5 вещей из алюминия, без которых мы не можем представить свою жизнь

Алюминий стал широко доступен только в 20 веке в большей степени благодаря авиационной промышленности. Если сделать опрос людей какие вещи из алюминия они знают, мы можем увидеть замешательство. Мы не придаем значения тому, что мы держим в руках или видим каждый день вокруг себя. При этом, сегодня все еще является весьма актуальным собирать и сдавать на вторичную переработку алюминиевый лом.

Алюминий и его сплавы — широко распространены как технический металл. Некоторые виды использования алюминия могут быть не очевидны сразу. Например, вы знали, что алюминий используется в производстве стекла?

Алюминий невероятно популярен, потому что он легкий, крепкий, устойчив к коррозии, долговечный, пластичный, податливый, проводящий и не имеет запаха.

Алюминий также пригоден для переработки на 100% без потери своих природных свойств. Кроме того, для переработки лома алюминия требуется 5% энергии, чем для производства нового алюминия.

Вот 5 вещей из алюминия, без которых сегодня очень трудно представить нашу жизнь.

Транспортные средства

Здесь мы имеем в виду в первую очередь аэрокосмическую и автомобильную промышленность: авиадетали, автомобили, а также поезда, судна, мототранспорт и велосипеды.

Аэрокосмическая промышленность любит алюминий по причине легкости веса, поскольку его снижение имеет решающее значение для самолетов и космических аппаратов. По этой же причине широко используют алюминий и в автомобильном производстве. Он помог снизить вес легковых и грузовых автомобилей и, таким образом, несколько улучшить эффективность использования топлива.

Фактически, алюминий использовался еще до изобретения самолетов в рамах дирижаблей Zeppelin. Сегодня современные самолеты используют алюминиевые сплавы повсюду, от фюзеляжа до приборов кабины. Даже космические корабли, такие как космические челноки, содержат в своих частях от 50 до 90% алюминиевых сплавов.

Автомобильная промышленность все еще в значительной степени зависит от стали.

Несмотря на это стремление повысить эффективность использования топлива и сократить выбросы CO2 привело к гораздо более широкому использованию алюминия в производстве автомобилей. Алюминий делает Teslas и Fords более легкими и более энергоэффективными. Эксперты прогнозируют, что к 2025 году среднее содержание алюминия в автомобиле увеличится на 60%.

Высокоскоростные железнодорожные системы, такие как Shinkansen в Японии и Maglev в Шанхае, также используют алюминий. Металл позволяет конструкторам снизить вес поездов, снижая сопротивление трения.

Тем не менее, пока алюминий обеспечивает небольшой вес деталям автомобильного производства. А мы можем передвигаться на большие расстояния, подниматься в небо и переплывать моря и океаны.

Строительные материалы

Строительство и строительная индустрия не исключение для использования алюминия.

В течение почти ста лет алюминиевые сплавы применяются в строительстве домов и офисных зданий. Наиболее известным является Эмпайр Стейт Билдинг.

Он был одним из первых современных сооружений, которые в значительной степени были изготовлены из алюминия, в том числе на его культовый шпиль.

В настоящее время алюминий широко признан одним из самых энергоэффективных и устойчивых строительных материалов, доступных на рынке. Мы используем оконные рамы, фасадные панели, кровельные материалы и ставни.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью. Анодированный алюминий обладает высокой восприимчивостью к полировке и невероятно долгим сроком службы. Для строительной отрасли это важный фактор, поскольку затраты на длительное техническое обслуживание будут намного ниже, чем у сопоставимых материалов. Алюминий также не подвержен атмосферным воздействиям и может очень хорошо противостоять как  влажному, так и в сухому климату, а также не становится хрупким при низких температурах. Сегодня мы можем воплотить практически любое дизайнерское решение с помощью этого материала.

Потребительские товары

В потребительских товарах причиной частого использования алюминия является легкость и внешний вид. В результате алюминий используют при изготовлении телефонов и ударопрочных для них защитных стекол, ноутбуков, спортивногох и туристического снаряжения, сковородок и кастрюль.

Кастрюля или сковородка из алюминия поглощает всего 7% тепла, остальное отдает пище. Эти алюминиевые изделия хорошо проводят тепло, не токсичны, устойчивы к ржавчине и легко чистятся.

Использование в производстве гаджетов позволят добиться легкого веса, эргономичного и привлекательного дизайна. Apple в своих iPhone и MacBook использует преимущественно детали из алюминия. Также сильно предпочитают алюминий, для изготовления своих изделий и другие высокотехнологичные бренды электроники, такие как производитель аудиотехники Bang & Olufsen.

Да, про защитные стекла! Команда исследователей из Токийского университета и Японского института синхротронного излучения создала стекло, пропитанное оксидом алюминия, что они называют аэродинамической левитацией. В результате получилось стекло, которое не разбивается при падении или при ударе другим предметом. Именно такие стекла используют в самых разных областях, от автомобильных окон до смартфонов и планшетов.

 

Промышленные товары

К промышленным товарам, которые изготавливают из алюминия сегодня можно отнести осветительные приборы, термозащитные пленки (отражатели) радиаторы.

Так, по соотношению прочности, теплоотдачи и легкости алюминиевые радиаторы значительно превосходят стальные или металлические.

Теплозащитные пленки изготавливают из специальной изоляционной пены, покрытой алюминиевой фольгой. Служа эффективной пленкой радиатора, она предотвращает тепловые потери энергии через стены, отражая тепло, выделяемое радиатором, обратно в помещение. Такая алюминиевая теплоотражающая фольга позволяет значительно уменьшить количество энергии, необходимое для комфортного обогрева помещения.

Также, превосходные свойства алюминия делают его  оптимальным выбором для опор и кронштейнов для наружного освещения. При контакте с воздухом алюминий образует защитный слой из оксида алюминия, который защищает от коррозии. Эта естественная устойчивость к коррозии гарантирует, что алюминиевый осветительный столб выдержит воздействие времени, температуры и влажности, а также обеспечит долгие годы службы.

Фольга и упаковка

Алюминий все больше и больше заменяет пластиковые и стальные компоненты, так как он прочнее и жестче, чем пластик, и легче — чем сталь. Такие характеристики позволяют алюминиевым изделиям быстро рассеивать тепло, предохраняя электронные устройства от перегрева.

