kg közötti tömbök formájában állítják elő.
A nagy tisztaságú alumínium előállításához további finomítás szükséges háromrétegű módszerrel.
A háromrétegű módszer lényege, hogy az elektrolizátorban három réteg olvadék jön létre: anód - műszaki tisztaságú olvadt alumínium; katód - tisztított fém olvadék; köztük van egy réteg, amely bárium-klorid ötvözetéből áll, alumíniummal és nátrium-fluoridokkal. Az alumíniumrétegek fajsúly szerinti szétválasztása érdekében az alsó réteget úgy teszik nehezebbé, hogy a szennyezett alumíniumhoz legfeljebb 40% rezet adnak (olvadéksűrűség 3200 kg/m3).
A finomítás során több elektropozitív szennyeződés (Fe, Si, Cu) halmozódik fel az anódötvözetben, és több elektronegatív (Na, Ba, Ca) jut az elektrolitba.