Плавки алюминия технология: Технология плавки алюминиевых сплавов

alexxlab | 04.03.2023 | 0 | Разное

Технологические особенности плавки цветных металлов и сплавов в электропечах :: Технология металлов

 

Плавка алюминия

Алюминий и его сплавы применяются практически во всех отраслях промышленности, а также при производстве предметов домашнего обихода.

При комнатной температуре алюминий покрывается тонкой пленкой окиси (А1₂O₃), которая надежно предохраняет его от дальнейшего окисления. Скорость окисления алюминия с повышением температуры резко возрастает. Поэтому при плавке алюминия и его сплавов в плавильных печах поверхности расплавляемых кусков и зеркало ванны быстро покрываются слоем окиси.

Температура плавления окиси алюминия (2050° С) примерно в три раза выше температуры плавления металлического алюминия (660°С), а плотность окиси (3,9 г/см³) примерно в 1,5 раза больше плотности жидкого алюминия (2,7 г/см³).

Поэтому окись алюминия находится в ванне печи во взвешенном состоянии. Наличие окислов и карбидов резко ухудшает литейные свойства сплавов, а также снижает их антикоррозионные качества. Отливки, получаемые под давлением, часто имеют тонкие стенки, а окислы и карбиды закупоривают проходы и прекращают доступ жидкого сплава в узкие полости формы, вызывая литейный брак.

Металлические примеси в сплаве главным образом влияют на механические свойства изделий.

В настоящее время плавка алюминия проводится преимущественно в пламенных отражательных печах, работающих на углеродистом топливе, и в электрических печах. Естественно, качественные и экономические показатели при этом получаются не одинаковые.

При плавке алюминия в отражательных пламенных печах и в камерных электропечах сопротивления нагрев отдельных кусков садки начинается в зоне наиболее высоких температур, т. е. сверху. При этом поверхность садки быстро окисляется и поглощает значительное количество газов.

В тигельных индукционных электропечах для плавки алюминия при отсутствии «болота» (слоя жидкого металла, оставленного в тигле от предыдущей плавки) быстрому нагреву подвергается слой садки, расположенный возле внутренних боковых стенок тигля.

Таким образом, в начальный период плавки, когда отдельные куски шихты еще не покрыты жидким металлом, они свободно соприкасаются с воздухом и подвергаются окислению, но в значительно меньшей степени, чем в пламенных отражательных или в камерных электропечах сопротивления.

Индукционные канальные электропечи со стальным сердечником при плавке алюминия и его сплавов имеют ряд ценных преимуществ, основные из которых перечислены ниже.

В канальной индукционной электропечи расплавление кусков алюминия происходит в зоне максимальных температур под слоем жидкого металла, поверхность которого закрыта пленкой окиси алюминия.

Зона максимальных температур в канальных электропечах находится в узком канале и в прилегающих к нему участках шихты.

Температура металла па поверхности шахты всегда имеет минимальное значение, в результате чего готовые отливки, получаемые из канальных электропечей, содержат меньшее количество окислов, чем отливки, полученные в печах других типов. Этим же преимуществом обладают тигельные индукционные электропечи, в которых по технологическим требованиям в тигле после каждой плавки оставляют часть жидкого металла 20—35% от емкости тигля печи.

Жидкий алюминий и его сплавы обладают способностью поглощать газы и особенно водород. В пламенных печах большое количество водорода находится в топочных газах. Кроме того, в плавильные печи всех типов он может быть занесен сырой шихтой.

Вода при высокой температуре и при наличии жидкого алюминия распадается на кислород и водород. кислород вступает во взаимодействие с алюминием по реакции

3Н₂О + 2Аl → Аl₂O₃ + 3Н₂

Выделившийся при этом водород поглощается сплавом, влияние энергоносителя и конструкции плавильной печи на степень насыщения алюминиевых сплавов водородом показано ниже:

( Объем водорода на 100 г металла см³)

Газовый горн (плавка без флюса)  ……….2,5

Газовый горн (плавка под флюсом) ………1,05

Отражательная печь на газообразном топливе. ……….2,5—3

Отражательная печь на мазуте …….3—4

Электропечь сопротивления  ……..1,05

Электропечь  канальная   индукционная    …………0,13

Электромиксер………0,12

Жидкий алюминий хорошо растворяет многие металлы и, в частности железо, образуя хрупкие соединения FeAl₂ и Fe₂Al₇, снижающие качество отливок.

