Кратко о производстве первичного алюминия

Транспорт

Алюминий в легковых автомобилях

Средняя масса алюминия в легковых автомобилях в Европе в 2006 составляла около 118 кг и продолжала увеличиваться. Его доля в различных компонентах и деталях автомобилей составляет (в килограммах на один автомобиль):

• блоки цилиндров двигателей: 40,3
• трансмиссия: 16,3
• шасси, подвеска и управление: 12,5
• колеса: 17,7
• теплообменник: 12,3
• тормоза: 3,7
• кузов: 6,8
• тепловые экраны: 1,4
• бамперы: 2,8
• другие компоненты: 3,9.

Алюминиевый блок цилиндров автомобиля

Алюминиевый автомобильный колесный диск

Применение алюминия для изготовления автомобильных деталей обусловлено следующими его свойствами:

• низкая плотность;
• прочность;
• жесткость;
• вязкость;
• стоимость;
• коррозионная стойкость.

Алюминиевая рама автомобиля

Алюминиевые сплавы для грузовых автомобилей

Алюминиевые сплавы для автомобильных цистерн

Производство алюминиевых автомобильных цистерн

Алюминиевые сплавы для кузовов самосвалов

Производство алюминиевых кузовов самосвалов

Алюминиевые сплавы для автомобильных фургонов

Алюминиевые сплавы для шасси грузовых автомобилей

Алюминий в вагоностроении

Конструкция высокоскоростного поезда Intercity Express
из прессованных алюминиевых профилей – Германия, 1992

Алюминиевый вагон городского рельсового транспорта

Грузовой алюминиевый вагон для перевозки угля

Алюминевый патрульный катер

Круизный лайнер с алюминиевой надстройкой

Алюминиевая яхта-катамаран

Алюминиевые сплавы для самолетов

Первый самолет братьев Райт в 1903 году был в основном деревянным с алюминиевым двигателем.

Среди алюминиевых сплавов, которые применяют в самолетостроении  доминируют высокопрочные деформируемые сплавы, такие как, сплав 2024 (содержащий медь и магний) и сплав 7075 (содержащий магний, цинк и немного меди). Большинство алюминиевых сплавов, которые применяются в самолетостроении, являются несвариваемыми и их соединяют в основном заклепками.

На рисунках ниже  показано применение сплавов серии 2ххх для изготовления фюзеляжа самолета и сплавов серии 7ххх – для крыльев.

(a)

(б)

Применение алюминиевых сплавов в самолетостроении:
а – сплавы серии 7ххх для фюзеляжа и б – сплавы серии 2ххх для крыльев .

Аэробус А380

Основные требования к алюминиевым сплавам в аэрокосмической промышленности:

• низкая плотность;
• высокая прочность;
• точность механической обработки;
• коррозионная стойкость;
• стоимость.

Разработка месторождений алюминиевых руд в России

В нашей стране есть несколько богатых залежей алюминиевых руд, сосредоточенных на Урале, и в Ленинградской области. Но, основным способом добычи бокситов у нас, является более трудоемкий закрытый шахтный метод, которым извлекают около 80% от общей массы руд в России.

Лидеры по разработке месторождений – акционерное общество «Севуралбокситруда», АО Бакситогорский глинозем, Южно-Уральские бокситовые рудники. Однако их запасы исчерпываются. Вследствие чего России приходится импортировать около 3 млн. тонн глинозема в год.

В общей сложности на территории страны разведано 44 месторождения различных алюминиевых руд (бокситов, нефелинов), которых по оценкам, должно хватить на 240 лет, при такой интенсивности добычи как сегодня.

Импорт глинозема обусловлен низким качеством руды в залежах, например, на месторождении Красная Шапочка добывают боксит с 50% глиноземным составом, тогда как в Италии извлекают породу с 64% оксида алюминия, а в Китае 61%.

Физические свойства

Алюминий не имеет каких-либо уникальных физических свойств, но их сочетание делает металл одним из самых широко востребованных.

Твердость чистого алюминия по шкале Мооса равняется трем, что значительно ниже, чем у большинства металлов. Данный факт является практически единственным препятствием для использования чистого металла.