Сегодня алюминий используется для изготовления  фольги для выпечки, лотков для еды, банок для аэрозолей, а также крышек для бутылок.

Алюминиевая фольга представляет собой тонкий, блестящий лист бумаги алюминиевого металла. Он изготавливается путем прокатки больших алюминиевых листов до толщины менее 0,2 мм.

Дома люди используют алюминиевую фольгу для хранения продуктов, для покрытия поверхностей выпечки и для упаковки продуктов, таких как мясо, чтобы они не теряли влагу во время приготовления пищи.

Ну и один из наиболее распространенных видов алюминиевой тары в нашей жизни – алюминиевые банки для напитков. Одна алюминиевая банка состоит из сплава алюминия, 1% марганца, 1% магния, 0,2% кремния и 0,15% меди. Внутренняя поверхность банки покрывается специальным лаком, чтобы избежать контакт металла и напитка. Алюминиевые банки имеют самую высокую стоимость лома, субсидируя сбор и переработку других материалов. Они могут быть переработаны и возвращены на полку магазина в виде новой банки всего за 60 дней.

 

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ ПРО АЛЮМИНИЙ

• 8% внешней коры Земли (по весу) состоит из алюминия.
•  Один Boeing-747 содержит более 66 000 кг алюминия.
• Алюминиевая фольга обычно имеет толщину менее 0,15 мм.
• Чтобы изготовить 1 кг чистого алюминия потребуется около 2–3 кг алюминиевой руды (боксита).
• Для производства чистого алюминия из переработанных банок требуется в 20 раз меньше энергии, чем из бокситов.
• Китай в 2017 году произвел более половины мирового объема алюминия (примерно 32 000 тысяч метрических тонн).
• В Германии примерно 95% банок проходят вторичную переработку.  США перерабатывают 70% алюминиевых банок для напитков.
• Ежегодно производится около 180 млрд банок для напитков. Как правило, алюминиевые банки изготавливаются из 70% переработанного металла, который сдают как вторичное сырье – лом алюминиевых банок в перерабатывающие компании.

И напоследок из интересного: алюминиевая пудра + йод + несколько капель воды = эффектное шоу. Вы увидите облака токсичного пурпурного пара йода, а затем пламя. Реакция — демонстрация того, насколько активным может быть алюминий.

Пожалуйста, не пытайтесь повторить это самостоятельно.

И — сортируйте вашу алюминиевую тару отдельно, ведь ей можно дать вторую и третью жизнь!

алюміній

Получение алюминия « Попаданцев.

нет

Легче перечислить те области нашей жизни, где алюминий не используется, чем те, где он практически незаменим.
Называя вещи своими именами, время, в котором мы сейчас живем, следовало бы назвать не железным веком, а алюминиево-пластмассовым…

Алюминий для пападанца это такой рог изобилия, ништяков и эксклюзива, что»алюминий» и «золото» для него практически синонимы.
Алюминий, например, это удивительная для аборигенов фурнитура и бижутерия, напоминающая серебряную, сверхлегкий доспех из алюминиевых сплавов(даже легче кожаного, но по защитным качествам приближающийся к стальному — недаром сейчас из сплавов системы AlZn делают противопульную броню), котлы, сковороды и другая походная посуда (по теплопроводности и прочности почти как медная, но меньше прогорает и легче раза этак в три) — у вояк и кочевников такие котлы и доспехи улетят как горячие пирожки, даже если брать по три веса золотом. Кроме того, алюминий это отличные провода (гораздо более доступные, чем медные, ведь медь и во времена попадания страшно дорога и не везде продается), разнообразные радиаторы, компонент ВВ, наполнитель для специальных красок и пластмасс, восстановитель для добычи всяких разных хитрых и редких металлов… Список можно без труда продолжать.
Так что если наш попаданец овладел электричеством, то ему самое время заняться добычей этого важнейшего металла.

С самого открытия металла и по наше время для его добычи использовались отнюдь не кустарные, а очень сложные технологии, высокие давления и температуры, дефицитные материалы и большие заводы. Но самое удивительное, что нет никаких принципиальных препятствий для его производства нашим попаданцем буквально на коленке, естественно, при условии что у него руки растут откуда надо, а на уроках химии он не спал и не пинал балду… Все упирается лишь в наличие электрогенератора постоянного тока. Остальные принадлежности попаданцу вполне доступны.

Но путь все же тернист, и на нем ожидают многочисленные засады 🙂

Металлургия алюминия неизбежно включает в себя две фазы.

Первая фаза — добыча и обогащение первичного сырья, то бишь отделение соединений алюминия от примесей. Хотя алюминий в природе находится в виде сложных соединений типа силикато-алюминатов, сульфатов и их гидратных комплексов(то бишь, содержащих химически свзяанную воду), ценность сырья всегда условно приято выражать в процентах содержания гидроокиси алюминия, или глинозема — Al(OH)₃.

Хотя мы все проходили в школе, что алюминий — «серебро из глины», в реальности добывать его из глины мало кому вообще приходит в голову. Сейчас мировая алюминиевая промышленность в качестве сырья предпочитает боксит — чрезвычайно богатый алюминием минерал, но, к сожалению, не везде встречающийся в нужном количестве. Единственное исключение — Россия, где РусАл господина Дерипаски, работая по уникальным советским технологиям и пользуясь халявным электричеством с сибирских ГЭС, до сих пор эксплуатирует богатейшие месторождения алунитов, апатитов и других бросовых пород, на которые во всем остальном мире из-за наличия богатых бокситовых залежей в странах третьего мира никто просто не обращает внимания.

Но попаданцу все-таки придется иметь дело с разнообразными сортами глины. Она обычно не так богата алюминием, как боксит(нужного глинозема, там обычно всего где-то 15-20%, хотя как повезет — в отдельных породах и до 80% может доходить), но зато есть абсолютно везде. Подходит практически любая, имеющая относительно стабильный состав.
Главные примеси — кремнезем(большинство), оксид титана, оксиды железа(не больно много, но мешаются невероятно на последующих стадиях производства, вызывая ненужную трату реактивов и мощности), щелочных и щелочноземельных металлов. А в примесных количествах там чего только нет — от органики до тяжелых металлов, и в принципе, после разделения всему этому попаданец может легко найти применение.
Способов отделения глинозема попаданцу доступно только два — кислотный и щелочной( соляная кислота с едким натром для него перестают быть проблемой, как только появился доступ к соли, и, опять же, к электричеству).