Влияние времени выдержки жидкого алюминия в металлическом тигле на насыщение его железом показано ниже:

Время выдержки, Содержание железа,

мин                                            %

25                                             1,75

35                                             1,90

40                                             1,97

45                                              2,01

65                                              2,30

100                                            2,50

Плавка алюминия в канальных электропечах не лишена технологических недостатков. Образовавшаяся на поверхности жидкого металла пленка окиси, не смоченная жидким металлом, в результате сил поверхностного натяжения и сцепления пленки с футеровкой шахты, плотно закрывает зеркало ванны.

Однако если целостность пленки нарушить, то оголенные участки жидкого металла быстро окислятся, а изломанные куски пленки начнут оседать на дно ванны. При интенсивной циркуляции жидкого металла в печи куски окиси затягиваются в каналы и, оседая на его стенках, уменьшают его рабочее сечение. В практике это явление называется зарастанием канала.

Полностью избавиться от зарастания каналов в индукционных канальных печах практически невозможно, так как нарушение поверхностной пленки окиси может быть вызвано причинами, не зависящими от конструкции печи (отдельных ее узлов) и от технологических режимов.

Необходимо отметить, что очистка каналов связана с большими технологическими трудностями. Работа по очистке каналов чрезвычайно сложная и тяжелая, она влечет за собой вынужденные простои и уменьшение производительности печи, сокращение срока службы футеровки и загрязнение металла окислами.

Нормальная Работа канальной электропечи возможна только при условии, что в ней всегда будет оставаться некоторое количество (до 35% от полной емкости печи) жидкого металла.

В тех случаях, когда по технологическим требованиям необходимо изменить химический состав расплавляемого сплава, печь должна быть полностью освобождена от ранее выплавляемого сплава и залита жидким сплавом нужного химического состава. Это в значительной степени ограничивает производственные возможности электропечи и снижает ее экономические показатели.

Наиболее экономически эффективно эксплуатируются канальные электропечи при круглосуточной работе, выплавляя однородные сплавы, замена которых не требует полного освобождения электропечи от жидкого металла.

Тигельные электропечи для плавки алюминия этих недостатков практически не имеют, но они имеют худший к. п. д. и коэффициент мощности.

 

Плавка магния

Магний принадлежит к группе легких металлов. В чистом виде он очень активен. Металлический магний в виде порошка или тонкой ленты быстро окисляется горит)  па воздухе даже при комнатной температуре. : машиностроении магний используется в специальных сплавах.

Обычно магний и его сплавы выплавляются в тигельных или отражательных печах под слоем флюса, так ак обнаженный жидкий металл мгновенно воспламеняется.

Тигельные печи предпочтительнее, чем отражательные, потому что в них топочные газы не могут соприкасаться с флюсами, находящимися на поверхности жидкого магния. Для плавки магния и его сплавов в тигельныхпечах рекомендуются стальные тигли, так как они не вступают в химические соединения ни с магнием ни с его флюсами. Графитовые тигли обогащают металл углеродом, а набивные из огнеупорных материалов вступают в химические соединения с флюсами.

Из сказанного следует, что тепловая энергия, необходимая для расплавления и особенно для перегрева жидкого металла, должна передаваться металлу с максимально возможной скоростью, и металл в тигле должен находиться в спокойном состоянии.

Полностью удовлетворяют этим условиям только тигельные индукционные печи промышленной частоты. Электрическая энергия в тигельных индукционных печах превращается в тепловую, главным образом в стальном тигле. Поэтому установки с тигельными индукционными печами имеют очень высокий к. п. д., до 85%, в то время как к. п. д. тигельных электропечей сопротивления колеблется в пределах 40—70%, а у тигельных мазутных печей он не превышает 10%.

Скорость нагрева садки в тигельных индукционных печах теоретически может быть очень большой, поэтому эти печи имеют большую производительность. Так, че-тырсхтонаня индукционная тигельная печь типа ИГТ-7 отечественного производства может при круглосуточной работе выдать до 60 т магниевого сплава.

В настоящее время для плавки магниевых сплавов изготавливают тигельные индукционные печи промышленной частоты емкостью до 16 г.

Плавка магния и его сплавов в тигельных печах сопротивления и в индукционных канальных электропечах в настоящее время почти не осуществляется, так как печи сопротивления имеют очень небольшую Скорость нагрева, а в канальных электропечах быстрее зарастают узкие каналы.

 

Плавка цинка

Цинк и его сплавы широко применяются как защитные покровы других легкоокисляющихся металлов и для изготовления архитектурных сооружений. Характерной особенностью цинка является его низкая температура кипения 916° С. Испарение цинка начинается при более низких температурах. Индукционные электропечи со стальным сердечником и с закрытыми каналами являются наилучшими печами для плавки цинка, так как только в канальных индукционных электропечах температура жидкого металла достигает своего максимального значения внутри печи (в узких каналах), где и происходит Испарение цинка. Но пары цинка, выходя из каналов, попадают в зону более низких температур, где происходит их конденсация. Этим и объясняется тот факт, что при плавке цинка и его сплавов в канальных индукционных электропечах выход металла составляет примерно 98,5%, тогда как в пламенных отражательных печах он не всегда достигает 94%.

Другой особенностью цинка является то, что его пары имеют значительное давление, благодаря чему они проникают в поры некоторых футеровочных материалов, где вступают в химическое взаимодействие с металлами, находящимися в футеровке, и разрушают ее. В настоящее время имеются массы для футеровок, лишенных названного выше недостатка. Примером такого состава является масса, содержащая 53% обожженной глины, 35% синей гончарной глины и 12% каолина.

В качестве связующего вещества может быть использован сульфидный щелок.

Пары цинка, кроме того, ядовиты, поэтому печная установка должна иметь хорошую вытяжную вентиляцию.

Наиболее желательными компонентами в цинковых сплавах являются мышьяк, сурьма и железо. Первые два понижают антикоррозионную стойкость, а железо при высоких температурах образует с цинком хрупкое химическое соединение, которое, опускаясь на дно печи, попадает в каналы и засоряет их. Поэтому при плавке цинковых сплавов температуру жидкого металла повышать выше технологически установленной не рекомендуется.

В настоящее время отечественная промышленность серийно иготовляет канальные индукционные электропечи для переплава катодного цинка емкостью 25 и 40 т.

 

Плавка меди

Медь представляет собой тягучий мягкий металл красного цвета, с высокими электро- и теплопроводностью. В технике медь получила широкое распространение как в чистом виде, так и в виде сплавов. На медной основе получают многие сплавы с ценными физическими свойствами, из которых основными являются латунь, бронза, томпак и др.

Основным потребителем как первичной, так и вторичной меди является электротехническая промышленность. Вся производимая отечественной промышленностью медь распределяется примерно так:

на изготовление токопроводящих деталей 50%; на производство сплавов на медной основе —40%; все прочие производства — 10%.

Для получения сплавов на медной основе наибольшее распространение получили индукционные канальные электропечи. В этих печах производятся сплавы, температура разливки которых не превышает 1300— 1400° С, так как физические свойства футеровки ограничивают возможность плавки сплавов, требующих более высоких температур. Для плавки специальных сплавов, имеющих температуру разлива выше 1400° С, используются тигельные индукционные электропечи промышленной и повышенной частоты, а также дуговые печи косвенного нагрева и барабанные электропечи сопротивления. Недостатком дуговых электропечей является несколько повышенный угар металла, вызываемый местным перегревом в зоне электрической дуги. Поэтому дуговые электропечи имеют ограниченное применение.

Для плавки меди и ее сплавов также применяются электропечи сопротивления барабанного типа. Эти электропечи могут быть использованы для плавки других сплавов цветных металлов с температурой плавления до 1500° С.

 

Плавка никеля

Никель отличается высокой антикоррозионной стойкостью и пластичностью при механической обработке. В технике он применяется как в чистом виде, так и в сплавах. Практически в настоящее время применяются никелевые сплавы высокого омического сопротивления. Кроме того, никель расходуется на антикоррозионные и художественные покрытия различных деталей.

Плавку никеля и его сплавов проводят в тигельных и канальных электропечах. При этом особое внимание следует обращать на качество футеровки, так как температура плавления никеля равна 1452° С, а разливка его осуществляется при 1550° С. Канальные электропечи, предназначенные для плавки никеля, должны иметь увеличенное сечение каналов, что объясняется большим удельным электрическим сопротивлением жидкого никеля. Жидкий никель очень интенсивно поглощает газы. Поэтому для получения качественных сплавов никеля с хромом с наименьшим количество углерода рекомендуется плавки проводить в вакуумных тигельных индукционных электропечах.

Однако до настоящего времени большинство сплавов на основе никеля типа Х15Н60, Х20Н80, ЭИ437, применяемых для нагревательных элементов электропечей сопротивления, выплавляется в обычных электродуговых печах с графитовыми электродами.

 

Плавка титана

Титан — металл химически активный и тугоплавкий. Он плавится при 1667° С. С повышением температуры титана его химическая активность резко возрастает. Особенную активность он проявляет после перехода в жидкое состояние.

Жидкий титан хорошо взаимодействует с кислыми, основными и нейтральными огнеупорными материалами, применяемыми в настоящее время в металлургии. Поэтому титан и его сплавы в печах с обычной футеровкой практически получать невозможно. В открытых печах плавить титан нельзя, так как, находясь в жидком состоянии, он быстро окисляется и может полностью сгореть. Даже в вакууме при температуре, близкой к 2000° С, он хорошо взаимодействует с алюминием и углеродом, образуя карбиды титана, которые способствуют понижению пластичности и ухудшению обрабатываемости в холодном состоянии.

В настоящее время жидкий титан для получения фасонных отливок выплавляют только в вакуумных дуговых печах гарниссажного типа с расходуемым электродом.

 

 

Плавка и разливка алюминиевых сплавов

Плавка и разливка алюминиевых сплавов Категория: Литейное производство Плавка и разливка алюминиевых сплавов Для плавки алюминиевых сплавов используют тигельные печи, обогреваемые различными видами топлива, стационарные пламенные и электрические — сопротивления и индукционные. 1. Шихтовые материалы В качестве исходных шихтовых материалов применяют первичные и вторичные металлы и сплавы, оборотные сплавы и лигатуры. Первичный алюминий поставляется по ГОСТ 11069—74 в виде чушек массой 5, 15 и 1000 кг. Для производства алюминиевых сплавов обычно используют алюминий марок А5, А6 и АО, а для изготовления отливок высокоответственного назначения — алюминий особой и высокой чистоты. Вторичные алюминиевые сплавы получают переплавкой и рафинированием лома и отходов. Они поставляются в виде чушек различных марок по ГОСТ 1583—73. Свежие металлы. В состав алюминиевых сплавов входят цинк, магний, кремний, марганец, медь, бериллий, никель, железо, титан и другие элементы. Для алюминиевых сплавов обычно применяют цинк марок Ц1 и Ц2. Магний поставляется по ГОСТ 804—72 в чушках массой 8,0±1 кг. Ввиду большой склонности его к коррозии поверхность чушек подвергается антикоррозионной обработке. Кремний вводят в алюминиевые сплавы в виде чушкового силумина (сплав кремния с алюминием), поставляемого по ГОСТ 1521—76, а марганец —в виде лигатуры алюминий — марганец, содержащей около 10% марганца. Для приготовления лигатур используют марганец марок Mp1, Мр2 и Мр3. Качество отливок в большой степени зависит от тщательности подготовки шихтовых материалов к плавке и способов их хранения. Они должны храниться в сухих крытых помещениях раздельно по маркам сплавов. Оборотный сплав должен очищаться от песка в очистных барабанах. Лигатуры. При плавке алюминиевых сплавов, как правило, применяют двойные лигатуры — сплавы из двух компонентов. Введение лигатур обеспечивает получение сплава с точным содержанием элементов, что особенно важно для сплавов, содержащих магний, так как даже малые добавки его сказываются на свойствах сплавов. 2. Расчет шихты Шихта для приготовления алюминиевых сплавов может состоять из чушкового алюминия, силумина, оборотного металла, лигатур и чистых металлов. Рассмотрим пример расчета шихты для сплава АЛ5 при плавке в тигельной печи. Средний химический состав этого сплава: 5% кремния, 0,4% магния, 1,25% меди, остальное — алюминий. Допустимое содержание железа при заливке в металлические формы не должно превышать 1%. Расчет ведем на 100 кг сплава. Угар принимаем в следующих размерах, в %: кремния—1, магния — 3, меди — 1, алюминия — 1. Для доведения до необходимого количества содержания кремния применяем чушковый силумин (с Si=13%), а магния и меди— алюминиево-магнневую и алюминиево-медную лигатуры. 3. Флюсы, рафинирующие и модифицирующие материалы Для получения высококачественных сплавов осуществляют плавку под флюсом, рафинирование сплава для удаления неметаллических включений, а также модифицирование для получения мелкой структуры и повышения механических свойств. Для рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов часто применяют универсальные флюсы, состоящие из смеси солей и криолита. Универсальные флюсы используются как в жидком, так и в порошкообразном состоянии. 4. Плавка в тигельных печах Плавку алюминиевых сплавов в небольших объемах осуществляют в тигельных печах, работающих на нефти и газе. . Печь состоит из стального кожуха с футеровкой и вставленного в него сверху чугунного тигля. Последний своим широким фланцем крепится к стальному кольцу, перекрывающему шахту сверху, что обеспечивает полную изоляцию расплавленного металла от печных газов. Печь установлена на сварной или литой раме. Поворот ее осуществляется штурвалом. Для увеличения срока службы тиглей и уменьшения насыщения сплавов железом внутреннюю поверхность их рекомендуется окрашивать краской, состоящей из 60% кварцевого песка, 30% огнеупорной глины и 10% жидкого стекла. Рис. 1. Поворотная тигельная печь. 5. Плавка в электрических печах Плавку алюминиевых сплавов производят в электрических печах сопротивления, тигельных и отражательных печах, а также в индукционных. Плавка в электрических отражательных печах. На предприятиях, где алюминиевые сплавы выплавляются в больших объемах, применяют электрические печи САН (печи сопротивления для алюминиевых сплавов, наклоняющиеся) и