Содержание статьи

АЛЮМИНИЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. В 1854 А.Девиль изобрел первый практический способ промышленного производства алюминия. Рост производства был особенно быстрым во время и после Второй мировой войны. Производство первичного алюминия (без учета производства Советского Союза) составляло только 620 тыс. т в 1939, но возросло до1,9 млн. т в 1943. К 1956 во всем мире производилось 3,4 млн. т первичного алюминия; в 1965 мировое производство алюминия составило 5,4 млн. т, в 1980 – 16,1 млн. т, в 1990 – 18 млн. т.

Производство алюминия включает три основные стадии: добыча и обогащение руды; получение из руды чистой окиси алюминия (глинозема); восстановление алюминия из окиси путем электролиза.

Добыча и обогащение руды.

Основная алюминиевая руда – бокситы – добывается главным образом в карьерах; крупнейшими производителями бокситов являются Австралия, Гвинея, Ямайка и Бразилия. Обычно слой руды взрывается для образования рабочей площадки на глубине до 20 м, а потом выбирается. Куски руды дробятся и сортируются с помощью грохотов и классификаторов. Дробленая руда далее обогащается, а пустая порода (хвосты) выбрасывается. На этой стадии процесса экономически выгодно использовать методы промывки и грохочения, использующие разность плотностей руды и пустой породы для отделения их друг от друга. Менее плотная пустая порода уносится промывочной водой, а концентрат оседает на дно обогатительной установки.

Процесс Байера.

Процесс получения чистой окиси алюминия включает нагревание боксита с едким натром, фильтрование, осаждение гидроокиси алюминия и ее прокаливание для выделения чистого глинозема. На практике руда смешивается с нужным количеством горячего едкого натра в автоклаве из низкоуглеродистой стали, и смесь прокачивается через ряд стальных сосудов с паровой рубашкой. В сосудах поддерживается давление пара 1,4–3,5 МПа в течение времени от 40 мин до нескольких часов, пока не завершится переход окиси алюминия из боксита в раствор алюмината натрия в перегретой жидкости. После охлаждения твердый осадок отделяется от жидкости. Жидкость фильтруется; в результате получается пересыщенный чистый раствор алюмината. Этот раствор метастабилен: алюминат-ион разлагается с образованием гидроокиси алюминия. Добавление в раствор кристаллической гидроокиси алюминия, остающейся от предыдущего цикла, ускоряет разложение. Сухие кристаллы гидроокиси алюминия затем прокаливаются для отделения воды. Получающийся безводный глинозем пригоден для использования в процессе Холла – Эру. По экономическим соображениям в промышленности эти процессы стремятся делать по возможности непрерывными.

Электролиз Холла – Эру.

Заключительная стадия производства алюминия включает его электролитическое восстановление из чистой окиси алюминия, полученной в процессе Байера. Этот способ извлечения алюминия основывается на том (открытом Холлом и Эру) факте, что когда глинозем растворяется в расплавленном криолите, при электролизе раствора выделяется алюминий. Типичный электролизер Холла – Эру представляет собой ванну с расплавленным криолитом 3NaF Ч AlF 3 (Na 3 AlF 6) – двойным фторидом натрия и алюминия, в котором растворено 3–5% глинозема, – плавающим на подушке из расплавленного алюминия. Стальные шины, проходящие через подину из углеродистых плит, используются для подачи напряжения на катод, а подвешенные угольные бруски, погруженные в расплавленный криолит, служат анодами. Рабочая температура процесса близка к 950° С, что значительно выше температуры плавления алюминия. Температура в электролизной ванне регулируется изменением зазора между анодами и катодным металлоприемником, на который осаждается расплавленный алюминий. Для поддержания оптимальной температуры и концентрации глинозема в современных электролизерах применяются сложные системы управления. На производство алюминия расходуется очень много электроэнергии, поэтому энергетический КПД процесса – главная проблема в алюминиевой промышленности. Электродные реакции представляют собой восстановление алюминия из его окиси и окисление углерода до его окиси и двуокиси на анодах. Одна печь дает до 2,2 т алюминия в сутки. Металл сливается раз в сутки (или реже), потом флюсуется и дегазируется в отражательной копильной печи и разливается по формам.

Возобновляемые электроды Содерберга.

В электролизере Холла – Эру угольные аноды расходуются со скоростью 2,5 см/сут, так что часто требуется установка новых анодов. Чтобы исключить частое вмешательство человека в производство, был разработан процесс с использованием возобновляемого электрода Содерберга. Анод Содерберга непрерывно образуется и спекается в восстановительной камере из пасты – смеси 70% молотого кокса и 30% смоляной связки. Эта смесь набивается в прямоугольную оболочку из листовой стали, открытую с обоих концов и расположенную вертикально над ванной с расплавом внутри печи. По мере расходования анода в верхнее отверстие оболочки добавляется паста. Когда коксосмоляная смесь опускается вниз и нагревается, она спекается в твердый углеродистый брусок прежде, чем достигает рабочей зоны.

Потребление алюминия.

Около 28% производимого алюминия идет на изготовление банок для напитков, пищевой тары и всевозможных упаковок. Еще 17% используется в транспортных средствах, включая самолеты, военную технику, железнодорожные пассажирские вагоны и автомобили. Около 16% применяется в конструкциях зданий. Примерно 8% используется в высоковольтных линиях электропередачи и других электрических устройствах, 7% – в таких потребительских товарах, как холодильники, кондиционеры воздуха, стиральные машины и мебель. На нужды машиностроения и промышленное оборудование расходуется 6%. Остающаяся часть потребляемого алюминия используется в производстве телевизионных антенн, пигментов и красок, космических кораблей и судов.

