Алюминий и его сплавы, техника безопасности в производстве алюминия

и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.

  ^{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}2^O3^{), а затем из него получают алюминий.}

    ^{Используемые в настоящее время методы получения глинозема можно выделить 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:} 

                             ^{Al2O3 + NaCO2  = AlNaO3 + CO2}   

^{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:} 

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

Этому предшествует тщательная очистка сырья от примесей Fe2O3, SiO2

Так как при электролизе  Al2O3 железо и кремний, обладая меньшими потенциалами разложения, будут осаждаться на катоде вместе с алюминием. Электролитическая ванна для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Дно из графитовой массы служит катодом. Аноды – алюминиевые каркасы, заполненные графитовой массой. Оксид алюминия (III) в расплаве криолита диссоциирует на ионы:  

         Al2O3 ↔ Al⁺³ + AlO3^-3      и 2 Al2O3 ↔Al⁺³ +AlO2^- 

При прохождении электрического тока на катоде выделяется алюминий, а  на аноде разряжаются анионы с  выделением атомарного кислорода, окисляющего  графитовые аноды: 

                       На катоде:  Al⁺³+ 3е → Al 

                      На аноде:  2 AlO3^-3 – 6е → Al2O3 + 3О 

^{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 Кв/т 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.}

Алюминий, обладающий большей плотностью, чем раствор  Al2O3 в криолите, собирается на две ванны; отсюда его периодически выпускают

а в раствор добавляют  новые порции оксида алюминия (III). Графитовые аноды по мере сгорания автоматически заменяются другими. 

  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: 

 

^{Есть  в принципе и другие потенциальные источники  алюминия. В годы второй мировой войны, когда многим воюющим  странам не хватало  алюминия, полученного из боксита, использовали по необходимости и другие виды сырья: Италия получила алюминий из лавы Везувия, США и Германия – из каолиновых глин, Япония – из глинистых сланцев и алунита. Но обходился этот алюминий в среднем впятеро дороже алюминия из боксита, и после войны, когда были обнаружены богатейшие его месторождения в Африке, Южной Америке, а позже и в Австралии, алюминиевая промышленность всего мира вернулась к традиционному бокситовому сырью.}

^{В нашей стране на Кировабадском алюминиевом заводе и сейчас получают глинозем из алунита.} 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

           6. Применение 

Алюминий в биологических  процессах играет, как это ни странно, весьма скромную роль. Происходит это  по той причине, из-за которой человечество так долго не могло получить алюминий: в природных соединениях он связан весьма прочно, и подавляющее большинство этих соединений в воде не растворяется.

Алюминий применяют для производства различных сплавов. Наиболее распространение имеют дуралюмины, содержащие медь и магний, и силумины – сплавы ал с кремнием. Основные преимущества этих сплавов – легкость и высокая прочность. Упомянутые сплавы широко используют в авиа-, авто -, судо- и приборостроении, в ракетной технике и в строительстве. В виде чистого металла алюминий идет на изготовление электрических проводов и различной химической аппаратуры.

Большинство алюминиевых  сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей  и химикатов и в большинстве  пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении, т.к. обладает хорошими физическими качествами.

Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия –  это, конечно, авиация. Именно в авиации  наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия.

В 1893 году в Москве вышла книга инженера Н. Жукова «Алюминий  и его металлургия», в которой  автор писал: «Алюминий призван  занять выдающееся место в технике  и заместить собой, если не все, то многие из обыденных металлов...». Прошло более ста лет и можно смело утверждать, что если алюминий и не заместил собой все, то уж свое выдающееся место в техники он точно занял.

Алюминий используют также для алитирования, т.е. насыщения поверхностей стальных и чугунных изделий алюминием с целью защиты их от коррозии. Алитирование производят путем погружения изделия в расплавленный алюминий или чаще нагреванием изделия со смесью порошкообразного алюминия и оксида алюминия (III). При этом алюминий проникает в поверхностный слой изделия, образуя с железом твердый раствор.

На практике часто  используют термит (смесь оксида Fe3O4 c порошком ал). Если эту смесь поджечь (с помощью магниевой ленты), то происходит бурная реакция с выделением большого количества теплоты: 

                         8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe 

Этот процесс используют при так называемой термитной  сварке, а также для получения  некоторых металлов в свободном  виде. 
 

  Алюминий – третий по распространенности элемент в земной коре. Он встречается только в соединениях.  

                
 

                  Алюминиевые зеркала.

А делают алюминиевые  зеркала так. На предварительно приготовленную стеклянную поверхность алюминиевую  пленку наносят катодным распылителем или чаще термическим испарением алюминия в вакууме. Высокочистотного алюминия, разумеется.

А так же алюминием  заинтересовались стоматологи. Действительно  хороший материал для коронок  и литых зубов. Он химически пассивен, не создает гальванические явлений  в полости рта, хотя, как известно, слюна – это электролит, и среда, достаточно «агрессивная»…  

Птиц в заповедниках в наши дни обычно кольцуют алюминиевыми кольцами. Если верить авторам телепередачи «В мире животных», то только с берегов  Оки, из Приокского заповедника, полмиллиона  пернатых унесли на лапках алюминиевые кольца. Вот уж действительно: крылатому металлу дали крылья. 

                   7. Алюминий и жизнь. 

Подметили любопытную закономерность: соотношение в живых организмах алюминия и кремния очень сильно изменяется по мере их продвижения по ступеням эволюции. В микроскопических водорослях – фитопланктоне – больше кремния, чем алюминия, а вот в водорослях немикроскопических – макрофитах – преобладает уже алюминий. В организмах моллюсков, стоящих не очень высоко на лестнице эволюции, содержание алюминия в 17 раз выше, чем кремния, а у более высокоразвитых рыб – уже почти в 300раз. Но и при этом алюминий не перестает быть всего-навсего «рядовым» многообразного сообщества микроэлементов. Некоторые биологи, правда, думают, что так происходило не всегда, что на самых первых стадиях зарождения жизни на нашей планете роль алюминия была довольно значительной, тем более что в экспериментах точно установлено: он относится к числу микроэлементов, предпочтительно накапливаемых, а не отторгаемых живыми организмами.