камерные стационарные. Печь САН (рис. 2) имеет удлиненный металлический корпус, установленный на катках и укрепленный на фундаменте. Корпус изнутри выложен кирпичом. В торцах печи расположены две форкамеры, а в середине — центральная ванна. Свод печи выложен фасонными огнеупорными кирпичами, в гнездах которых уложены нагревательные спирали. Такие же спирали имеются и в форкамерах. Шихту загружают через окна. Она плавится в форкамерах за счет тепла, отраженного от свода и стенок печи, и по наклонным плоскостям стекает в центральную ванну. Слив готового металла из печи осуществляется через лётку при повороте печи на опорных катках с помощью штурвала или электропривода. Плавка в тигельных электрических печах сопротивления. При сравнительно небольших масштабах производства для плавки алюминиевых и магниевых сплавов применяют однотигельные печи сопротивления САТ-0,15 и САТ-0,25, а также двухтигельные печи СЖ.Б-230 и ОКБ-75. Рис. 2. Электрическая печь типа САН. Печи CAT выполнены в виде сварного цилиндрического кожуха, футерованного фасонным легковесношамотным кирпичом, и имеют теплоизоляцию. Нагрев чугунного тигля, установленного на литом чугунном кольце, производится нихромовыми нагревателями, которые уложены на полочках фасонных шамотных кирпичей и укреплены металлическими крючками. В нижней части печи имеется аварийное отверстие для выпуска сплава на случай прогорания тигля. Температура автоматически регулируется самопишущим потенциометром с помощью хромель-алюмелевой термопары. Плавка в индукционных электрических печах. Различают индукционные печи со стальным сердечником и индукционные тигельные печи ИАТ. Печи со стальным сердечником широко применяются для плавки как алюминиевых, так и медных сплавов. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с печами сопротивления: более высокую производительность, меньший удельный расход электроэнергии, возможность рафинирования металла в печи, обеспечивают высокое качество сплава с минимальным содержанием газов. В этих печах интенсивное движение металла происходит в устьях каналов, а поверхность жидкого сплава в самой печи находится в спокойном состоянии, что обеспечивает сплошность окисной пленки и предохраняет сплав от дальнейшего окисления. Рис. 3. Тигельная электропечь. В последнее время получили распространение бессердечниковые тигельные индукционные печи ИАТ емкостью 0,4—0,6 т и производительностью 0,235—2,0 т/ч. 6. Особенности технологии плавки и разливки алюминиевых сплавов Для большинства алюминиевых сплавов принята одна технология плавки вне зависимости от конструкции печи. Шихтовые материалы перед загрузкой тщательно очищают от загрязнений и подогревают до 100—150 °С для удаления с их поверхности влаги. Плавка алюминиево-кремнистых сплавов. Как уже указывалось, лучше всего вести плавку в индукционных печах высокой или промышленной частоты и в электрических печах сопротивления. В качестве шихтовых материалов применяют чушковые силумины, первичный алюминий и оборотный металл (до 50% от массы шихты). Плавку осуществляют в следующей последовательности. Печь или тигель нагревают до температуры 600—700 °С, загружают в них подогретые чушки силумина и предварительно очищенный в барабане оборотный сплав. После расплавления металл перегревают до 720—730 °С, рафинируют хлористым цинком (0,1% от массы шихты) и производят его модифицирование. Рафинирование осуществляют путем погружения навески хлористого цинка на дно тигля с помощью «колокольчика», который медленно водят по дну тигля до полного прекращения выделения пузырьков газа. Модифицирование смесью хлористых и фтористых солей калия и натрия производят путем покрытия ими очищенной от шлака поверхности сплава и выдержки в течение 12—14 мин. Затем соли рубят и замешивают в сплав в течение 2 мин, после чего модификатор снимают с поверхности сплава. При использовании универсальных флюсов операции рафинирования и модифицирования совмещают. Плавка алюминиевых сплавов, содержащих магний. Во избежание насыщения сплава вредными примесями — железом и кремнием — плавка ведется только в графитовых тиглях. Вспомогательный инструмент — счищалка, колокольчики и др. — также изготовляется из графита или титана. В качестве шихтовых материалов применяют первичный алюминий высокой чистоты, магний и лигатуры алюминиево-бериллие-вую, алюминиево-титановую, алюминиево-циркониевую и оборотный сплав соответствующей марки (до 50—60% от массы всей шихты). После нагрева тигля до температуры 600 °С. загружают чушки первичного алюминия и алюминиево-бериллиевую лигатуру. При температуре сплава 670—700 °С вводят лигатуры алюминий — титан и алюминий — цирконий и после полного растворения всех лигатур с помощью графитового колокольчика вводят магний. При этом необходимо следить, чтобы магний все время был погружен в сплав. После ввода магния сплав рафинируют. Затем с поверхности ванны снимают шлак, сплав тщательно перемешивают и опять снимают шлак, после чего производят разливку. На протяжении всей плавки не допускается перегрев сплава свыше 750 °С. Для разливки применяют разливочные тигли и футерованные ковши емкостью до 1000 кг. Длина струи сплава должна быть минимальной. Тигли, ковши и разливочный инструмент обязательно прокаливают и покрывают специальными красками. Реклама: Читать далее: Плавка и разливка магниевых сплавов Статьи по теме: Специальные способы литья Литье в металлические формы (кокильное литье) Литейные сплавы, их плавка и получение отливок Изготовление разовых форм (формовка) Модельный комплект, формовочные и стержневые смеси Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум

Обработка алюминия | История, добыча полезных ископаемых, переработка и факты

обработка алюминия

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Генри Дж. Кайзер

Похожие темы:

алюминий обработка материалов

См. все связанные материалы →

переработка алюминия , подготовка руды для использования в различных продуктах.

Алюминий или алюминий (Al) представляет собой серебристо-белый металл с температурой плавления 660 °C (1220 °F) и плотностью 2,7 грамма на кубический сантиметр. Самый распространенный металлический элемент, он составляет 8,1 процента земной коры. В природе встречается в химическом соединении с кислородом и другими элементами. В чистом виде он мягкий и пластичный, но его можно легировать многими другими элементами для повышения прочности и придания ему ряда полезных свойств. Сплавы алюминия легкие, прочные и поддаются формовке почти всеми известными процессами металлообработки. Они могут быть отлиты, соединены различными способами и легко обработаны, и они допускают широкий спектр отделки.

В дополнение к его низкой плотности многие области применения алюминия и его сплавов основаны на его высокой электро- и теплопроводности, высокой отражательной способности и устойчивости к коррозии. Своей коррозионной стойкостью он обязан непрерывной пленке оксида алюминия, которая быстро растет на зарождающейся поверхности алюминия, подвергаемой воздействию воздуха.

История

Раннее использование и добыча

До 5000 г. до н.э. люди в Месопотамии делали прекрасную керамику из глины, которая состояла в основном из соединения алюминия, а почти 4000 лет назад египтяне и вавилоняне использовали соединения алюминия в различных химических веществах и лекарствах. Плиний относится к алюмен , известный сейчас как квасцы, соединение алюминия, широко используемое в древнем и средневековом мире для закрепления красителей в текстиле. К 18 веку глинозем землистого происхождения был признан потенциальным источником металла.

