Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Алюминий А5

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:
σв— временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа ε— относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ0,05— предел упругости, МПа Jк — предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ0,2— предел текучести условный, МПаσизг— 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
σсж0,05 и σсж— 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, МПаR 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 БринеллюC— удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o — T ), [Дж/(кг·град)]
HV— твердость по Виккерсу pn и r— плотность кг/м 3
HRCэ— твердость по Роквеллу, шкала Са— коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o — T ), 1/°С
HRB— твердость по Роквеллу, шкала Вσ t Т— предел длительной прочности, МПа
HSD— твердость по ШоруG— 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:

  1. получение безводной, свободной от сопутствующих алюминию примесей, окиси алюминия путем сложной химической переработки природных соединений (бокситов, глины, каолина);
  2. 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: СаF22SO4=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.

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:

  1. получение безводной, свободной от сопутствующих алюминию примесей, окиси алюминия путем сложной химической переработки природных соединений (бокситов, глины, каолина);
  2. 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: СаF22SO4=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.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Мотоблок нева мб2 отзывы
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector