Производство первичного алюминия и основные направления его потребления. В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al2O3 в расплавленном криолите.
Al2O3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом.
Температура плавления Al2O3 около 2050 оС, а криолита 1100 оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al2O3, содержащую около 10 масс.% Al2O3, которая плавится при 960 оС и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF3 CaF2 и MgF2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 оС. Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом.
Его дно, собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом.
Аноды располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. Al2O3 = Al3+ + AlO33- На катоде выделяется жидкий алюминий: Al3+ + 3е- = Al Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород: 4AlO33 12е- = 2Al2O3 + 3O2 В 1996 г. производство первичного алюминия превысило 19 млн. т. в год и продолжает расти. За последние 100 лет производство алюминия превратилось в мощную отрасль мирового хозяйства и развитие многих современных отраслей науки и техники (авиация и транспорт, атомная техника, упаковка пищевых продуктов, индустриализация строительства) вообще было бы невозможно без широкого применения алюминия.
Доминирующую часть суммарного мирового производства алюминия (около 83 %) составляют деформированные сплавы, в том числе не изготовление листов потребления около 43 %, прессованных полуфабрикатов - более 18%, а на производство проволоки и фольги - 7%. Кроме того, около 15% первичного алюминия идет на фасонное литье и около 1% расходуется на производство порошков и пудры. Сочетания уникальных свойств алюминия - малая плотность, низкое электрическое и тепловое сопротивление, высокая пластичность, коррозийная стойкость, высокая механическая прочность обеспечивает широкое применение как чистого металла, так и сплавов на его основе.
Чистый алюминий благодаря своей пластичности нашел применение в производстве фольги, широко используемой для производства электролитических конденсаторов и упаковочных материалов для пищевых продуктов (чай, молочные продукты, кондитерские изделия). Благодаря дешевизне и высокой проводимости алюминий практически полностью вытеснил медь из производства проводниковой продукции (установочные и обмоточные провода, кабели, шинопроводы и пр.). Однако подавляющее количество алюминия используется в виде сплавов, которые обладают высокими механическими свойствами и в зависимости от применения делятся на две большие группы - деформируемые (около 80% от общего объема производства сплавов) и литейные (около 20%). Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением, поэтому они должны обладать высокой пластичностью.
Из деформируемых сплавов широкое применение нашли дуралюмины — сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем.
Имея небольшую плотность, дуралюмины по механическим свойствам близки к мягким сортам стали. Из деформируемых алюминиевых сплавов, а также из чистого алюминия в результате обработки давлением (прокатка, штамповка) получают листы, полосы, фольгу, проволоку, стержни различного профиля, трубы.
Расход алюминия на изготовление этих полуфабрикатов составляет около 70 % его мирового производства. Остальной алюминий применяется для изготовления литейных сплавов, порошков, раскислителей, а также для других целей. Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации. Широко известны литейные сплавы на основе алюминия—силумины, в которых основной легирующей добавкой служит кремний (до 13%). В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники.
Важнейшие потребители алюминия и его сплавов—авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.
Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь — воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной (“мертвой”) массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали. Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготовляют корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы.
Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов. Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов.
Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и храпения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике. Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники — ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия различных химических веществ и атмосферной коррозии.
Высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из пего отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал. В металлургической промышленности алюминий используют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома, кальция, марганца) алюмотермическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей.
Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. В Канаде, например, расход алюминия для этих целей составляет около 30 % от общего потребления, в США— более 20 %. По масштабам производства и значению в народном хозяйстве алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов. 2.