Алюминий А5

Вначале изготавливается заготовка для последующего волочения, проволочная заготовка может быть получена прокаткой, прессованием или литьем. Прокаткой получают заготовку диаметром 8—10 мм из алюминия А5-А8, сплавов В65 и Д18.

Для получения заклепочной проволоки крупных размеров и некоторых видов сварочной проволоки используют прессованную заготовку.

Литьем получают в основном заготовку для сварочной проволоки. При этом используют два метода — Проперци и Головкина.

По методу Головкина из расплава через матрицу вытягивают затравку. Уровень металла на 5—10 мм превышает горизонт, на котором установлена матрица. Поэтому шлаковые включения из верхнего слоя расплава могут попадать в заготовку, если в зоне матрицы не установлены фильтры, очищающие расплав. Кроме того, в печах промышленного типа емкостью 250— 300 кг металл находится в расплавленном состоянии длительное время (практически до 200 ч и более). Это приводит к осаждению более тугоплавких элементов (цирконий и др.) на дно ванны и постепенному накапливанию их в донных слоях расплава. В то же время магний выгорает и его количество в расплаве уменьшается. Это создает трудности в получении сплавов, содержащих магний и цирконий.

Недостаток метода Головкина — необходимость поддержания определенной температуры расплава, значительно изменяющейся для различных сплавов: для АК, АК4, АМгЗ, АМг5, АМг6 680-705° С, для АМг7 780—810° С для АК12 705—720° С.

Другой недостаток метода заключается в колебаниях диаметра получаемой заготовки, что ведет к необходимости выравнивания размеров заготовки и ее свойств путем волочения и дополнительного отжига.

Метод Проперци заключается в том, что подаваемый из нижней части распределительной коробки расплав кристаллизуется в канале литейного колеса, прикрытом натянутой металлической лентой (рис. ниже). Метод позволяет получать заготовку различных сплавов, одинаковую по размерам поперечного сечения и свободную от неметаллических включений, которая сразу же попадает в 12—17-клетевой прокатный стан и прокатывается до диаметра 8—15 мм.

Полученная по обоим методам заготовка имеет литую структуру, поэтому при волочении или прокатке этой заготовки в первых двух-трех проходах приходится давать пониженные вытяжки. Других особенностей технология производства проволоки, получаемой из литой заготовки, не имеет.

Вытяжки при волочении проволоки из алюминия и его сплавов назначаются в соответствии с изложенным в первом разделе этой главы. Средняя и максимальная величины их составляют соответственно: для алюминия А5-А8 1,45 и 1,52; для АМц 1,31 и 1,43; для АМг 1,27 и 1,38; для ДЗП и Д18 1,24 и 1,33; для АМг5 и Д16П 1,20 и 1,25. Средние вытяжки между отжигами составляют: для алюминия А5-А8 до 100; для АМц 3,6; для АМг 3,0; для ДЗП и Д18 2,8; для АМг5 и Д16П 2,2; для В65 1,9; для В92 1,2. При волочении алюминия А5-А8 применяют следующий инструмент и смазки >>>

Краткие обозначения:
σ_в	— временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа	ε	— относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ_0,05	— предел упругости, МПа	J_к	— предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ_0,2	— предел текучести условный, МПа	σ_изг	— предел прочности при изгибе, МПа
δ₅,δ₄,δ₁₀	— относительное удлинение после разрыва, %	σ_-1	— предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σ_сж0,05 и σ_сж	— предел текучести при сжатии, МПа	J_-1	— предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν	— относительный сдвиг, %	n	— количество циклов нагружения
s _в	— предел кратковременной прочности, МПа	R и ρ	— удельное электросопротивление, Ом·м
ψ	— относительное сужение, %	E	— модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV	— ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2	T	— температура, при которой получены свойства, Град
s _T	— предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа	l и λ	— коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB	— твердость по Бринеллю	C	— удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o — T ), [Дж/(кг·град)]
HV	— твердость по Виккерсу	p_n и r	— плотность кг/м 3
HRC_э	— твердость по Роквеллу, шкала С	а	— коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o — T ), 1/°С
HRB	— твердость по Роквеллу, шкала В	σ t _Т	— предел длительной прочности, МПа
HSD	— твердость по Шору	G	— модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Технологии наплавки