Первый способ — хорошенько прокипятить глину со щелочью в плотно закрытом а-ля автоклав железном котле. Плюсы — процесс идет довольно быстро и для него не нужны какие-то очень уж специфические условия. Глинозем растворится весь, а все железо останется в осадке. Минусы — нужна обязательно железная ёмкость(любую другую из доступных просто разъест), в раствор вместе с глиноземом попадет весь ненужный кремнезем, которого там ну очень много. Так что для его удаления придется титровать кислотой, получив, правда, замечательный побочный продукт под названием силикагель.

(Подробнее можно погуглить на тему «процесс Байера». Я рекомендую книгу «Металлургия алюминия», И.А. Троицкий, В.А. Железнов )

Второй способ — растворить в кислоте предварительно осторожно прокаленную для удаления связанной воды, увеличения поверхности и химической активности(т.н. «вскрытую») глину.
Плюсы — можно растворять в глиняной или стеклянной емкости, а весь кремнезем, которого в глине львиная доля, останется в осадке.
Минусы — просто так глину растворить не получится. Реакция пойдет невыносимо медленно. Кроме того, есть одна тонкость — диапазон температур для правильного прокаливания довольно узок (коридор градусов 200 начиная где-то с 300°С) и попаданцу придется определять его методом тыка. Глинозем же все равно растворится не весь, а всего где-то треть из того, что есть в глине, но зато растворится все железо и остальные сходно ведущие себя слабоосновные примеси. В итоге, как и в первом способе, скорее всего придется аккуратно осаждать всю эту прелесть небольшим количеством крепкой щелочи. Главное тут не пропустить момент начала выпадения осадка глиноземного геля. Тут ценным побочным продуктом будет осадок довольно чистой ржавчины — гидроксида железа, который после накопления, в конце концов, можно использовать, например, в качестве высокочистой железной руды.
(подробнее о кислотном способе можно почитать, например, вот в этих статьях:
Extraction of Alumina from Local Clays by Hydrochloric Acid Process, A.A. Al-Zahrani and M.H. Abdul-Majid,
Extraction of Alumina from Clays by the Lime-sinter Modification of the Pedersen Process. BY RAYMONLD. COPSON,JOHN H. WALTHALLA, TRAVIS P. HIGNETT, New York Meeting. February 1944)
Короче говоря, после первой фазы тем или иным способом попаданец получит не сильно большое (принимая во внимание количество переработанной глины), но все же приличное количество насыщенного раствора солей алюминия. Скорее всего, это будет хлорид AlCl₃.

Теперь начинается вторая фаза металлургии алюминия и наступает еще большее веселье — нужно как-то добыть сам металл!

Казалось бы, все просто — пускаем ток, и дело в шляпе.
Но тут ожидает самое главное разочарование — электролизом водного раствора при обыкновенных, доступных для попаданца источниках тока и оборудовании алюминий не получить. Слишком уж он активен, так что на электролиз попаданцу годится только расплав.
В наше время идут по самому рентабельному пути — перерабатывают руду по первому способу, доводя затем раствор до перенасыщения и добавляя затравку глиноземного геля. В результате весь чистый глинозем выпадает в осадок, его прокаливают и получают чистый оксид алюминия Al₂O₃, который и идет дальше на электролиз.
Окись алюминия — тугоплавкий огнеупор, и просто так за здорово живешь не расплавится. Тут нужно больше 2000°С. Поэтому независимо друг от друга сразу два инженера начала 20 века Холл и Эру придумали растворять его в расплаве криолита(это смешанный фторид алюминия-натрия состава Na₃AlF₆, из-за редкости приготовляемый искусственно), но все равно вести электролиз при ~900°С в графитовой ванне графитовыми же электродами.
Попаданцу, понятное дело, подобное не покатит. Работы со фтором ему не потянуть, фторидов взять негде, с постоянно горящим графитом напряги, да и 900 градусов в ванне как-то многовато. Ему бы что-нить поближе и подешевле, чтоб на дому.
Вот, например, хлорид уже есть — пускай он и будет, к тому же электролиз хлорида на треть более энергоэффективен.

Отлично, только тут ждет еще одна засада — хлорид алюминия, так же, как и хлориды магния и кальция, ужасно гигроскопичен, так что на воздухе сосет из него воду и просто расплывается в кашу, а при попытке прокалить разлагается, гад, на оксид и хлороводород. В общем, нужна безводная соль. Как же её получить? Из водного раствора — никак.
В нашей реальности корпорация Alcoa провела разработки на эту тему и самое простое, что они придумали, это обрабатывать глинозем смесью хлора с хлороводородом в кварцевой печке при температуре выше 1000°С. Безводный хлорид потом конденсируется в герметичном холодильнике.
Такое попаданцу тоже уж точно не подойдет — кварцевая печка на ближайшем базаре не продается, а чтобы самому её сделать, надо сначала пуд соли съесть. Да и герметичность надо как-то обеспечивать…
Кажется тупик. Не видать бедолаге алюминия, как своих ушей, а он уже и губы раскатал…

Попаданец с горя напивается, и, мучимый похмельем, решает на следующий день отмокнуть в лохани. Заодно и помыться можно. Он берет кусок собственноручно сваренного мыла, до скрипа надраивается мочалкой, и матеря про себя местную жесткую воду, тянется за следующим куском, попутно разгоняя к краям лохани все, что осталось от его произведения — покрывающие всю поверхность воды, абсолютно не желающие ни мылиться, ни растворяться, ни даже просто смачиваться водой легкие белые катышки.

И тут вдруг он, подобно Архимеду, выскакивает голый из лохани с криком «Эврика!», ведь решение головоломки с алюминием как раз в этих катышках и заключается.
Знакомьтесь: алюминиевое мыло, старший кузен тех самых белых катышков, то бишь «мыл» магния и кальция!