Если внимательно рассмотреть таблицу физических свойств алюминия, то можно выделить такие качества, как:

• Малую плотность (2.7 г/см3);
• Высокую пластичность;
• Низкое удельное электрическое сопротивление (0,027 Ом·мм2/м);
• Высокую теплопроводность (203.5 Вт/(м·К));
• Высокую светоотражательная способность;
• Низкую температуру плавления (660°С).

Такие физические свойства алюминия, как высокая пластичность, низкая температура плавления, отличные литейные качества, позволяют использовать данный металл в чистом виде и в составе сплавов на его основе для производства изделий любой самой сложной конфигурации.

Вместе с этим, это один из немногих металлов, хрупкость которого не возрастает при охлаждении до сверхнизких температур. Данное свойство определило одну из областей применения в конструктивных элементах криогенной техники и аппаратуры.

Детали из алюминия

Существенно более высокую прочность, сравнимую с прочностью некоторых сортов стали, имеют сплавы на основе алюминия. Наибольшее распространение получили сплавы с добавлением магния, меди и марганца – дюралюминиевые сплавы и с добавлением кремния – силумины. Первая группа отличается высокой прочностью, а последняя одними из самых лучших литейных качеств.

Невысокая температура плавления снижает затраты на производство и себестоимость технологических процессов при производстве конструкционных материалов на основе алюминия и его сплавов.

Для изготовления зеркал используется такое качество, как высокий коэффициент отражения, сравнимый с показателем серебра, легкость и технологичность вакуумного напыления алюминиевых пленок на различные несущие поверхности (пластики, металл, стекло).

https://youtube.com/watch?v=IMf_Q5np_BM

При плавке алюминия и выполнения литья особое внимание обращается на способность расплава поглощать водород. Не оказывая действий на химическом уровне, водород способствует уменьшению плотности и прочности за счет образования микроскопических пор при застывании расплава

Благодаря низкой плотности и малому электрическому сопротивлению (ненамного выше меди), провода из чистого алюминия находят преимущественное применение при передаче электроэнергии в линиях электропередач, всего диапазона токов и напряжений в электротехнике, как альтернатива медным силовым и обмоточным проводам. Сопротивление меди несколько меньше, поэтому провода из алюминия необходимо использовать большего сечения, но итоговая масса изделия и его себестоимость оказываются в несколько раз меньше. Ограничением служит только несколько меньшая прочность алюминия и высокая сопротивляемость пайке из-за пленки окислов на поверхности. Большую роль играет наличие сильного электрохимического потенциала при контакте с таким металлом, как медь. В результате, в месте механического контакта меди и алюминия образуется прочная пленка окисла, имеющего высокое электрическое сопротивление. Это явление приводит к нагреву места соединения вплоть до расплавления проводников. Существуют жесткие ограничения и рекомендации по применению алюминия в электротехнике.

Алюминий в строительстве

Высокая пластичность позволяет изготавливать тонкую фольгу, которая используется в производстве конденсаторов высокой емкости.

Легкость алюминия и его сплавов стали основополагающими при использовании в авиакосмической отрасли при изготовлении большинства элементов конструкции летательных аппаратов: от несущих конструкций, до элементов обшивки, корпусов приборов и оборудования.

Зарождение производства

Датский физик Эрстед выделил первым алюминий в свободном виде в 1825 году. Химическая реакция проходила с хлоридом алюминия и амальгамой калия, вместо которой спустя два года немецкий химик Велер использовал металлический калий.

Калий – материал достаточно дорогой, поэтому в промышленном производстве алюминия француз Сент-Клер Девиль вместо калия в 1854 году использовал натрий, элемент значительно более дешевый, и стойкий двойной хлорид алюминия и натрия.

Русский ученый Н. Н. Бекетов смог вытеснить алюминий из расплавленного криолита магнием. В конце восьмидесятых годов того же века эту химическую реакцию использовали немцы на первом алюминиевом заводе. Во второй половине XVIII века было получено около химическими способами 20 т чистого металла. Это был очень дорогой алюминий.

Производство алюминия с помощью электролиза зародилось в 1886 году, когда одновременно были поданы практически одинаковые патентные заявки основоположниками этого способа американским ученым Холлом и французом Эру. Они предложили растворять глинозем в расплавленном криолите, а затем электролизом получать алюминий.

С этого и началась алюминие­вая промышленность, ставшая за более чем вековую историю одной из самых крупных отраслей металлургии.

Некоторые свойства

Механические свойства

Технология изготовления алюминиевого изделия определяет не только его форму, но также и микроструктуру его материала. В свою очередь, микроструктура определяет  свойства изделия.

Некоторые свойства алюминия незначительно зависят от химического состава и технологии изготовления. Примерами таких характеристик являются:

• модуль Юнга (70 ГПа),
• плотность (2700 кг/м3) и
• коэффициент линейного термического расширения (24×10-6 м/(м·К).

Большинство других свойств очень чувствительны к микроструктуре материала и химическому составу. Эти свойства естественным образом делятся на четыре категории:

• прочность, пластичность и формуемость – объемные свойства;
• усталостная прочность и вязкость разрушения – локальные свойства;
• стойкость к высоким температурам и сопротивление ползучести – термомеханические свойства;
• коррозионная стойкость, сопротивление износу и качество поверхности – поверхностные свойства.

Химический состав сплава, способ формования изделия (литье, горячая прокатка, холодная прокатка, прессование, ковка) и термическая обработка все вместе определяют микроструктуру, а от микроструктуры, в свою очередь, зависят указанные выше свойства.

Конструктор алюминиевого изделия или детали должен быть знаком с закономерностями этих зависимостей. Он должен рассматривать микроструктуру материала изделия как важную часть проектирования. Это даст ему возможность «заказывать» у металлургов самый подходящий алюминиевый сплав с оптимальной микроструктурой.

Таблица 1 – Плотность и модуль упругости различных промышленных металлов

Таблица 2 – Сравнение физических свойств деформируемых алюминиевых сплавов
с соответствующими свойствами чистого алюминия 99,99 %
(в квадратных скобках – цифровые обозначения сплавов)

Температура плавления

Температура плавления алюминия очень чувствительна к его чистоте. Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996 % составляет 660,37 °С. При содержании алюминия 99,5 %  плавление начинается при температуре 657 °С, а при содержании алюминия 99,0 % — при 643 °С.

Коррозия алюминия

Алюминий сопротивляется коррозии в виде постоянного окисления, которое у сталей называют ржавлением. Свежая алюминиевая поверхности мгновенно реагирует с кислородом и образует алюминиевом изделии прочную инертную пленку толщиной всего в несколько нанометров. Эта пленка блокирует дальнейшее окисление алюминия. Кроме того, в отличие от слоя ржавчины на стали, эта пленка не отслаивается хлопьями с обнажением свежей поверхности для окисления. Напротив, любая царапина на алюминий мгновенно залечивается сама собой.

Страны лидеры по экспорту и импорту алюминия

Как я уже писал алюминий сегодня применяется в многих отраслях промышленности, в связи с этим развита не только его выплавка, но и торговля. Страны по всему миру активно экспортируют и импортирует алюминий для своих собственных нужд.

Так крупнейшим экспортером алюминия в мире на начало 2020 года является Канада. В долларовом эквиваленте Канада экспортировала алюминия на сумму более 5.3 млрд долларов. Также в пятерку крупнейших экспортеров алюминия в мире входят Нидерланды, ОАЭ, Россия и Индия. Полный список стран по экспорту алюминия вы можете увидеть в таблице ниже.

Крупнейшими импортерами алюминия в мире являются (в скобках указана доля от мирового импорта):

1. США (12.6%)
2. Германия (9.1%)
3. Япония (4.5%)
4. Нидерланды (4.5%)
5. Франция (3.9%)
6. Мексика (3.9%)
7. Италия (3.6%)
8. Южная Корея (3.6%)
9. Китай (3.3%)
10. Великобритания (2.9%)

3.1. Электротермическое получение алюминиево-кремниевых сплавов.

Получить чистый алюминий непосредственным восстановлением его оксида невозможно . Карботермические процессы требуют высоких температур (около 2000°С) для восстановления глинозема и при отсутствии сплавообразующих компонентов металл связывается с углеродом, давая карбид алюминия (А1₄
С₃
). Известно, что карбид алюминия и алюминий растворимы друг в друге и образуют весьма тугоплавкие смеси. Кроме того, А1₄
С₃
растворяется в А1₂
О₃
, поэтому врезультате восстановления оксида алюминия углеродом получаются смеси алюминия, карбида и оксида, имеющие высокие температуры плавления. Выпустить такую массу из печи обыч­но не представляется возможным. Даже если это и удается сделать, потребуются большие затраты на разделение.

В нашей стране впервые в мире разработан и осуществлен в промышленном масштабе с достаточно высокими технико-экономическими показателями способ получения силикоалюминия (алюминиево-кремниевых сплавов).

Общая технологическая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов представлена на рис. 3.1. В качестве исходного сырья, кроме каолинов (Al₂
O₃
×2SiO₂
×2H₂
O), могут быть использованы кианиты (Al₂
O₃
×SiO₂
), дистенсиллиманиты (Al₂
O₃
×SiO₂
) и низкожелезистые бокситы.

Сплав после электроплавки поступает на очистку от неметаллических примесей. Для этого подают флюс, состоящий из смеси криолита и хлорида натрия, который смачивает эти примеси и «собирает» их. Рафинированный силикоалюминий имеет средний состав (%): А1 – 61; Si – 36; Fe – 1,7; Ti – 0,6; Zr – 0,5; Ca – 0,7. Этот сплав не годится для производ­ства силумина и требует очистки от железа. Наиболее распространен способ очистки марганцем, который образует с желе­зом тугоплавкие интерметаллиды.

Рис. 3.1. Общая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов.

Полученный сплав разбавляют техническим электролитическим алюминием или вторичным алюминием до состава, отвечающего различным сортам силуминов, и разливают в слитки.

Преимущества такого способа получения силумина перед сплавлением электролитического алюминия с кристаллическим кремнием состоят в следующем: большая мощность единичного агрегата – современные печи имеют мощность 22,5 MB×A, что примерно в 30 раз выше мощности электролизера на 160 кА, а, следовательно, уменьшение грузопотоков, снижение капитальных затрат и затрат труда; применение сырья с низким кремниевым модулем, запасы которого в природе достаточно велики.

Теоретически из алюминиево-кремниевого сплава можно выделить различными приемами чистый алюминий. Однако из-за сложности аппаратурного и технологического оформления в промышленности эти способы в настоящее время не реализуются.

Запасы и производство бокситов и другого алюминиесодержащего сырья

В мире основным сырьем для
производства алюминия служат бокситы,
содержащие от 32 до 60% глинозема (оксид алюминия
Al2O3). К важным алюминиевым рудам относят также
алуниты и нефелины.

Крупнейшие производители
промышленных бокситов — страны, в которых
сосредоточены основные запасы. Так, в 1998 г. в
Австралии было добыто 45 млн т, в Гвинее — 16,5 млн т
и в Бразилии — 12,5 млн т, что составило 59% от
мировой добычи (около 125 млн т)3.

По мировым меркам, Россия обладает
незначительными запасами промышленных бокситов
— около 400 млн т, что составляет менее 0,7% мировых
запасов. При этом большинство отечественных
месторождений на сегодняшний день уже в
значительной степени выработаны. Кроме того,
российские месторождения содержат в основном не
бокситы, а нефелины4, а они — худшее сырье
для производства глинозема. Да и значительная
часть запасов российских бокситов со
сравнительно небольшим содержанием алюминия, по
западным меркам, не относится к категории
промышленных.

Крупнейший производитель
алюминиесодержащего сырья в России — Северо-Уральские
бокситовые рудники 5. Они до последнего
времени обеспечивали Россию лучшим сырьем при
достаточно высоком уровне добычи (табл. 1).
Основные запасы рудников находятся в районе
Североуральска на глубине более полукилометра. В
настоящее время старые шахты практически
выработаны. Бокситы добываются с глубины 700—800 м
и имеют очень высокую себестоимость.

Близки к исчерпанию и месторождения
Южно-Уральской и Тихвинской групп.

Ввиду слабости собственной сырьевой
базы российские производители алюминия в
значительной мере ориентируются на привозной
глинозем. Но уповать на стабильность поставок
глинозема из-за рубежа не приходится.
Традиционные поставщики глинозема в Россию —
Украина и Казахстан — намерены расширять
собственные производства алюминия и,
следовательно, у них будет меньше «свободного»
сырья для экспорта в Россию. Аналогичная
ситуация и в дальнем зарубежье: Австралия,
крупнейший в мире экспортер бокситов, тоже
постепенно увеличивает собственное
производство алюминия, сокращая тем самым
возможности поставки сырья на мировой рынок.

В условиях, когда растущий экспорт
алюминия из России вызывает недовольство
западных конкурентов, некоторые из них могут
предпринять (и предпринимают) меры, направленные
на сокращение производства на российских
заводах. Они, в частности, могут воздействовать
на российских производителей путем ограничения
экспорта сырья в Россию. Осуществить такое
ограничение вполне реально, имея в виду, что
рынок глинозема весьма высоко монополизирован.
Одна только американская корпорация Alcoa
производит почти 13 млн т глинозема (четверть
мирового выпуска), а контролирует чуть ли не
половину

В условиях, когда российская
алюминиевая промышленность импортирует почти 2/3
необходимого ей сырья, проблема
ресурсозависимости становится чрезвычайно
важной

Одним из решений задачи обеспечения
ресурсами российских производителей алюминия
является разработка новых отечественных
месторождений. Наиболее перспективно на
сегодняшний день Средне-Тиманское
месторождение низкокачественных бокситов в
Республике Коми6. Общие запасы на Тимане, по
различным оценкам, составляют от 260 до 360 млн т.
Одним из достоинств месторождения является то,
что его разработку можно вести открытым
способом, а это снижает себестоимость добычи на
15—20% по сравнению с шахтными разработками.
Главным препятствием для освоения месторождения
является полное отсутствие инфраструктуры. Так,
кроме обустройства самого рудника, необходимо
построить авто- и железную7 дороги. В
настоящее время главными сторонниками освоения
Тимана являются руководители Свердловской обл.,
где находятся основные потребители бокситов
(Богословский и Уральский алюминиевые заводы8
с суммарным годовым выпуском в 230 тыс. т алюминия),
и Республики Коми, на территории которой
расположено месторождение. По их мнению, ввод в
строй только первой очереди нового рудника
позволит добывать 3 млн т бокситов в год, которых
заводам хватит для производства 1,2 млн т
глинозема (600 тыс. т алюминия).

Между тем очевидно, что разработка
одного Средне-Тиманского месторождения не решит
проблему обеспечения отечественным глиноземом
всех российских производителей. Ныне в России
добывается около 8,5 млн т бокситов и нефелинов в
год, что обеспечивает производство около 2,4 млн т
глинозема. Для выпуска 3 млн т алюминия
необходимо обеспечить добычу еще по меньшей мере
12 млн т промышленных бокситов, а также построить
соответствующие производства глинозема. Таким
образом, в ближайшее время импорт бокситов и
глинозема неизбежен.

Бокситовая руда – основа мирового производства алюминия

Непосредственно сам серебристый металл получают из глинозема. Это сырье представляет собой оксид алюминия (Аl2О3), получаемый с руд:

• Бокситов;
• Алунитов;
• Нефелиновых сиенитов.

Самый распространенный источник получения исходного материала это бокситы, их и считают основной алюминиевой рудой.

Несмотря на уже более чем 130 летнюю историю открытия, понять происхождение алюминиевой руды до сих пор не удалось. Возможно, что попросту в каждом регионе сырье образовалось под воздействием определенных условий. И это создает затруднения, чтобы вывести одну универсальную теорию об образовании бокситов. Основных гипотез происхождения алюминиевого сырья три:

1. Они образовались вследствие растворения некоторых типов известняков, как остаточный продукт.
2. Боксит получился в результате выветривания древних пород с дальнейшим их переносом и отложением.
3. Руда является результатом химических процессов разложения железных, алюминиевых и титановых солей, и выпала как осадок.

Однако, алунитовые и нефелиновые руды образовывались в отличных условиях от бокситов. Первые формировались в условиях активной гидротермальной и вулканической деятельности. Вторые — при высоких температурах магмы.

Алюминиевая руда

Как результат, алуниты, в основном, имеют рассыпчатую пористую структуру. В их составе имеется до 40% различных оксидных соединений алюминия. Но, кроме собственно самой алюмниеносной руды в залежах, как правило, имеются добавки, что влияет на рентабельность их добычи. Считается выгодным разрабатывать месторождение при 50-ти процентном соотношении алунитов к добавкам.

Нефелины обычно представлены кристаллическими образцами, которые кроме алюминиевого оксида содержат добавки в виде различных примесей. Зависимо от состава, такой тип руды классифицируют по типам. Самые богатые имеют в своем составе до 90% нефелинов, второсортные 40-50%, если минералы беднее этих показателей, то не считается нужным вести их разработку.

Имея представления, о происхождении полезных ископаемых, геологическая разведка может довольно точно определить места нахождения залежей алюминиевых руд. Также условия формирования, влияющие на состав и структуру минералов, определяют способы добычи. Если месторождение считается рентабельным, налаживают его разработку.

История

Рост производства алюминия в XX веке

Принцип работы электролизной ванны по выплавке алюминия

В 1854 году французским учёным Анри Этьеном Сент-Клер Девилем (Sainte-Claire Deville), был открыт способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl₃. За 36 лет его применения, с 1855 по 1890 гг., способом Сент-Клер Девиля было получено 200 т металлического алюминия.

Рост производства был особенно быстрым во время и после Второй мировой войны. Производство первичного алюминия (без учёта производства Советского Союза) составляло только 620 тыс. т в 1939 году. В 1943 году оно возросло до 1,9 млн т. В 1956 году во всем мире производилось 3,4 млн т первичного алюминия, в 1965 году мировое производство алюминия составило 5,4 млн т, в 1980 — 16,1 млн т, а в 1990 — 18 млн т. Производство алюминия в мире в 2007 году составило 37,41 млн тонн (по данным Международного института алюминия (International Aluminium Institute, IAI) и продолжает развиваться очень большими темпами.
Применяются Технология Содерберга и другие технологии.

Структура алюминиевой промышленности

Алюминиевая промышленность охватывает следующие основные производства,

• добычу алюминиевых руд;
• производство глинозёма (окиси алюминия) из руд или рудных концентратов;
• производство электродов и анодной массы;
• производство фтористых солей (криолита, фторидов алюминия и натрия);
• выплавку металлического алюминия;
• получение полуфабрикатов из алюминия.

Основным природным сырьём для получения глинозёма с целью последующего получения из него алюминия, являются бокситы. Для производства одной тонны металлического алюминия требуется примерно 1930 кг глинозёма, 50 кг фтористых солей, 550 кг угольных электродов (анодной массы или обожжённых анодов) и до 18 000 квт-ч электроэнергии. Алюминиевая промышленность — одна из наиболее энергоёмких отраслей промышленности, поэтому важнейшим условием её развития является наличие мощных источников дешёвой электроэнергии.

Обработка поверхности алюминия

Натуральная металлическая поверхность алюминия является эстетически привлекательной для многих изделий и без дополнительной обработки. Это натуральное защитное оксидное покрытие является прозрачным и его можно сделать толще путем анодирования. Этим достигается дополнительная защита поверхности без ущерба для внешнего вида изделия.

Категории

Алюминий позволяет применять большое количество способов обработки его поверхности.  Типы обработки поверхности разделяют на четыре широкие категории:

• механические,
• химические,
• электролитические покрытия и
• неэлектролитические покрытия.

Одни из них изменяют ее внешний вид, другие дают поверхности заданные свойства, например, коррозионную стойкость. Механически и химически можно создавать различную текстуру поверхности: от грубой до зеркально гладкой.

Анодирование

Анодирование алюминия дает возможность сделать естественную поверхность матовой или цветной.  Технология анодирования алюминия включает применение различных электролитов и электрических параметров — напряжения и силы тока (рисунок 9).

Рисунок 9 – Принцип анодирования алюминия

Окраска

Для алюминия широко применяют различные методы окраски: от нанесения «мокрой» краски до порошковой окраски (рисунок 10) и электролитического нанесения покрытий из других металлов.

Рисунок 10 – Вертикальная порошковая окраска алюминиевых профилей

От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.