Наплавка — это процесс нанесения расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления. Наплавленный металл образует одно целое с основным металлом, связан весьма прочно и надежно. Путем наплавки можно получать непосредственно на рабочей поверхности изделия сплав, обладающий желательным комплексом свойств, — износостойкий, кислотоупорный, жаростойкий и т. п. Вес наплавленного металла не превышает нескольких процентов от веса изделия. При ремонте обычно восстанавливаются первоначальные размеры и свойства поверхности деталей.

Наплавка позволяет создавать биметаллические изделия, у которых высокая прочность и низкая стоимость сочетаются с большой долговечностью в условиях эксплуатации.

Классификация цветных металлов и сплавов

Цветные металлы обладают разнообразными свойствами. Главными характеристиками конструкционных цветных металлов являются плотность, температура плавления и кипения, химическая активность при высокой температуре и особенно в расплавленном состоянии. По этим причинам данные металлы можно разделить на следующие основные группы.

1. Легкие металлы — алюминий, магний, бериллий. Плотность металлов минимальна и не превышает 2,7 г/смБ 3 . Наиболее легкий металл этой группы — магний.

2. Тяжелые металлы — медь, никель, свинец, цинк, золото, серебро, палладий, платина. Плотность металлов не менее 7 г/см 3 . Металл с максимальной плотностью — платина. Последние четыре металла образуют подгруппу благородных металлов.

3. Химически активные и тугоплавкие металлы — ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий, тантал, титан, хром, цирконий. Эти металлы объединяет чрезвычайно большая реакция способность соединения с другими элементами (в первую очередь с газами атмосферы) при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии.

Легкие цветные металлы

Алюминий

Алюминий хороший проводник тепла и электричества. Электропроводность алюминия составляет 60 — 65 % электропроводности меди.

Алюминий — химически активный металл. Его поверхность легко покрывается окисной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.

Алюминий и его сплавы благодаря защитному действию окисной пленки обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Устойчивость алюминия сохраняется и в тех средах, которые не разрушают эту пленку (сероводород, аммиак, пресная и морская вода, концентрированная азотная кислота, серная кислота). Многие сплавы на основе алюминия обладают достаточно высокой прочностью, сочетающейся с малой плотностью и удовлетворительной пластичностью, что делает их весьма ценными конструкционными материалами.

Алюминиевые сплавы используют в сварных конструкциях различного назначения. Их разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью, изменяющейся с температурой.

Окисная пленка на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050 0 С), окисная пленка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл прочной оболочкой, затрудняющей образованию общей ванны. Вследствие адсорбционной способности к газам и парам воды окисная пленка является источникам газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода. Частицы окисной пленки, попавшие в ванну, а также часть пленок с поверхности основного металла, не разрушенных в процессе сварки, могут образовывать окисные включения в швах, снижающие свойства соединений и их работоспособность.

Для осуществления сварки должны быть приняты меры по разрушению и удалению пленки и защите металла от повторного окисления. С этой целью используют специальные сварочные флюсы или сварку осуществляют в защитных газах.

При подготовке деталей из алюминиевых сплавов под сварку профилируют свариваемые кромки, удаляют поверхностные загрязнения и окислы. Обезжиривание и удаление поверхностных загрязнений осуществляют с помощью органических растворителей (уайта-спирит, технического ацетона, растворителей РС-1и РС-2) или обработкой в специальных ваннах щелочного состава.

Магний

Невысокая пластичность магния обуславливает плохую свариваемость и технологичность при обработке. Магний хорошо обрабатывается резанием, однако механические и литейные свойства его низкие, что затрудняет применение магния в качестве конструкционного материала. В атмосферных условиях при нормальной температуре он имеет удовлетворительную коррозионную стойкость, так как на его поверхности образуется защитная окисная пленка из MgО. Но в присутствии влаги магний быстро корродирует, образуя гидроокись. Со многими металлами магний образует сплавы, которые обладают более высокими по сравнению с чистым магнием механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Это значительно расширяет область применения магния, в том числе в качестве свариваемого конструкционного материала.