Фишка в том, что большинство высокомолекулярных органических кислот (в просторечии именуемых «жирными» по своему производному — жирам) дают со всеми металлами, кроме щелочных, абсолютно нерастворимые в воде соли. Больше того — эти «мыла» с водой даже не смешиваются, и в своем составе химически связанной воды абсолютно не содержат. Это свойство, повсеместно используемое химиками, делает жирные кислоты идеальным экстрагентом для смешанных водных растворов металлических солей. Кроме всего прочего, эти «мыла» всплывают еще и в очередности, строго соответствующей ряду напряжений металлов. То бишь, пока не выйдет весь алюминий, кальций и магний так и останутся плавать. И это тоже еще не все! Ионы щелочных металлов здорово подвижны. Поэтому если теперь нагреть мыло с безводным хлоридом щелочного металла(а лучше их смесью), натрий или калий перейдут в мыло, поменявшись с алюминием, а тот уйдет в смесь хлоридов, давая очень легкоплавкую тройную эвтектику AlCl₃-KCl-NaCl(при оптимальном процентном соотношении солей плавится всего при 70С!!!). И заметьте себе — от воздуха она сверху все еще закрыта еще твердым алюминиевым мылом!

(подробнее об экстракции алюминия через соли жирных и других органических кислот можно почитать здесь:
US patent 4415412,
«Экстракция металлов некоторыми органическими катионобменными реагентами», Э. Н. Меркин, Москва, 1968,
а также, как всегда, спросить гугл на тему «стеарат(или, к примеру, пальмитат) алюминия» 🙂 )

Короче говоря, попаданец, выскочив из лохани, доливает в горшок с раствором хлорида алюминия раствора обычного натриевого мыла, отделяет всплывшее мыло алюминиевое, сушит, накладывает в широкий горшок поверх хорошо прокаленной смеси калийной и поваренной солей, греет на водяной бане и через некоторое время сует туда два электрода.
Придя с обеда, он обнаруживает на нижнем, стальном(а лучше свинцовом), долгожданный слой алюминия! Бинго!

Конечно, все вышеописанное довольно далеко от идеала экономичности. Электричества, соли и мыла нужно на первых порах очень много. Но потом, после оптимизации процесса, реактивы регенерируются, к тому же имеются сами по себе ценные побочные продукты — силикагель, оксид титана, шламы…

Но вот зато когда наконец продается с аукциона (буквально за мешок золота:)) первый алюминиевый котел, попаданец забывает обо всех пройденных терниях, и его маленькая мастерская чудес переходит на совершенно новый уровень этих самых чудес!

А это однозначно окупает все затраты.

Современная алхимия или как сделать ценный металл из отходов

Отходы Технологии

17 января 2020

Российские ученые разработали новую технологию переработки отходов алюминиевой промышленности в специальный сорт чугуна. Предложенный подход не разрушает плавильные печи, а получаемый чёрный металл обладает повышенной прочностью и текучестью. Не заветное золото, к получению которого так стремились древние алхимики, но тоже впечатляет.

В чугун превращают красный шлам — высокотоксичные отходы, образуемые при производстве алюминия. Щёлочность и высокая дисперсность делают его опасным как для человека, так и для окружающей среды.

Если красный шлам попадает на кожу человека, ее разъедает. Попав в окружающую среду, высокотоксичные отходы могут привести к катастрофическим последствиям.

В 2010 году Венгрия испытала этот страшный сценарий на себе. В результате аварии на промышленном предприятии в городе Айка более миллиона кубометров красного шлама растеклось по территории в 40 квадратных километров. Тогда погибли 10 человек, ещё десятки пострадали. В результате экологической катастрофы тонны токсичных отходов попали в речную систему Дуная, полностью уничтожив экосистему реки Марцаль.

Красный шлам хранится на шламохранилищах — специальных территориях, которые сконструированы так, чтобы защитить людей и природу от ядохимикатов. Однако, как продемонстрировал печальный опыт Венгрии, где прорвало именно такой резервуар, от практики накопления этих отходов надо уходить.

При производстве алюминия получается гораздо больше красного шлама, чем самого алюминия. По сведениям агентства РИА Новости, в России к настоящему моменту накопилось более 600 тонн этих ядохимикатов. При этом объёмы едких отходов с каждым годом растут. В результате строительства огромных шламохранилищ, из хозяйственного оборота выводятся плодородные земли. Когда резервуар с красной жижей полностью заполняется территорию можно рекультивировать, но полное восстановление занимает годы.

Чугун из красного шлама умели получать и раньше. Однако учёные из Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН совместно с коллегами из НИТУ «МИСиС», МГУ и КузГТУ разработали новую технологию, которая делает процесс гораздо более рентабельным, чем доселе существующие способы.

«Распространенным подходом для переработки красных шламов является их плавление в смеси с углеродом и известью при высоких температурах с получением чугуна. Данный метод является труднореализуемым за счет наличия в шламе щелочи, которая приводит к разрушению плавильных печей, — объясняет один из разработчиков новой технологии младший научный сотрудник ИМЕТ РАН Дмитрий Зиновеев. — В нашей работе мы использовали для плавки шлам после удаления из него щелочи, которую можно вернуть в цикл производства алюминия. Другим важным отличием нашей технологии является использование экстремально высоких температур — более 1700 градусов Цельсия, что позволяет получать чугун со специальными свойствами».

Полученный чугун можно использовать для изготовления изложниц — емкостей для разливки металла. Он обладает уникальным химическим составом, сочетающим высокую прочность с хорошей текучестью.

«Чугуны похожего состава используются на заводе ЕВРАЗ, однако, для их производства применяют дорогостоящие добавки ферросплавов. В нашем случае, мы используем отход, в котором есть все необходимые элементы, поэтому можно получать «природнолегированный чугун», — рассказал руководитель проекта Дмитрий Валеев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМЕТ РАН. Внедрение этой технологии снизит издержки производства, а также «поможет продвинуться в сторону безотходного глиноземного производства», подытожил учёный.