Английский химик Хамфри Дэви в 1807 году попытался извлечь металл. Несмотря на неудачу, он убедился, что оксид алюминия имеет металлическую основу, которую он назвал алюминием , а позже изменил на алюминий . Название было сохранено в Соединенных Штатах, но изменено на 9. 0033 алюминий во многих других странах.

Датский физик и химик Ганс Кристиан Эрстед в 1825 году, наконец, получил алюминий. «Он образует, — сообщал Эрстед, — кусок металла, который по цвету и блеску чем-то напоминает олово».

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Несколько лет спустя Фридрих Велер, немецкий химик из Геттингенского университета, получил металлический алюминий в виде частиц размером с булавочную головку и впервые определил следующие свойства алюминия: удельный вес, пластичность, цвет и стабильность на воздухе.

Алюминий

оставался лабораторной диковинкой, пока французский ученый Анри Сент-Клер Девиль не объявил о значительном усовершенствовании метода Вёлера, которое позволило «булавочным головкам» Вёлера сливаться в куски размером с мрамор. Процесс Девиля стал основой алюминиевой промышленности. Слитки алюминия, изготовленные на химическом заводе Жавеля и выставленные в 1855 году на Всемирной выставке в Париже, представили публике новый металл.

Хотя тогда о свойствах алюминия было известно достаточно, чтобы указать на многообещающее будущее, стоимость химического процесса производства металла была слишком высока, чтобы его можно было широко использовать. Но важные улучшения в настоящее время привели к прорывам на двух фронтах: во-первых, процесс Девиля был улучшен; и, во-вторых, разработка динамо-машины сделала доступным большой источник энергии для электролиза, который оказался очень успешным при отделении металла от его соединений.

Работа Холла и Эру

Современный электролитический метод производства алюминия был открыт почти одновременно и совершенно независимо Шарлем Мартином Холлом из Соединенных Штатов и Полем-Луи-Туссеном Эру из Франции в 1886 году. (По странному совпадению оба мужчины родились в 1863 году и оба умерли в 1914 году.) Основы процессов Холла-Эру были идентичны и остаются основой сегодняшней алюминиевой промышленности. Очищенный глинозем растворяют в расплавленном криолите и подвергают электролизу на постоянном токе. Под действием тока кислород глинозема осаждается на угольном аноде и выделяется в виде углекислого газа, а свободный расплавленный алюминий, который тяжелее электролита, осаждается на угольной футеровке на дне электролизера.

Холл сразу осознал ценность своего открытия. 9 июля 1886 года он подал заявку на патент США и энергично работал над разработкой процесса. С другой стороны, Эру, хотя и подал заявку на патент несколькими месяцами ранее, по-видимому, не понял значения процесса. Он продолжил работу над вторым успешным процессом получения алюминиево-медного сплава. К счастью, в 1888 году австрийский химик Карл Йозеф Байер открыл усовершенствованный метод получения чистого глинозема из бокситовых руд с низким содержанием кремнезема.

Холл и группа бизнесменов основали Pittsburgh Reduction Company в 1888 году в Питтсбурге. Первый слиток был отлит в ноябре того же года. Спрос на алюминий рос, и в Нью-Кенсингтоне, штат Пенсильвания, был построен более крупный восстановительный завод, который к 1894 году использовал электричество, вырабатываемое паром, для производства одной тонны алюминия в день. Потребность в дешевой и обильной гидроэлектроэнергии привела молодую компанию к Ниагарскому водопаду. где в 1895 году он стал первым заказчиком новой разработки электростанции Ниагарского водопада.

За короткое время спрос на алюминий превзошел самые оптимистичные ожидания Холла. В 1907 году компания сменила название на Aluminium Company of America (Alcoa). До Второй мировой войны он оставался единственным производителем первичного алюминия в США, но за полвека в Соединенных Штатах насчитывалось 15 первичных производителей.

Европейская промышленность

Нойхаузен, Швейцария, является «питомником» европейской алюминиевой промышленности. Там, чтобы воспользоваться гидроэнергией водопада Рейна, Эру построил свой первый завод по производству алюминия и бронзы, который позже стал Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft. Британская алюминиевая компания с ограниченной ответственностью, организованная в 189 г.4, вскоре осознал богатство дешевой электроэнергии, доступной в Норвегии, и сыграл важную роль в строительстве алюминиевых заводов в Стонгфьорде в 1907 году, а затем в Вигеланде. Во Франции Société Électrométallurgique Française, также основанное на патенте Эру, было основано около Гренобля около 1888 года. В 1899 году в Ленде, Австрия, был запущен алюминиевый завод. спроса, и несколько плавильных заводов начали производство электроэнергии, вырабатываемой паровой энергией. Позднее СССР начал производить значительные объемы алюминия в Уральском промышленном комплексе, а к 1990 первичных металлов производилось в 41 стране мира. Крупнейший в мире алюминиевый завод (мощностью один миллион тонн в год) расположен в сибирском городе Братске.