Магний является одним из металлов с высоким сродством к кислороду. Поэтому сплавы на основе магния в условиях сварки активно окисляются кислородом окружающей среды. В связи с высокой температурой плавления окисная пленка на поверхности кромок свариваемых деталей затрудняет образование общей сварочной ванны и должна быть разрушена или удалена в процессе сварки. Кроме кислорода, в атмосфере, окружающей ванну, могут присутствовать СО, СО₂, пары воды, азот и водород. Магний взаимодействует с этими газами, образуя карбиды, нитриды и окислы.

Подготовка под сварку деталей заключается в удалении поверхностных загрязнений, окисных и защитных пленок, а также профилировании свариваемых кромок.

Тяжелые цветные металлы

Механические свойства меди в значительной степени зависят чистоты металла и степени предшествующей пластической деформации. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью, хорошо сваривается. С понижением температуры прочностные свойства меди уменьшаются, а пластичность сохраняется достаточно высокой вплоть до температуры жидкого азота. С повышением температуры прочность меди уменьшается.

Ценнейшие технические свойства меди и ее сплавов (большая электропроводность и теплопроводность, высокая коррозионная стойкость, отличная пластичность и способность подвергаться пластической деформации в холодном и нагретом состоянии, склонность к образованию многих сплавов с широким диапазоном различных свойств и др.) способствуют применению их в различных отраслях народного хозяйства.

Инертная при обычных температурах медь при нагреве реагирует с кислородом, серой, фосфором и галогенами. С водородом она образует неустойчивый гидрид СuН, с углеродом образует ацетиленистую медь Сu2С2 (взрывчатую); с азотом медь не реагирует, что позволяет азот использовать как защитный газ для сварки чистой меди. Газы, образующиеся в результате реакций, не растворяются в твердой меди и нарушают металлическую связь между зернами, приводя к образованию трещин — «водородная болезнь» меди.

Наплавку меди на сталь можно производить, используя различные способы сварки. Хорошие результаты можно получить при наплавке под флюсом плавящимся электродом, подающимся автоматической головкой, совершающей колебания в плоскости, перпендикулярной к поступающему движению.

Медные сплавы — латуни и бронзы — наплавляют на сталь и чугун, чтобы наиболее экономично использовать высокую стойкость против коррозии, низкий коэффициент трения и другие ценные свойства, присущие этим сплавам. Кремнемарганцевая бронза БрКМц3-1отличается мелкозернистой структурой и высокой вязкостью. Алюминиевые бронзы обладают антифрикционными свойствами, главная составляющая структуры — твердый раствор (α — фаза). Алюминиево — железные бронзы очень хорошо работают в узлах трения, их наплавляют на заготовки для изготовления червячных колес, сухарей и других деталей.

Никель

Никелевые сплавы — очень важная группа наплавочных сплавов. Эти сплавы сочетают жаростойкость, сопротивление износу, стойкость против коррозии с ценными технологическими свойствами. Они успешно используются для уплотнительных поверхностей арматуры пара высоких параметров, а также для различных направляющих, пресс- форм для стекла и проч.

Сплав ХН60ВУ служит для наплавки выхлопных клапанов тяжелых грузов автомобилей, работающих при температуре до 800 0 С.

Медно- никелевый сплав ДН70ГТЖ (монель) устойчив в таких агрессивных средах, как кипящая 10%-ная серная кислота Н₂SO₄ и кипящий раствор NH₄Cl.

На свойства металла сварных швов влияет содержание в нем серы и свинца. Сера обладает большим химическим сродство к никелю. Низкоплавкая эвтектика (сульфид никеля), располагаясь вдоль границ зерен металла, охрупчивает его. Сульфид никеля может образовываться, если с никелем соприкасаются материалы, которые содержат даже небольшое количество серы, например горючие материалы, масло и др.

Повышенные требования при сварке никеля и его сплавов предъявляются к чистоте поверхности металла.