Алюминий - один из наиболее молодых промышленных металлов. Малый удельный вес, стойкость против окисления, способность образовывать сплавы со многими другими металлами, легкая обрабатываемость, высокая механическая прочность и антикоррозионная стойкость сделали алюминий одним из наиболее прогрессивных металлов. К середине XX в. алюминий по производству и использованию занял второе место (после железа).
Рост производства алюминия опережает рост производства железа, меди, свинца, цинка и даже рост населения земли, общей промышленной продукции и прирост электрической мощности.
За двадцать лет (с 1937 по 1957 гг.) в капиталистических странах выпуск алюминия увеличился с 444 тыс. т до 2730 тыс. т, или более чем в 6 раз, в то время как производство стали за это время повысилось менее чем в два раза, мели на 37%, свинца на 10% и цинка на 68%. Динамика производства алюминия в капиталистических странах характеризуется следующими показателями количественного роста тыс. T металла:

Основные производители алюминия в капиталистическом мире - США, Канада, Франция, Западная Германия, Норвегия, Япония, Италия. Ниже приведены данные о производстве алюминия в капиталистических странах, тыс. т:

Рост производства алюминия в капиталистических странах, и в первую очередь в США, Канаде и Франции, стал возможным после того, как была осуществлена большая программа строительства крупных глиноземных и алюминиевых заводов, созданы источники дешевой электроэнергии, а алюминий нашел применение во многих отраслях хозяйства.
Производство алюминия обычно создается вблизи источников дешевой электроэнергии, удельный вес которой составляет около 15% всей стоимости алюминия. Экономия средств на электроэнергию обычно превышает в несколько раз транспортные расходы на доставку богатого алюминием сырья на заводы даже из весьма удаленных пунктов его добычи. Развитие алюминиевой промышленности шло по пути создания очень крупных глиноземных и алюминиевых заводов при значительной концентрации производства, особенно в США и Канаде.
При общей мощности алюминиевых заводов капиталистических стран на 1 января 1958 г. 3300 тыс. т мощность заводов США достигает 1670 тыс. т, в том числе компании «Алкоа» (Алюминиум Компани оф Америка)-719,0, «Рейколдэ Металз Компани» - 443,3, «Кайзер Алюминиум энд Кемикл Корп.» - 451,8 и «Анаконда Алюминиум Компани» - 54,4 тыс. г, а мощность заводов Канады - более 740 тыс. т, в том числе компании «Алюминиум компани оф Канада» - 703,9 тыс. т. в год.
Имеются сообщения о программе дальнейшего строительства и расширения заводов. К 1961 г. в США намечается ввести в эксплуатацию около 700 тыс. T новых мощностей по производству алюминия; в Канаде - 120 тыс. т.
В Европе алюминиевая промышленность получила развитие во Франции, Норвегии, Италии и ФРГ. В этих странах также намечено строительство новых алюминиевых заводов.
Алюминиевые заводы США и Канады по мощности можно распределить следующим образом:

Мощность европейских заводов ниже: из 36 алюминиевых заводов в капиталистических странах только 6 имеют мощность от 30 до 60 тыс. т.
США, производство алюминия в которых составляет более 54% общего производства алюминия в капиталистических странах, добывают лишь 3% бокситов из общей добычи их. Основные месторождения бокситов находятся на островах Караибского моря, в Южной Америке, Африке и Австралии. Всего в странах капиталистического мира добывается 15-17 млн. T бокситов в год. Главные источники бокситов - Голландская Гвиана (3,5 млн. т) и Ямайка (3,1 млн. т). В Европе первое место по добыче занимает Франция (1,5 млн. т.), расширяется добыча высококачественных бокситов в Греции.
Лом и скрап - важные источники сырья для производства вторичного алюминия. Доля вторичного алюминиевого сырья составляет в общем потреблении алюминия в США 22-25%. в Англии 30-32%, в ФРГ - более 30% и во Франции 24-26%.
В США при производстве в 1956 г. 1523 тыс. т первичного алюминия выпуск вторичного составил 320 тыс. т. В ФРГ в 1957 г. при производстве первичного алюминия 154 тыс. т вторичного алюминия было выплавлено 88 тыс. т.
Общее количество потребляемых в капиталистических странах вторичных алюминиевых материалов превысило полмиллиона тонн.
Разнообразие свойств алюминия и сплавов из него обусловили широкое его применение в различных областях промышленного производства и строительства, а также в быту. Алюминий используется при изготовлении более 500 тысяч различных изделий современной промышленности.
Потребление алюминия ведущими капиталистическими странами особенно возросло в годы второй мировой войны и в послевоенные годы. Если до второй мировой войны потребление алюминия увеличивалось вдвое через каждые 10 лет, то за последние годы оно увеличивается вдвое через каждые пять лет.
К 1957 г. потребление алюминия в капиталистических странах превысило 2600 тыс. T и достигло в США 1610 тыс. т, в Англии 216 тыс. т, во Франции 152 тыс. т, в Японии 71 тыс. г и в ФРГ 206 тыс. т
Развитие производства алюминия непосредственно связано с развитием авиации, так как алюминий является главным материалом в самолетостроении. Производственные мощности алюминиевых заводов и создание стратегических запасов алюминия определяют во многом военную мощь страны. В последние годы США выделяют субсидии на строительство новых заводов и одновременно производят большие закупки алюминия для стратегических запасов. Только за период 1953-1955 гг. стратегические запасы алюминия в США достигли примерно 450 тыс. т.
Алюминий и алюминиевые сплавы находят широкое применение в авиации потому, что удельный вес алюминия (2,65-3) в 2,5-3 раза меньше удельного веса стали и медных сплавов. Кроме того, прочность алюминия и его сплавов достаточно высокая.
Алюминий необходим также и для танкостроения, артиллерии, производства средств связи, взрывчатых веществ, осветительных и зажигательных снарядов. Применение алюминия для деталей военных судов снижает их водоизмещение при сохранении боевых качеств. Большое значение приобретает алюминий и в снаряжении армии.
Электротехническая промышленность - следующая за военной отрасль промышленности по расходу алюминия. Алюминий по электропроводности значительно превосходит другие металлы, уступая лишь серебру и меди. При поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, вес алюминиевых проводов вдвое меньше медных. Провода и кабели из алюминия распространены в Европе в большей степени, чем в США. Применяют высокопрочные сплавы алюминия с магнием, кремнием и кадмием. Содержание этих элементов таково, что заметно не снижается электропроводность сплавов. Наиболее известны сплавы: альдрей (ФРГ), альмелек (Франция) и сильмалек (Англия).
Электропромышленность России непрерывно увеличивает спрос на алюминий. Только в производстве кабельной продукции удельный расход от общего потребления алюминия возрос с 1950 по 1958 гг. в два с половиной раза. Ленинская программа сплошной электрификации страны может быть осуществлена только при широком внедрении в электротехнику алюминия. Больших успехов добились в этом и другие социалистические страны (особенно Чехия и Германия).
Механические и физические свойства алюминия и его сплавов, особенно легкость и большая теплопроводность, предопределили их широкое применение в машиностроении и моторостроении. Способность алюминия образовывать различные сплавы с другими металлами дает возможность подобрать необходимый материал для различных условий его применения.
Алюминий и особенно его сплавы при литье дают хорошую поверхность. высокую точность размеров и минимальный вес. Производственный процесс изготовления деталей разрешает конструкторам проектировать наивыгоднейшую и даже очень сложную форму деталей при высокой прочности и минимальном расходе металла. Легирование алюминия магнием порядка 0,7%, кремнием и медью повышает его прочность. Для отливки корпусов моторов, коробок скоростей, поршней и других деталей автомобилей алюминий применяется в виде сплава, называемого силумином.
В автомобильной промышленности применение алюминия постоянно расширяется. В США на изготовление одной автомашины Кадилак Эльдорадо расходуется до 86,9 кг алюминия. Более высокий расход его в автостроении европейских стран: от 30 до 130 кг на одну машину. Технические и экономические обоснования показывают рациональность повышения расхода до 195 кг. Ha одну машину. Компания «Дженерал Моторе» заявила о выпуске трех экспериментальных двигателей, выполненных целиком из алюминия и его сплавов.
Применение алюминиевых сплавов при изготовлении железнодорожных вагонов и локомотивов позволяет уменьшить вес вагона на 50% и вес тепловоза на 4-5 т.
В химическом машиностроении используется высокая антикоррозионная стойкость алюминия. Из алюминия изготовляется аппаратура и тара для транспортировки азотной кислоты. Для повышения антикоррозионной стойкости алюминий легируют марганцем.
Алюминий применяется в металлургии для раскисления стали и для сварки железных и стальных изделий, а также находит широкое применение и в консервной промышленности для изготовления всевозможной тары: из алюминия изготовляется тара для молока, пива и других жидкостей.
В последние годы в развитых капиталистических странах резко расширилось применение алюминия для конструктивных элементов промышленного и жилищного строительства, особенно в США: количество алюминия, примененного в строительстве жилых и гражданских сооружений, увеличилось с 220 тыс. г в 1952 г. до 400 тыс. т в 1955 г. и более 500 тыс. т в 1957 г., что составило почти четвертую часть всего потребления в стране металла.
В США почти 20%) всего расходуемого в строительстве алюминия идет на изготовление оконных рам. Алюминиевым конструкциям отдается предпочтение в тех случаях, когда достигается технический эффект от снижения веса, а не от простой замены стальных конструкций алюминиевыми. Так, в Англии были построены из алюминия два ангара и выставочное здание. Вес ангара, построенного в Хетфильде, в семь раз меньше веса ангара из стальных конструкций. Применяя алюминий, можно строить мосты с большими пролетами. Широко применяется алюминий для изготовления легких передвижных конструкций, кранов, стрел, драг и деталей экскаваторов.
Имеются сведения о том, что США расходуют свыше 100 тыс. т алюминиевых гофрированных листов при строительстве складов, промышленных зданий и сельскохозяйственных строений. Компания «Рейнольд металле» разрабатывает проект постройки домов, в которых будут широко использованы алюминиевые сплавы. Применяются также и крупные блоки из алюминиевых сплавов для стен высотных зданий: вес такого блока в 4-4,5 раза меньше веса каменной кладки такого же объема. В Англии более 40 компаний занимаются производством сборных алюминиевых домиков на экспорт. Алюминию, безусловно, принадлежит большое будущее в строительстве.
Нанося распыленный алюминий на стальные конструкции, получают прочное защитное от коррозии покрытие. Анодированный алюминий служит как облицовочный материал для архитектурных деталей.
Усиливается использование алюминия как тары и упаковочного материала. Так, в 1957 г. в США потребление алюминиевой фольги составило 98,1 тыс. T против 38 тыс. т в 1950 г.
Характеристика структуры потребления алюминия в развитых капиталистических приведена ниже, % от общего потребления в странах стране:

Основное количество алюминия потребляется в виде полуфабрикатов из алюминия и его сплавов. В США в течение длительного периода времени потребление алюминия в полуфабрикатах, обработанных давлением, составляло 75-80%, а литье 20-25%. Для других стран характерны другие соотношения. Так, в ФРГ расходуется в полуфабрикатах, обработанных давлением, 60-65% алюминия, для литья - около 30% и 5% для нужд сталелитейной промышленности.
Для получения литейных сплавов в основном используются вторичные металлы. В общем производстве литейных сплавов они занимают в Англии 80%. в США 75%, в Швейцарии 60% и во Франции 50%, причем эти сплавы по качеству не уступают первичным алюминиевым сплавам того же состава.
Полуфабрикаты, изготовленные обработкой давлением, исключительно разнообразны по форме и размерам. Важнейшие виды алюминиевого проката в США представлены ниже, тыс. т:

Современный период промышленного развития знаменуется все возрастающей ролью алюминия в технике и в производстве; его значение настолько велико, а применение стало настолько обширным, что в технической литературе не без основания называют алюминий металлом XX в.
Алюминий в самых различных областях выступает как основной заменитель железа, меди, свинца и цинка.
Как заменитель стали он уже занял заметное место в машиностроении, особенно в производстве автомобилей, в строительстве, особенно в передвижных конструкциях и в сооружениях с большими пролетами.
Так, в США в 1939 г. в среднем на один автомобиль шло 2,5 кг алюминия, в 1952 г. - 6,8 кг. а в 1957 г - 18,4 кг. В настоящее время на каждый автомобиль расходуется 23,5 кг алюминия - в основном на автоматические трансмиссии и мотор.
Дальнейшее расширение производства алюминия и снижение его стоимости увеличивают возможность использовать алюминий как заменитель железа.
Алюминий как заменитель меди применяется в электротехнике для изготовления кабелей и проводов, мелких электромоторов и трансформаторов малой мощности, конденсаторов, арматуры и осветительных приборов. Применять алюминий в электротехнике начали более 50 лет назад, но только в последние годы в этой области был достигнут значительный прогресс и алюминий стали применять вместо меди в широких масштабах.
Фирма «Алюминиум компани оф Канада Лимитед» построила в 1957 г. завод непрерывного анодирования алюминиевой проволоки.
Пленка окиси алюминия имеет высокую диэлектрическую постоянную и химически инертна; температура ее плавления намного превосходит температуру плавления находящегося под ней алюминия. Пленка очень твердая, но пористая, обладает хорошей адгезией к алюминию и высокой устойчивостью к абразивному износу. Толщина пленки менее 0,013 мм (0,0005 дюйма), следовательно, она занимает очень мало места в обмотке Поэтому можно использовать алюминиевую проволоку большего сечения, чтобы получать такие плотности тока, как и в случае медной проволоки. Тонкий оксидный слой обеспечивает хороший теплоотвод от обмотки; важным преимуществом оксидной изоляции является ее малый вес.
Алюминий как заменитель свинца используется для изготовления оболочек кабелей и будет использоваться до тех пор, пока его не заменят пластическими массами.
Как заменитель цинка алюминий найдет применение в изготовлении кровельного материала вместо оцинкованного листа.
Алюминий значительно вытеснит олово, расходуемое в виде белой жести на изготовление консервных банок. Наметившиеся пути замены алюминием других цветных металлов объясняются рядом его технико-экономических преимуществ.
Запасы меди, свинца и цинка по сравнению с запасами алюминия незначительны, поэтому производство этих металлов менее обеспечено надежными месторождениями, чем производство алюминия. Первоначальные затраты на организацию производства алюминия значительно меньше затрат на организацию производства меди, свинца, олова и других металлов.
Алюминий уже сейчас дешевле других цветных металлов; по мере расширения объема и совершенствования техники производства стоимость его будет снижаться в результате усовершенствований процессов получения глинозема и существенных изменений в оборудовании электролитных заводов.
Имеются многочисленные сообщения о перспективе роста производства алюминия в капиталистических странах и о том, что рост потребления алюминия наибольший в сравнении с другими металлами. Высказано предположение, что к 1965 г. суммарная мощность алюминиевой промышленности капиталистических стран достигнет примерно 4,5 млн. т, в том числе США и Канады 3,4 млн. т.
Комиссия Пэйли по обеспечению США сырьевыми материалами на 1950-1975 гг. предполагала, что потребление первичного алюминия в 1975 г. составит в США 3300 тыс. г, а в остальных капиталистических странах 2200 тыс. т, общее потребление 5500 тыс. т. Форма «Рейнолдз металз компани» полагает, что к 1975 г. потребность США в алюминии возрастет в 5 раз; с 1,8 млн. г до 9 млн. т.
Эти оценки развития алюминиевой промышленности правильно отражают тенденции к расширению сфер применения алюминия. Однако здесь не учитывается капиталистический характер производства и, следовательно, возможные неожиданные колебания в производстве и потреблении алюминия.

Название : Металлургия алюминия. 1999.

Автор : Борисоглебский Ю.В.

В книге "Металлургия алюминия" изложены этапы развития производства алюминия, его физико-химические свойства, способы получения, свойства и строение электролитов, конструкции электролизеров, их расчет и особенности эксплуатации, описаны механизация и автоматизация процесса электролиза, основы экологии, охраны труда, техники безопасности и экономики.

Оглавление
Предисловие
Глава 1. Общие сведения
1.1. Основные минералы и руды алюминия
1.2. Свойства алюминия
1.3. Применение алюминия
Список литературы
Глава 2. Способы получения алюминия
2.1. История развития алюминиевой промышленности
2.2. Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов
2.3. Альтернативные способы получения алюминия
Список литературы
Глава 3. Свойства и строение электролитов
3.1. Основные компоненты электролита, их свойства и строение
3.2. Диаграммы плавкости солевых систем
3.3. Свойства электролитов
3.4. Строение криолитоглиноземных расплавов
Список литературы
Глава 4. Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов
4.1. Термодинамика основных реакций
4.2. Основные электродные реакции
4.3. Катодный процесс
4.4. Анодный процесс
4.5. Катодный выход по току
4.6. Требования, предъявляемые к глинозему
4.7. Влияние солевых добавок и поведение примесей при электролизе
4.8. Показатели процесса электролиза
Список литературы
Глава 5. Конструкции электролизеров
5.1. Общая характеристика электролизеров
5.2. Катодное устройство
5.3. Анодное устройство
5.4. Системы газоулавливания
5.5. Ошиновка электролизеров
5.6. Демонтаж и монтаж электролизеров
Список литературы
Глава 6. Эксплуатация электролизеров
6.1. Обжиг, пуск и послепусковой период
6.2. Технология обслуживания анода
6.3. Обслуживание ванны
6.4. Корректировка состава электролита
6.5. Способы ликвидации анодных эффектов
6.6. Нарушения технологии и меры по их устранению
6.7. Влияние перерывов в электроснабжении на технологию
6.8. Разрушение подин электролизеров
Список литературы
Глава 7. Влияние магнитного поля
7.1. Основные сведения об электромагнетизме
7.2. Магнитное поле в электролизере
7.3. Распределение тока в расплаве
7.4. Электромагнитные силы в металле
7.5. Конфигурация ошиновки
Список литературы
Глава 8. Основы расчета электролизера
8.1. Выбор силы и плотности тока
8.2. Материальный баланс
8.3. Конструктивный расчет
8.4. Расчет ошиновки
8.5. Электрический баланс
8.6. Тепловой баланс
Список литературы
Глава 9. Серия электролиза
9.1. Краткие сведения об электролизном цехе
9.2. Конструкция корпуса и компоновка электролизеров в нем
9.3. Вентиляция корпусов
9.4. Расчет количества ванн и производительности серии
9.5. Электроснабжение серии
Список литературы
Глава 10. Механизация и автоматизация процесса электролиза
10.1. Транспортно-технологическая схема процесса электролиза
10.2. Современное состояние механизации в электролизных цехах
10.3. Механизация доставки глинозема и пробивки корки
10.4. Механизация операций на анодном хозяйстве
10.5. Измерение основных параметров электролизеров
10.6. Автоматизация процесса электролиза
Список литературы
Глава 11. Экология производства алюминия
11.1. Токсикологическая оценка сырья и выделений при электролизе.
11.2. Расчет выбросов при электролизе
11.3. Отходы производства и их утилизация
11.4. Способы очистки отходящих газов
Список литературы
Глава 12. Основы экономики производства алюминия
12.1. Основные положения
12.2. Расход сырья, материалов и электроэнергии
12.3. Влияние качества и вида готовой продукции на экономику
12.4. Пути снижения себестоимости и повышения прибыли
13.1. Организация работ по охране труда
13.2. Санитарно-гигиенические характеристики условий труда
13.3. Электробезопасность
13.4. Техника безопасности при обслуживании электролизеров
13.5. Пожарная безопасность
Перечень рисунков
Перечень таблиц
Список литературы.

Давление пара .
Изучение величин давления насыщенного пара важно не только с точки зрения теории (определение характеристик процесса парообразования), но и с позиции практики электролиза, поскольку с испарением связаны потери ценных составляющих электролита, загрязнение атмосферы цехов и окружающей среды вредными примесями.

Основы теории процессов испарения систематически изложены в монографии . В соответствии с правилом фаз Гиббса для системы жидкость - пар при полной взаимной растворимости в жидком состоянии число степеней свободы равно числу независимых компонентов, которое, в свою очередь, равно разности между числом компонентов молекулярных форм, существующих в системе, и числом независимых обратимых реакций.

Это накладывает определенные ограничения на равновесие, например, в однокомпонентной системе температура и давление не могут меняться произвольно вне зависимости одно от другого, что определяет моновариантное равновесие.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Металлургия алюминия - Борисоглебский Ю.В. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Магнитогорский Государственный Технический Университет

им. Носова

Кафедра металлургии черных металлов

Реферат по дисциплине «История металлургии»

МЕТАЛЛУРГИЯ АЛЮМИНИЯ

Аннотация

Рассмотрена тема "Металлургия алюминия", описаны основные свойства этого металла. Кратко изложена история открытия алюминия, возможные способы его получения и применения в различных отраслях промышленности.