Фото (с) Signature/iStock

Поделиться:

Читайте также

• Биоразнообразие

  Леденец из соли и салат из живых улиток: ресторан для исчезающих видов

• Биоразнообразие

  На Алтае краснокнижным соколам набьют татуировки для защиты

Главное

• Вода

  Большинство водохранилищ страны регулируется по устаревшим правилам

• Экология

  Температура воды во всех морях РФ растет последние 40 лет

Добыча полезных ископаемых и переработка: от красной грязи к алюминию

Неважно, сколько слогов вы произносите, алюминий — один из самых полезных промышленных металлов, которые у нас есть. Легкий, прочный, легко легируемый, обладающий высокой электропроводностью и легко поддающийся механической обработке, литью и экструзии, алюминий нашел свое применение практически во всех промышленных процессах и коммерческих продуктах, которые только можно вообразить.

Современная жизнь была бы невозможна без алюминия, и все же серебристый металл широко используется только последние 100 лет. Не так давно было время, когда алюминиевая посуда была символом статуса, и когда-то она буквально стоила больше, чем ее вес в золоте. Причина его одноразовой редкости заключается в усилиях, необходимых для извлечения обильного элемента из горных пород, которые его несут, а также энергии для этого. Силы, которые до недавнего времени не позволяли человеку использовать алюминий, были преодолены, и химия и инженерия, необходимые для этого, заслуживают изучения в нашей следующей части «Добыча и переработка».

Pay Dirt

Алюминий — самый распространенный металлический элемент в земной коре. Но что-то, что составляет в среднем 8% земли под вашими ногами, чрезвычайно трудно найти в элементарной форме. Здесь нет обнажений или жил металлического алюминия, которые можно было бы добывать; алюминий почти всегда находится в различных формах оксида, и его необходимо химически высвободить, чтобы он мог использоваться в качестве промышленного металла.

В то время как алюминийсодержащие породы широко распространены, существует лишь несколько экономически значимых месторождений первичной алюминиевой руды: бокситов. Точное содержание бокситов варьируется, но обычно они состоят из минералов оксида алюминия в сочетании с гидроксидами алюминия, глинами, кварцем и железосодержащими минералами. Одни из крупнейших и богатейших месторождений бокситов расположены в тропиках, где периоды высоких температур и обильных осадков сменяются длительными засушливыми периодами.

Химическое выветривание, которому благоприятствуют эти условия, на самом деле является первым шагом в обработке алюминия — оно разбивает боксит, который уже является очень мягкой породой, на мелкие кусочки, которые легко зачерпнуть. Большая часть бокситов добывается открытым способом. В настоящее время мировым лидером по добыче бокситов является Австралия, которая производит около четверти мировой добычи. На втором месте Китай, на третьем — западноафриканская Гвинея. Имеются также крупные месторождения бокситов в Бразилии и Карибском бассейне, главным образом на Ямайке.

Поскольку в мире всего несколько мест, где добывают бокситы, руду часто перевозят на большие расстояния для дальнейшей переработки. Это может оказаться опасным, когда руда перевозится через океан из-за разжижения и динамического разделения. Бокситы обычно содержат много глины, и при воздействии дождевой воды они могут образовывать суспензию, похожую на зыбучие пески, которая ведет себя как жидкость. При загрузке в трюмы сухогруза чрезмерно влажный боксит может разбрызгиваться и, в сочетании с тенденцией воды в навозной жиже мигрировать вверх, изменить центр тяжести корабля с катастрофическими последствиями.

Так близко, но так далеко

Необработанная бокситовая руда должна быть химически обработана, чтобы удалить примеси и подготовить ее для плавки содержащегося в ней алюминия. Для этого почти всегда используется процесс Байера, который состоит из варки больших партий измельченного боксита в сосуде высокого давления с раствором едкого натра или гидроксида натрия. При температуре от 150° до 200°С оксиды и гидроксиды алюминия, обычно нерастворимые в воде, реагируют с натрием в гидроксиде натрия с образованием алюмината натрия:

Это растворяет алюминий в боксите, но не примеси, которые в основном представляют собой оксиды железа. Нерастворимые материалы вместе с избытком гидроксида натрия отфильтровываются в отходы, называемые «красным шламом». Огромное количество красного шлама производится на заводах по переработке бокситов и хранится в лагунах, часто образующихся в результате затопления выработанных бокситовых карьеров, когда руда перерабатывается недалеко от места ее добычи. Оксиды в красном шламе имеют экономическую ценность и могут быть извлечены для использования в промышленных процессах, включающих извлечение следовых количеств редкоземельных элементов, которые могут присутствовать в хвостах. Красный шлам также может привести к катастрофе, если с ним не обращаться должным образом.

Заключительный этап переработки бокситов включает осаждение алюминия из фильтрата и его очистку. Это достигается путем затравки раствора, содержащего алюминат натрия, высокоочищенными кристаллами гидроксида алюминия. Это вызывает образование и выпадение кристаллов гидроксида алюминия из пересыщенного раствора:

Кристаллы гидроксида алюминия собираются и обрабатываются в высокотемпературной вращающейся печи. В процессе, называемом прокаливанием, гидроксид алюминия термически разлагается на чистые белые кристаллы оксида алюминия:

Лучшая плавка с помощью химии

Следующим этапом обработки является выплавка элементарного алюминия из глинозема. Для этого используется процесс Холла-Эру, названный в честь американского химика Шарля Мартина Холла и французского ученого и изобретателя Поля Эру, которые независимо и почти одновременно изобрели этот процесс в 1886 году. Этот процесс в основном направлен на устранение окислительных процессов в природе. который изначально запирал элементарный алюминий в его оксидах, образуя боксит. Он делает это электролитически и поэтому требует доступа к огромному количеству дешевой электроэнергии, чтобы быть экономически жизнеспособным; вот почему алюминиевые заводы часто располагаются вблизи плотин гидроэлектростанций.

Для электролиза порошка оксида алюминия его сначала необходимо превратить в жидкость. Просто расплавить его невозможно, так как он имеет возмутительно высокую температуру плавления (2072 ° C). Ключом к процессу Холла-Эру было открытие криолита, соли натрия, алюминия и фтора. Криолит снижает температуру плавления глинозема примерно до 900°С, что делает возможным электролиз. Криолит встречается в природе, но очень редко, его можно найти всего в нескольких местах на Земле. Почти весь криолит, используемый для выплавки алюминия, в настоящее время производится синтетическим путем.

В промышленных масштабах процесс Холла-Эру осуществляется почти на смехотворном уровне, а плавильные установки настолько велики, что их можно увидеть из космоса. Каждая стальная реакционная ячейка, называемая тиглем, облицована керамикой и имеет на дне графитовый катод. В котел загружают порошок глинозема и криолит, а в смесь опускают массивный композитный анод. Анод сделан в основном из плавленого кокса с медным или стальным каркасом для проведения тока, необходимого — сотни тысяч ампер — для электролиза раствора.

В результате реакции электролиза на аноде каждого элемента образуется металлический алюминий. Расплавленный металл плотнее электролита, поэтому капли оседают на дно электролизера, где скапливаются на катоде. Электролизеры работают постоянно, и для накопления достаточного количества расплавленного алюминия требуется от одного до трех дней. Жидкий металл отводится сифоном, расходуемые аноды меняются местами по мере необходимости, и в котел добавляется еще один заряд.

Алюминий, который выходит из кастрюли, составляет около 99% чистый алюминий, который обычно отливается в слитки или прутки для дальнейшей обработки. Алюминий этого уровня чистоты в основном используется для пищевых контейнеров или в качестве электрических проводников, таких как воздушные линии электропередач. Если требуется металл более высокой чистоты, другой электролитический процесс, известный как процесс Хупса, может довести чистоту до уровня «четыре девятки» (99,99%). Все металлы с чистотой 99% и выше известны как алюминий «1000-й серии».

Чистый алюминий, как правило, не так уж полезен в промышленности, поэтому большую часть алюминия сплавляют с другими металлами для достижения других характеристик. Например, алюминий серии 2000 в основном сплавляется с медью для обеспечения прочности и ударной вязкости и находит применение в авиастроении. Металлы серии 3000, такие как сплав 3003, используемый в воздуховодах и кухонной утвари, легированы марганцем для удобства обработки. Кремний сплавляется с алюминием, образуя металлы серии 4000; добавление магния приводит к появлению металлов серии 6000, таких как популярные 6061 и 6063, которые используются во всем, от алюминиевых профилей до блоков цилиндров.

Плавка и рафинирование алюминия-AdTech Metallurgical Materials Co., Ltd.

Опубликовано в 09:25 в Новости by admin

0 Likes

Плавка и рафинирование алюминия

Алюминий в основном используется для производства поршней, деталей двигателей и кузовов автомобилей, банок для напитков, дверей, сайдинга и алюминиевой фольги. Его также можно использовать в качестве листового металла, алюминиевых пластин и фольги, стержней, стержней и проволоки, деталей самолетов, оконных и дверных рам. Ведущими потребителями алюминия являются контейнерная и упаковочная промышленность, транспортная отрасль и строительная промышленность.

Алюминий может быть получен либо из бокситовой руды, либо из алюминиевого лома. Переработка алюминиевой руды достаточно дорога, поэтому вторичная промышленность занимает большую часть рынка. Около 40% алюминия в США извлекается для вторичной переработки (USEPA, 1995).

Из-за высоких энергетических потребностей основные производители первичного алюминия, как правило, размещаются в районах с низкими затратами на энергию, включая северо-запад и долину реки Огайо. Вторичные производители, как правило, располагаются вблизи промышленных центров, включая южную Калифорнию и район Великих озер.

Как первичные, так и вторичные производители алюминия очищают и плавят алюминий и разливают его в слитки, называемые слитками. Слитки отправляются на заводы по литью металлов или другие формовочные заводы для формования или прокатки.

Первичная переработка алюминия

Производство алюминия из бокситовой руды представляет собой трехэтапный процесс. Сначала глинозем извлекают из бокситовой руды, обычно используя процесс Байера. В процессе Байера мелкоизмельченный боксит смешивают с гидроксидом натрия и помещают в «варочный котел». Высокие температуры и давление в варочном котле вызывают реакции в смеси руды и гидроксида натрия. В результате растворяется оксид алюминия и рудный остаток. Остатки, включающие оксиды кремния, свинца, титана и кальция, образуют шлам на дне варочного котла. Оксид алюминия выпаривают и конденсируют. Крахмалы и другие ингредиенты добавляются для удаления любых оставшихся примесей из оксида.

Затем раствор перемещают в отстойник, где кристаллизуется оксид алюминия. Гидроксид алюминия и гидризид натрия являются продуктами кристаллизации. Кристаллы промывают, обезвоживают в вакууме и отправляют в кальцинатор для дальнейшего обезвоживания.

Оксид алюминия, полученный в процессе Байера, затем восстанавливают до металлического алюминия, как правило, с использованием процесса Холла-Эру. В этом процессе оксид алюминия помещают в электролизер с расплавленным криолитом. Углеродный стержень в ячейке заряжается, и в результате реакции образуются монооксид углерода, диоксид углерода и алюминий. Алюминий опускается на дно, где его извлекают из резервуара и отправляют в плавильную печь или печь для выдержки.

Затем расплавленный алюминий смешивают с желаемыми сплавами для получения определенных характеристик и отливают в слитки для транспортировки в производственные цеха. В производственных цехах расплавленный алюминий или алюминиевые сплавы переплавляют, разливают в отливки и охлаждают. Перед заливкой расплавленный алюминий можно дополнительно нагреть для удаления оксидов, примесей и других активных металлов, таких как натрий и магний. Через расплавленный алюминий также можно барботировать хлор для дальнейшего удаления примесей.

Источники отходов и возможности предотвращения загрязнения

Выбросы в атмосферу происходят из ряда источников. При измельчении боксита, прокаливании оксида алюминия и обработке материалов образуются твердые частицы. Оборудование для выбросов в атмосферу широко используется для улавливания этих частиц.

Твердые частицы могут быть обогащены металлом. Если металлического содержания достаточно, пыль для контроля выбросов может быть переплавлена ​​для улавливания любых оставшихся металлов, или она может быть повторно использована иным образом или продана из-за ее металлического содержания. Если пыль недостаточно богата металлами, ее обычно закапывают.