Для предупреждения образования в швах пор необходимо предупреждать контакт расплавленного металла с атмосферным воздухом. Никель и никелевые сплавы в расплавленном состоянии могут растворять большое количество газов (азота, водорода, кислорода), которые, выделяясь при кристаллизации и охлаждении металла шва, могут приводить к образованию в них пор.

Химически активные и тугоплавкие металлы

Титан

Плотность титана почти в 2 раза ниже, чем у железа, поэтому его можно также отнести к числу легких металлов. Титан обладает весьма высокими температурами плавления и кипения. Коэффициент теплопроводности титана примерно в 4 раза меньше, чем у железа, и в 13 раз, чем у алюминия. Удельное электросопротивление титана превосходит такой же показатель для железа в 6 раз, а для алюминия — более чем в 20 раз. При очень низкой температуре (около 0,5 К) титан становится сверхпроводимым.

Титан — химически активный металл при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии.

При комнатной температуре титан весьма устойчив против окисления. Взаимодействие металла с кислородом и азотом начинается при повышенной температуре. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе, в морской воде и во многих агрессивных средах. Это объясняется образованием на поверхности металла плотной защитной окисной пленки. Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах он корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.

Одним из недостатков титана является небольшое значение модуля упругости.

Основная проблема свариваемости титановых сплавов — получение сварных соединений с хорошей пластичностью, зависящей от качества защиты и чувствительности металла к термическому циклу сварки. Заметное насыщение металла шва кислородом, азотом и водородом в процессе сварки происходит при температурах ≥ 350 0 С. Это резко снижает пластичность и длительную прочность сварных конструкций. Поэтому зона сварки должна быть тщательно защищена от взаимодействия с воздухом путем сварки в среде инертных газов высокой чистоты, под специальными флюсами, в вакууме.

Сварку деталей из титановых сплавов производят после того, как снимут газонасыщенный (альфированный) слой. Удаление альфированного слоя с применением травителей предусматривает:

а) предварительное рыхление альфированного слоя дробеструйной или пескоструйной обработкой;

б) травление в растворе, содержащем 40% НF, 40% HNO₃, 20% H₂O;

в) последующую зачистку кромок на участке шириной 10 — 15 мм с каждой стороны металлическими щетками для удаления тонкого слоя металла, насыщенного водородом при травлении.

Алюминий, его свойства, способы получения и рафинирование

Алюминий впервые выделен в свободном виде в 1825 г. датским физиком Эрстедом. В настоящее время в промышленных масштабах алюминий получают электролитическим путем. Способ получения металлического алюминия электролизом глинозема, растворенного в криолите, запатентовали в 1886 г. независимо друг от друга Поль Эру во Франции и Чарльз Хол в США.

Производство алюминия развивалось с тех пор чрезвычайно быстрыми темпами, благодаря тому значению, которое приобрел алюминий в промышленности. До 1917 г. наша страна не имела собственного алюминиевого завода, хотя русские ученые внесли большой вклад в металлургию алюминия. В 1929 г. на ленинградском заводе «Красный выборжец» был получен алюминий на Волховской энергии и на отечественном сырье. В 1932 г. пущен в строй Волховский алюминиевый завод, а в 1933 г. — Днепровский алюминиевый завод. В дальнейшем были построены алюминиевые заводы в различных районах нашей страны.

Создание мощной энергетической базы позволило нашей стране быстро выйти на одно из первых мест по производству алюминия.

Свойства алюминия

В чистом виде алюминий — металл серебристого белого цвета. Одно из важных свойств алюминия — его малая плотность: в твердом состоянии (при 20° С) она равна 2,7 г/см 3 , а в жидком виде (при 900° С) — 2,32 г/см 3 . Температура плавления высокочистого алюминия (99,996%) равна 660,24° С, температура кипения — 2500° С. Важными свойствами алюминия, определяющими его применение во многих областях промышленности, являются его хорошая электропроводность и теплопроводность.

Алюминий хорошо обрабатывается механически, обладает хорошей ковкостью, легко прокатывается в тончайший лист и проволоку. В химических реакциях алюминий амфотерен. Он растворяется в щелочах, соляной и серной кислотах, но стоек по отношению к концентрированной азотной и органическим кислотам. На внешней М-оболочке алюминия три валентных электрона, причем два — на 3s- орбите и один на 3p-орбите. Поэтому обычно в химических соединениях алюминий трехвалентен. Однако в ряде случаев алюминий может терять один p-электрон и проявлять себя одновалентным, образуя соединения низшей валентности.

Производство алюминия в настоящее время включает в себя две основные операции:

получение безводной, свободной от сопутствующих алюминию примесей, окиси алюминия путем сложной химической переработки природных соединений (бокситов, глины, каолина);
получение металлического алюминия методом электролиза глинозема, растворенного в криолите.

Алюминий обладает многими ценными свойствами: небольшой плотностью— около 2,7 г/см 3 , высокой теплопроводностью — около 300 Вт/(м • К) и высокой электропроводностью 13,8 • 10 7 Ом/м, хорошей пластичностью и достаточной механической прочностью.

Алюминий образует сплавы со многими элементами. В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке.

Сродство алюминия к кислороду очень большое. При его окислении выделяется большое количество тепла (

1670000 Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Алюминий соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной

0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому алюминий стоек против коррозии. Поверхность алюминия хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии.

Сплавы алюминия

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины.

В состав дюралюминия, кроме алюминия, входят 3,4—4 % Cu, 0,5 % Mn и 0,5 % Mg, допускается не более 0,8 % Fe и 0,8 % Si. Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали (плотность дюралюминия 2,85 г/см 3 ).

Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработки и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147—216 МПа до 353— 412 МПа, а твердость по Бринелю с 490—588 до 880—980 МПа. При этом относительное удлинение сплава почти не изменяется и остается достаточно высоким (18—24 %).

Силумины — литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.

Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энергетике и электронике. Многие части искусственных спутников нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов.

Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.). По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место после железа.

Сырые материалы для производства алюминия

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая — это получение глинозема (Al₂O₃) из рудного сырья и вторая — получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Руды алюминия

Вследствие высокой химической активности алюминий встречается в природе только в связанном виде: корунд Al₂O₃, гиббсит Al₂O₃ • ЗН₂O, бемит Al₂O₃ • Н₂O, кианит 3Al₂O₃ • 2SiO₂, нефелин (Na, К)₂O • Al₂O₃ • 2SiO₂, каолинит Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О и другие. Основными используемыми в настоящее время алюминиевыми рудами являются бокситы, а также нефелины и алуниты.

Бокситы

Алюминий в бокситах находится главным образом в виде гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита и др.), корунда и каолинита. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35—60 %, кремнезема 2—20 %, оксида Fe₂O₃ 2—40 %, окиси титана 0,01—10 %. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al₂O₃ к SiO₂ по массе — так называемый кремневый модуль.

Кремневый модуль бокситов, поступающих для получения глинозема, должен быть не ниже 2,6. Для бокситов среднего качества этот модуль составляет 5—7 при 46—48 %-ном содержании Al₂O₃, а модуль высококачественных — около 10 при 50 %-ном содержании Al₂O₃. Бокситы с более высоким содержанием Al₂O₃ (52 %) и модулем (10—12) идут для производства электрокорунда.

К числу крупных месторождений бокситов в нашей стране относится Тихвинское (Ленинградская область), Североуральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябинская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область).

Нефелины

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита — нефелин и апатит ЗСа₃(РO₄)₂ • СаF₂. Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового и апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приготовления фосфорных удобрений, а нефелиновый — для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20—30 Al₂O₃, 42—44 SiO₂, 13-14 Na₂O, 6-7 К₂O, 3-4 Fe₂O₃ и 2-3 СаО.

Алуниты

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) К₂SO₄ • Al₂(SO₄)₃ • 4Al(ОН)₃. Содержание Al₂O₃ в них невысокое (20—22 %), но в них находятся другие ценные составляющие: серный ангидрид SO₃ (

20 %) и щелочь Na₂O • К₂O (4—5 %). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы

При производстве глинозема применяют щелочь NaОН, иногда известняк СаСО₃, при электролизе глинозема криолит Na₃AlF₆ (3NaF•AlF₃) и немного фтористого алюминия AlF₃, а также СаF₂ и MgF₂.