Введение

1. Свойства алюминия

2. Применение алюминия

3. Сырые материалы

4. Производство глинозема

5. Электролитическое получение алюминия

6. Рафинирование алюминия

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Слово «металлургия» происходит от греч.:

metalleuо – выкапываю, добываю из земли;

metallurgeo – добываю руду, обрабатываю металлы;

metallon – рудник, металл.

Это слово означает область науки и техники, охватывающую процессы обработки добытых из недр руд, получение металлов и сплавов, придание им определенных свойств.

В древности, в средние века и сравнительно недавно, вплоть до времени М.В.Ломоносова, считалось, что существует 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть).

В 1814 г. шведский химик Й.Берцелиус предложил использовать буквенные знаки, которыми пользуется весь мир, за редкими исключениями.

Сегодня науке известно более 80 металлов, большинство из них используется в технике.

В мировой практике сложилось деление металлов на черные (железо и сплавы на его основе) и все остальные – нечерные (Non-ferrousmetals, англ.; Nichtei-senmetalle, нем.) или цветные металлы. Металлургия часто подразделяется на черную и цветную. В настоящее время на долю черных металлов приходится около 95% всей производимой в мире металлопродукции.

В технике принята также условная классификация, по которой цветные металлы разделены на «легкие» (алюминий, магний), «тяжелые» (медь, свинец и др.), тугоплавкие (вольфрам, молибден и др.), благородные (золото, платина и др.), редкие металлы.

Доля продукции, изготовленной с использованием черных и цветных металлов, в настоящее время составляет 72-74% валового национального продукта государства. Можно утверждать, что металлы в XXI в. останутся основным конструкционными материалами, так как по своим свойствам, экономичности производства и потребления не имеют себе равных в большинстве сфер применения.

Из ~ 800 млн. т потребляемых металлов ~ 750 млн. т – сталь, 20-22 млн. т – алюминий, 8-10 млн. т – медь, 5-6 млн. т – цинк, 4-5 млн. т – свинец (остальные - < 1 млн. т).

Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержится в земной коре в больших количествах: алюминий (8,8%), железо (4,65%), магний (2,1%), титан (0,63%).

К рудным месторождениям легких металлов обычно относят руды, содержащие алюминий; основной поставщик алюминия – бокситы, а также алуниты, нефелины и раз личные глины. К рудным месторождениям цветных металлов относятся месторождения меди, свинца и цинка, кобальта, никеля, сурьмы. Запасы металлов в наиболее крупных из них достигают от десятков до сотен млн. т, при обычном содержании металлов в руде – единицы процентов.

Масса добываемых материалов во много раз превышает количество содержащихся в руде металлов и в подавляющем большинстве случаев из природных руд экономически невыгодно непосредственно извлекать полезные компоненты.

Археологические раскопки свидетельствуют о том, что знакомство человека с металлами относится к временам, весьма удаленным от нас. Считается, что первые изделия из бронзы получены за 3 тыс. лет до н.э восстановительной плавкой смеси медной и оловянной руд с древесным углем. Значительно позже бронзы стали изготовлять добавкой в медь олова и других металлов (алюминиевые, бериллиевые, кремненикелевые и др.). В настоящее время наиболее распространены алюминиевые бронзы (5-12% Al) с добавками железа, марганца и никеля.

В настоящее время металлургическое производство является одним из приоритетных отраслей народного хозяйства.

1. СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

Алюминий был впервые получен датским физиком Х.Эрстедом в 1825 г. Название этого элемента происходит от латинского алюмен, так в древности назывались квасцы, которые использовали для крашения тканей.

Алюминий обладает многими ценными свойствами: небольшой плотностью – около 2,7г/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 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 выделяетсябольшое 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 защищает от окисления этой пленки и в расплавленном состоянии.

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 обработке и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147-216 МПа до 353-412 МПа, а твердость по Бринеллю 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.

2. ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

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 энергетики 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. ,

3. СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая – это получение глинозема (Al 2 O 3) 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 Al 2 O 3 , гиббсит Al 2 O 3 . 3H 2 O, бемит Al 2 O 3 . H 2 O, кианит 3Al 2 O 3 , 2SiO 2 , нефелин (Na, K) 2 O . Al 2 O 3 . 2SiO 2 , каолинит Al 2 O 3 , 2SiO 2 . 2H 2 Oи 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 каолинта. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35-60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe 2 O 3 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al 2 O 3 к SiO 2 по массе – так называемый кремневый модуль.

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

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита – нефелин и апатит 3Ca 3 (PO 4) 2 . CaF 2 . Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приго товления фосфорных удобрений, а нефелиновый – для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 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 и 2-3 CaO.

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K 2 SO 4 . Al 2 (SO 4) 3 . 4 Al(OH) 3 . Содержание Al 2 O 3 в них невысокое (20-22%), но в них находится другие ценные составляющие: серный ангидрид SO 3 (~ 20%) и щелочь Na 2 O , K 2 O (4-5%). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы. При производстве глинозема применяют щелочь NaOH, иногда известняк CaCO 3 , при электролизе глинозема криолит Na 3 AlF 6 (3NaF . AlF 3) и немного фтористого алюминия AlF 3 , а также CaF 2 и MgF 2 .

Заочная форма обучения. Курс - Металлургия цветных металлов

Краткий конспект

Подготовка сырья к металлургическому производству

Металлургия меди

Металлургия цинка

Металлургия алюминия

Все металлы делят на две группы: черные и цветные.

К группе черных металлов относят железо, а также марганец (Mn), ванадий (V) и хром (Cr).

Все остальные металлы составляют группу цветных.

В свою очередь цветные металлы подразделяются на следующие под­группы по физико-химическим свойствам:

а)тяжелые цветные металлы (плотность больше 5 г/см 3): Cu(медь), Ni (никель), Pb (свинец), Sn(олово), Zn(цинк), Cd(кадмий),Co (кобальт), As (мышьяк), Sb (сурьма);

б) легкие цветные металлы (плотность до 5 г/см 3): Al(алюминий), Mg (магний), Na (натрий), а также Be (бериллий),Li (литий), Ba(барий), Ca (кальций), Sr (стронций), K(калий), Ti (титан), Zr(цирконий);

в)благородные металлы: Au(золото), Ag (серебро), Pt платина), Os(осьмий), Ir (иридий), Rh (родий),Ru (рутений), Pd (палладий);

г)редкие металлы, которые подразделяются на:

- тугоплавкие (температура плавления более 1873 К): Hf (гафний), Nb(ниобий), Ta (тантал), Mo (молибден), W(вольфрам), Re(рений);

- рассеянные: Ga ( галлий), Tl (таллий), Ge (германий), Se(селен), Te (теллур),In (индий), Rb(рубидий), Cs (цезий);

- редкоземельные: Sc (скандий), Y(иттрий), La (лантан) и лантаноиды (14 элементов от церия до лютеция);

- радиоактивные: Ra (радий), Ac (актиний), актиноиды (торий, протактиний, уран и заурановые элементы), полоний.

Следует иметь в виду, что редкие металлы не обязательно содержатся в земной коре в малых количествах. Металлы этой подгруппы получили название «редкие» главным образом потому, что они рассеяны в большом количестве других пород. Отсюда невелика концентрация этих металлов в рудах, а месторождения руд редких металлов имеют небольшие размеры (запасы).

Исходным сырьём для производства абсолютного большинства металлов являются минеральные образования, добываемые из земной коры, - руды.

Рудой называется горная порода, содержащая металл в такой форме и в таком количестве, что его экономически выгодно извлекать на данном уровне развития техники.

Руда любого металла состоит обычно из двух основных частей: рудного минерала , представляющего химическое соединение металла с другим (другими) элементом, механически перемешанного с соединениями, не содержащими данного металла - пустой породой.

руда = рудный минерал + пустая порода.

Все рудные минералы (более 3000) по вещественному составу подразделяются на:

I группа самородные (золото, платина, S, углерод)

II группа сульфидные – это минералы, в состав которых входит сера.

III группа несульфидные (окисленные), которые подразделяются на:

1) окислы (Fe 3 O 4 – магнетит, SiO 2 – кварц, SnO 3 – касситерит)

2) силикаты (цирконий ZrSiO 4)

3) карбонаты (РbСО 3 – церрусит)

IV группа смешанные

Таким образом, npoцecc получения металла из руды включает две последовательные операции:

а) отделение рудного минерала от пустой породы – это достигается в процессе обогащения на обогатительных фабриках;

б) отделение металла от элемента, с которым он образует химическое соеди­нение – это происходит в пиро- или гидрометаллургических процессах на металлургических предприятиях.

Характеристика руд цветных металлов

1. Руды цветных металлов являются комплексным сырьем. В рудах цветных металлов, наряду с основными металлами (медью, свинцом, цинком, никелем, кобальтом, молибденом, вольфрамом, висмутом), присутствуют золото, серебро, кадмий, индий, селен, теллур, рений, таллий, галлий, редкие земли, сера, барит, флюорит, кварц и другие элементы и минералы. Основная масса (80–85 %) цветных металлов в рудах представлена сульфидными минералами. Благородные металлы и примеси присутствуют в рудах главным образом в виде изоморфных примесей и тонкодисперсных включений в минералы основных и сопутствующих полезных компонентов. Несульфидные минералы представлены оксидами, силикатами, карбонатами, фосфатами и другими породными минералами в различном их соотношении.

цинка. Содержания сопутствующих металлов при этом оцениваются обычно десятыми, сотыми и тысячными долями процента. Постоянный рост производства и потребления основных цветных металлов (меди, свинца, цинка, никеля) сопровождается непрерывным снижением их содержания в перерабатываемых рудах. Например, среднее содержание меди в медных рудах за последние 90 лет уменьшилось в 10 раз и составляет в настоящее время около 1,3 %.

3. Руды цветных металлов весьма разнообразны и изменчивы по химическому и минеральному составу, характеру вкрапленности и степени окисленности, крепости, дробимости, измельчаемости, обогатимости. Различные сочетания свойств руд создают большое многообразие их типов и разновидностей, отличающихся между собой важными технологическими свойствами по отношению к процессам дробления, измельчения, обогащения и др.

4. Руды цветных металлов отличаются сложными горно-геологическими условиями залегания. Месторождения цветных металлов обычно отличаются сравнительно небольшими запасами, сложностью и разобщенностью рудных тел, весьма крепкими рудами и вмещающими породами, предопределяющими большую трудоемкость при их разработке.

5. Руды ЦМ отличает тонкая дисперсная связь ценных компонентов с вмещающими горными породами и между собой. Как правило, руды ЦМ требуют хорошего измельчения, чтобы разрушить эти связи.

Цель подготовки руд к металлургическому переделу

Перерабатываемые в металлургическом переделе руды должны иметь:

Оптимальный состав пустой породы;

Минимальное содержание вредных примесей;

Требуемый для данной технологии гранулометрический состав руды;

Максимальную однородность химического и гранулометрического составов рудного материала.

Добытые из недр земли руды, как правило, не отвечают этим требо­ваниям и нуждаются в предварительной обработке, представляющей часто целый комплекс специальных операций.

Обогащением руды называется комплекс процессов, с помощью которых от руды существующими физическими и физико-химическими методами отделяют минералы пустой породы.

В результате обогащения происходит:

1. концентрация ценного компонента в десятки, сотни раз;

2. с помощью обогащения удаляются вредные примеси из концентратов, что облегчает металлургический или другой последующий передел;

3. сокращаются затраты на перевозки материала потребителю (за счет сокращения общей массы продукта);

4. переработка обогащенного материала производится с большим эффектом (увеличивается производительность последующего передела, уменьшается расход топлива и электроэнергии, снижаются потери ценного компонента с отходами производства, повышается извлечение).

Продуктами обогащения являются :

концентрат - материал, содержащий полезного минерала больше, чем его было в исходной руде. При обогащении многокомпонентных полезных ископаемых получают 2 и более концентратов. Концентраты должны удовлетворять ГОСТу или техническим условиям.

хвосты - материал, состоящий в основном из пустой породы и содержащий небольшое количество полезного минерала. Это отход обогащения. Но отвальные хвосты удается получить не всегда. Если хвосты содержат много полезного минерала, их подвергают повторному обогащению один или несколько раз, в результате чего получают отвальные хвосты и продукт, обогащенный полезным минералом. Это продукты более бедные, чем основные концентраты. Они занимают по содержанию полезного элемента промежуточное положение между концентратом и хвостами – и называются промежуточными продуктами (промпродукты), которые подвергаются дополнительному обогащению.

Обогатительная фабрика – это промежуточное звено между рудником и металлургическим заводом. Мощность фабрики определяется обычно количеством переработанной руды и бывает различна - от десятков тыс. т до нескольких млн. т в год.

Руда различной крупности (D = 1500-2000 мм – характерна для открытых горных работ, D = 500-600 мм – характерна для подземных горных работ), поступающая с рудника, на обогатительной фабрике проходит различные процессы, которые по своему назначению можно разделить на:

Подготовительные;

Собственно обогатительные;

Вспомогательные.

Подготовительные процессы включают, прежде всего, операции уменьшения размеров кусков руды: дробление и измельчение и связанные с ними грохочение и классификацию. Конечная крупность измельчения определяется крупностью вкрапленности минералов, которые надо раскрыть. Именно это позволяет выделить их в самостоятельный продукт. В зависимости от технологии конечная крупность минеральных частиц может достигать от 2-3 мм до 40 микрон. Операции грохочения и классификации позволяют отделить крупные куски минералов от мелких.

К собственно обогатительным процессам относятся процессы разделения рудных минералов и пустой породы и выделения их в отдельные продукты. Основаны эти процессы на различных физических свойствах рудных минералов и минералов пустой породы – цвете, блеске, магнитных свойствах, электропроводности, плотности, смачиваемости и т.д. К этим процессам относятся гравитационное обогащение, флотация , магнитная и электрическая сепарация и другие процессы. Задача основных процессов обогащения − разделить полезный минерал и пустую породу. Это и является обогатительным процессом.

Основные группы обогатительных процессов:

1) Гравитационные методы обогащения. Это разделение минеральных частиц, как правило, в потоке воды, основанное на различной плотности минералов. Этот метод является основным для обогащения золотосодержащих, платиновых, вольфрамовых и оловянных руд.

2) Флотация – разделение минеральных частиц, основанное на их различной смачиваемости водой. Это основной метод при обогащении медных, цинковых, свинцовых, молибденовых, никелевых руд.

3) Магнитное обогащение – разделение минеральных частиц в магнитном поле, основанное на различных магнитных свойствах минералов. Это основной метод при обогащении железных руд и руд редких металлов.

4) Электрическое обогащение – основано на разной электропроводности минеральных частиц.

5) Радиометрическое обогащение – основано на различной радиоактивности разделяемых минералов - естественной или наведенной.

Вспомогательные процессы. Поскольку большая часть основных методов проводится в воде, продукты, получаемые в результате, содержат много влаги - до 80%. Требования пирометаллургического производства – от 5 до 10% влажности, поэтому на обогатительных фабриках товарная продукция подвергается обезвоживанию с помощью трех последовательно идущих операций:

1) Сгущение

2) Фильтрация

Совокупность и последовательность операций, которым подвергается руда при обогащении, путь движения руды и продуктов обогащения от одной операции к другой называются технологической схемой обогащения.

Итак, в результате обогащения руды получаем продукт, поступающий на металлургическое производство – концентрат. Концентрат содержит металла гораздо больше (в десятки раз), чем исходная руда, что позволяет его перерабатывать с большей эффективностью.