Другой источник выбросов в атмосферу в процессе производства первичного алюминия возникает при восстановлении оксида алюминия до металлического алюминия. Образуются фтороводородные газы и твердые частицы, фториды, глинозем, окись углерода, двуокись серы и летучие органические соединения. Электролитические ванны часто используют анодные пасты в ячейке. Паста должна непрерывно подаваться в ячейку через стальной лист с отверстием. Эта непрерывная подача позволяет газу выходить.

Одним из методов снижения выбросов газов является использование предварительно обожженных анодов. Предварительно обожженные аноды должны быть изготовлены на собственном заводе. Предварительно обожженные аноды позволяют герметизировать электролитическую ванну, позволяя улавливать газ. Затем каждые 14-20 дней заменяют аноды, содержащие газы для сбора. Печи для обжига анодов производят выбросы фторидов, испаренных органических соединений и диоксида серы. Выбросы часто контролируются с помощью мокрых скрубберов.

Жидкие отходы не представляют серьезной проблемы при переработке алюминия. Сточные воды образуются при осветлении и осаждении; однако большая часть воды повторно используется напрямую.

Твердофазные отходы включают отходы переработки бокситов, называемые красным шламом, и отходы восстановления из отработанных футеровок электролизеров. Красный шлам содержит железо, алюминий, кремний, кальций и натрий, в зависимости от используемой руды. Обычно красный шлам обрабатывается на месте и не представляет опасности.

Огнеупорная футеровка электролизеров, используемых для рафинирования алюминия, представляет собой другую проблему, связанную с твердыми отходами. Огнеупор разрушается при непрерывном использовании с образованием опасных отходов RCRA K088.

Производство вторичного алюминия

В производстве вторичного алюминия алюминиевый лом плавится в отражательных или подовых печах, работающих на газе или жидком топливе. Примеси удаляются с помощью хлора или других флюсов до тех пор, пока алюминий не достигнет желаемой чистоты.

Другие предприятия по производству алюминия используют шлак в дополнение к лому. Окалина является побочным продуктом плавки первичного алюминия. Этот процесс дополнительно снижает загрязнение окружающей среды в результате производства первичного алюминия. Он содержит флюсы и различные концентрации алюминия. «Обезжиренный», «богатый» или «белый шлак» относятся к алюминиевому шлаку с высоким содержанием алюминия. «Черный шлак» или «соляные лепешки» относятся к алюминиевому шлаку, образовавшемуся в результате применения солевых флюсов.

Окалина измельчается, просеивается и плавится во вращающейся печи, в нижней части которой собирается расплавленный алюминий. Образовавшийся солевой шлак является отходом производства. Чтобы уменьшить эти отходы, большее количество оставшихся металлов можно выщелачивать в воду и собирать.

Для устранения необходимости в солевых флюсах была разработана новая обработка плазменной горелкой для нагрева вращающейся печи. Благодаря этой процедуре извлекаются высокие концентрации алюминия.

Предотвращение загрязнения при вторичной обработке алюминия

Выбросы в атмосферу и твердые отходы являются основной проблемой в алюминиевой промышленности. Выбросы в атмосферу во многом зависят от качества используемого лома. Выбросы могут происходить при плавке, рафинировании и отходящих газах печи. Газы могут включать продукты сгорания, хлористый водород и хлориды металлов, оксид алюминия, металлы и соединения металлов. Чтобы уменьшить выбросы, независимо от типа используемого лома, фторид алюминия можно заменить хлором для удаления примесей из расплавленного металла. Все системы обычно подключены к оборудованию для контроля выбросов, как правило, к рукавному фильтру для сбора фтора и других газов.

Твердофазные отходы производства вторичного алюминия представляют собой шлаки, образующиеся при плавке. Шлак содержит хлориды, флюсы и магний. Металлы могут быть отделены и повторно использованы или проданы.

Жидкие отходы включают воду, которую добавляют в шлак для разделения различных металлов. Сточные воды могут быть загрязнены солью и флюсами, но их часто можно восстановить и использовать повторно.

Все, что вам нужно знать об алюминии

Как бы вы отреагировали, если бы кто-то сказал вам, что обменяет кусок золота на старую банку из-под газировки, которая висела в глубине холодильника?

Вы бы, наверное, посмеялись, да? Что ж, вернемся на пару сотен лет назад, в начало девятнадцатого века, и алюминий, содержащийся в вашей банке из-под газировки, когда-то считался одним из самых драгоценных металлов в мире (да, даже больше, чем золото)!

Однако перенесемся в сегодняшний день, и это кажется довольно диким, учитывая, что алюминий практически везде, куда бы мы ни пошли. В настоящее время алюминий считается наиболее широко используемым «цветным металлом» в мире, производство и применение алюминия превосходит все другие металлы, за исключением железа и стали.

Тем не менее, из-за того, что это самый распространенный металл в земной коре, второй по популярности металл в мире и третий по распространенности элемент на нашей планете, сведения об этом широко используемом металле довольно скудны.

Итак, что такое алюминий? И почему это так важно?

Что такое алюминий?

Если вы не химик, имеющий доступ к контролируемой лабораторией среде, вероятность того, что вы взаимодействуете с «чистым алюминием», ничтожно мала. Это связано с тем, что химические свойства чистого металлического алюминия настолько реактивны по отношению к кислороду, что при контакте он сразу же цепляется за атомы кислорода. Разговор о серьезной химии 😉! В результате образуется вещество, известное как гидратированный оксид алюминия. ¹

Гидратированный глинозем, более известный как бокситовая руда, добывается из земной коры и перерабатывается для извлечения алюминия. После извлечения из бокситов чистый алюминий часто становится слишком мягким и пластичным для коммерческого использования.

По этой причине чистый алюминий почти всегда комбинируют с другими легирующими металлами или элементами. К ним обычно относятся медь, магний, марганец, кремний, олово и/или цинк. При создании металлического алюминиевого сплава улучшается общая прочность металла, а также многие другие различные физические свойства, необходимые для применения.