Производство криолита

Криолит в естественном виде в природе встречается очень редко и его производят искусственно из концентрата плавикового шпата (СаF₂). Процесс осуществляют в две стадии, первая — это получение плавиковой кислоты HF. Тонкоизмельченный СаF₂ смешивают с серной кислотой в трубчатых вращающихся печах при 200 °С. В печи протекает реакция: СаF₂+Н₂SO₄=2НF+СаSO₄. Поскольку в плавиковом шпате содержится в качестве примеси SiO₂, образуется также немного летучей кремнефтористой кислоты Н₂SiF₆. Газообразные НF и Н₂SiF₆ после их очистки от примесей поглощаются в вертикальных башнях водой, в результате получают раствор плавиковой кислоты с кремнефтористой. Его очищают от Н₂SiF₆, добавляя немного соды: Н₂SiF₆+Na₂CO₃=Na₂SiF+Н₂O+СO₂. Кремнефтористый натрий выпадает в осадок и получается очищенная плавиковая кислота. Вторая стадия — получение криолита. В раствор плавиковой кислоты добавляют Аl(ОН)₃ и соду и проводят так называемый процесс варки криолита, в течение которого протекают следующие реакции:

Криолит выпадает в осадок, его отфильтровывают и просушивают при температуре 130—150 °С.

Фтористый алюминий получают схожим способом, добавляя к плавиковой кислоте до полной ее нейтрализации гидроксид алюминия: 3HF + Al(OH)₃ = AlF₃ + 3H₂O.

Рафинирование алюминия

Алюминий, извлекаемый из электролизных ванн, называют алюминием-сырцом. Он содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические примеси, а также газы (водород, кислород, азот, оксиды углерода, сернистый газ). Неметаллические примеси — это механически увлеченные частицы глинозема, электролит, частицы футеровки и др.

Для очистки от механически захваченных примесей, растворенных газов, а также от Na, Са и Мg алюминий подвергают хлорированию. Для этого в вакуум-ковш вводят трубку, через которую в течение 10—15 мин подают газообразный хлор, причем для увеличения поверхности соприкосновения газа с металлом на конце трубки крепят пористые керамические пробки, обеспечивающие дробление струи газа на мелкие пузырьки. Хлор энергично реагирует с алюминием, образуя хлористый алюминий AlCl₃. Пары хлористого алюминия поднимаются через слой металла и вместе с ними всплывают взвешенные неметаллические примеси, часть газов и образующиеся хлориды Na, Са, Мg и Н₂.

Далее алюминий заливают в электрические печи-миксеры или в отражательные печи, где в течение 30—45 мин происходит его остаивание. Цель этой операции — дополнительное очищение от неметаллических и газовых включений и усреднение состава путем смешения алюминия из разных ванн. Затем алюминий разливают либо в чушки на конвейерных разливочных машинах, либо на установках непрерывного литья в слитки для прокатки или волочения. Таким образом получают алюминий чистотой не менее 99,8 % Аl.

Алюминий более высокой степени чистоты в промышленном масштабе получают путем последующего электролитического рафинирования жидкого алюминия по так называемому трехслойному методу. Электролизная ванна имеет стенки из магнезита, угольную подину (анод) и подвешенные сверху графитированные катоды. На подину через боковое отверстие порциями заливают исходный алюминий, поддерживая здесь анодный слой определенной толщины; выше него располагается слой электролита из фтористых и хлористых солей, а над электролитом — слой очищенного алюминия, который легче электролита; в этот слой погружены концы катодов.

Для того, чтобы рафинируемый алюминий находился внизу, его утяжеляют, формируя в анодном слое сплав алюминия с медью (в слое растворяют 30—40 % Сu). В процессе электролиза ионы Al 3+ перемещаются из анодного слоя через слой электролита в катодный слой и здесь разряжаются. Накапливающийся на поверхности ванны чистый катодный металл вычерпывают и разливают в слитки. Этим способом получают алюминий чистотой 99,95—99,99%. Расход электроэнергии равен

18000 кВт • ч на 1 т алюминия. Более чистый алюминий получают методом зонной плавки или дистилляцией через субгалогениды.