Поэтому, когда вы сталкиваетесь с повседневными предметами в своей жизни, такими как алюминиевые банки, фольга для приготовления пищи или упаковка для пищевых продуктов, просто помните, что на самом деле вы соприкасаетесь не с чистым алюминием, а с алюминиевыми сплавами, состоящими только из 90–99 %. алюминиевый металл. ⁷

Как производится алюминий?

К настоящему времени вы знаете, что алюминий не встречается в природе в чистом виде. Вместо этого соединения алюминия существуют в каменистых глыбах руды, погребенных в земной коре. Эта руда, как упоминалось ранее, называется бокситом и является основным источником чистого алюминия в мире.

Чтобы извлечь алюминий из боксита и начать изготавливать из него полезные предметы (например, фольгу, которой вы накрываете вкусные объедки своей матери), необходимо использовать два основных процесса: первый — процесс Байера (1886 г.), а второй — Процесс Холла-Эру (1889 г.).

1.  Процесс Байера: Поскольку боксит состоит из оксида алюминия, молекул воды и ряда примесей, сначала необходимо удалить воду и примеси. Сырой боксит добывают, а затем измельчают, смешивают, измельчают и превращают в суспензию. Затем эту суспензию обрабатывают теплом и давлением, чтобы очистить остаток боксита и оставить только оксид алюминия. ²

2.  Процесс Холла-Эру: оставшийся оксид алюминия (известный как глинозем) затем подвергается процессу плавки, требующему чрезвычайно большого количества энергии. Оксид алюминия помещают в расплавленную смесь и подвергают электролизу, чтобы атомы алюминия отделились от атомов кислорода. В свою очередь, это производит металлический алюминий. Затем необработанный алюминий отливается в алюминиевые заготовки/слитки для легирования и дальнейшей обработки. ³

Производство алюминия может показаться не таким сложным на первый взгляд, но это далеко не так. Вот почему процесс переработки стал таким важным. Добыча и производство алюминия, который используется в нашем обществе, — сложный, трудоемкий и энергоемкий процесс. К счастью, переработка делает металлический алюминий легко восстанавливаемым, затрачивая всего 5% энергии, которая требовалась для его первоначального извлечения.

Типы алюминия

Гипотетически предположим, что вы извлекли себе очень хороший необработанный алюминий и обнаружили, что у вас осталась блестящая заготовка. Чем вы сейчас занимаетесь? Растопить эту присоску и сплавить, вот что!

Чистый алюминий очень мягкий и часто недостаточно прочный для большинства коммерческих применений и проектов. Чтобы исправить это, чистый алюминий расплавляют и смешивают с другими элементами, такими как железо, кремний, медь, магний, марганец и цинк. За счет сплавления с этими другими элементами улучшаются такие свойства алюминия, как прочность, плотность, обрабатываемость, электропроводность и коррозионная стойкость.

В процессе легирования алюминия могут быть получены три различных типа алюминиевых сплавов в зависимости от их свойств и методов их обработки: коммерчески чистые, термообрабатываемые и нетермообрабатываемые.

Каждый тип алюминиевого сплава может быть далее подразделен и охарактеризован его основным легирующим элементом. Это можно сделать, присвоив каждому типу сплава четырехзначный номер, чтобы помочь его классифицировать, где первая цифра определяет общий класс (или серию).

1. Коммерчески чистый алюминий: сплавы , состоящие из алюминия чистотой 99% или выше. ⁴

• Серия 1xxx: отличается отличной коррозионной стойкостью, отличной обрабатываемостью, а также высокой тепло- и электропроводностью. Эта серия обычно используется для линий электропередачи, которые соединяют национальные сети в США.0198

2. Термообрабатываемый алюминий:  сплавы, которые упрочняются в процессе экстремального нагрева и охлаждения. Сплавы нагревают до определенных точек, чтобы равномерно распределить элементы внутри, а затем закаливают (быстро охлаждают), чтобы заморозить их на месте.

• Серия 2xxx: В качестве основного легирующего элемента используется медь. Эти сплавы обладают хорошим сочетанием высокой прочности и ударной вязкости. Часто используются для производства самолетов.
Серия
• 6xxx: Основными легирующими элементами являются кремний и магний. Эти сплавы универсальны, термообрабатываемы, формуемы, свариваемы, прочны и коррозионностойки. Часто используются для автомобильного производства.
Серия
• 7xxx: цинк используется в качестве основного легирующего элемента с небольшими количествами магния, меди или хрома для повышения прочности. Эти сплавы поддаются термообработке и обладают очень высокой прочностью. Часто используются в коммерческой авиаиндустрии.

3. Нетермообрабатываемый алюминий: сплавы , которые упрочняются с помощью процесса, известного как холодная обработка. Этот процесс происходит путем «обработки» металла на этапах его прокатки или ковки и создания дислокаций в атомной структуре металла для увеличения его прочности. ⁵

• Серия 3xxx: марганец является основным легирующим элементом, часто с добавлением небольшого количества магния. Эти сплавы обладают умеренной прочностью и хорошей обрабатываемостью. Часто используются для алюминиевых банок для напитков и кухонной утвари.
• Серия 4xxx: кремний является основным легирующим элементом. Эти сплавы имеют более низкие температуры плавления, не вызывая хрупкости. Часто используются для сварки проволоки и конструкционных приложений.
• Серия 5xxx: Магний является основным легирующим элементом. Эти сплавы обладают прочностью от умеренной до высокой, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью в водной среде. Часто используются в строительстве зданий и морских приложений.

Зачем использовать алюминий?

К настоящему моменту у вас должно быть четкое представление о том, что такое алюминий и как он производится, но здесь возникает большой вопрос: почему мы его используем?

Алюминий широко распространен, недорог, легок, пластичен, долговечен, податлив, электропроводен, и этот список можно продолжить. Одной из самых больших характеристик, которая отличает алюминий, является его изменчивость.

Никакой другой металл не может сравниться с алюминием, когда речь заходит о разнообразии его применения в сплаве с другими элементами. Кроме того, алюминий подлежит вторичной переработке в течение неограниченного времени и является одним из немногих материалов в мире, который окупает стоимость собственного сбора.

Сочетание экологичности и универсальности делает алюминий не только одним из самых важных металлов в мире, но и одним из наиболее часто используемых в бесчисленных отраслях промышленности.