Что такое плавка алюминия? – Clinton Aluminium

Для производителей, независимо от того, в какой отрасли вы работаете, понимание различных процессов, связанных с работой с такими материалами, как алюминий, является важной частью вашей работы. Важно знать основные свойства различных марок и сплавов металлов, с которыми вы работаете, и понимать, как разные материалы будут реагировать на разные методы и области применения. Одним из важнейших методов работы с алюминием является выплавка, о чем мы сегодня и поговорим.

Когда вы читаете о процессе выплавки алюминия, не забывайте, что обученные технические специалисты Clinton Aluminium готовы помочь клиентам, таким как вы, найти подходящий материал для каждой работы. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше.

Почему алюминий так распространен, но так редок?

Плавка является важнейшим этапом извлечения алюминия, и без нее было бы чрезвычайно трудно получить доступ к алюминию, не говоря уже об использовании его в качестве строительного или коммерческого материала. Это связано с тем, что, хотя алюминий является третьим наиболее распространенным элементом после кислорода и кремния в земной коре, на самом деле он редко встречается в природе в естественной форме. Чистый алюминий обладает высокой реакционной способностью, и его молекулы быстро и легко связываются с соседними элементами.

Причина распространенности алюминия на Земле (этот металл составляет примерно 1,59% массы планеты) заключается в том, что он так легко образует оксид и связывается с горными породами, поэтому его нелегко выбрасывать в атмосферу. Хотя редко встречается в чистом виде, он часто образует оксиды и силикаты. Общие алюминийсодержащие минералы включают берилл, криолит, гранат, шпинель и бирюзу. Рубины и сапфиры образуются из примесей в оксиде алюминия.

Из всех различных полезных ископаемых, содержащих алюминий, наиболее ответственным за его коммерческую жизнеспособность является боксит. Бокситы, чаще всего встречающиеся в тропическом климате, в настоящее время в изобилии добываются в таких местах, как Австралия, Китай, Гвинея и Индия. Процесс извлечения алюминия из бокситов известен как плавка.

Что такое процесс Байера?

Процесс преобразования бокситов в чистый алюминий обычно включает две отдельные стадии. Во-первых, минерал будет подвергнут процессу Байера, который используется для извлечения глинозема (другое название оксида алюминия) из боксита. Затем оксид алюминия подвергают процессу Холла-Эру, который включает растворение оксида алюминия в расплавленном криолите и электролиз расплавленной солевой ванны.

Процесс Байера был разработан Карлом Йозефом Байером в 1888 году, когда он работал в текстильной промышленности для разработки дешевого метода извлечения глинозема, который обычно использовался для окрашивания хлопка. Основной состав бокситовой руды составляют гидратированные оксиды алюминия, смешанные с соединениями таких элементов, как железо. Байер обнаружил, что можно нагревать руду в сосуде под давлением, добавляя раствор гидроксида натрия, известный как каустическая сода, при температуре от 150 до 200 градусов по Цельсию. Алюминий растворяется в виде алюмината натрия в процессе экстракции.

Важно отметить, что алюминий в боксите может быть одним из нескольких соединений, таких как гиббсит (Al(OH) ₃ ), бемит (AlO(OH)) или диаспор (a-AlO(OH)) . Для каждого соединения потребуется свой метод экстракции, хотя общий процесс будет одинаковым. Различные формы алюминиевого компонента диктуют определенные условия экстракции. После отделения остатка гиббсит выпадет в осадок при охлаждении жидкости, затравив его мелкозернистым гидроксидом алюминия.

Во время экстракции оксид алюминия, содержащийся в боксите, превращается в растворимый алюминат натрия. Кремнезем также растворяется, в то время как другие соединения, содержащиеся в боксите, остаются твердыми. Затем примеси можно отфильтровать с помощью вращающейся ловушки для песка или других методов. Отходы процесса называются красным шламом и состоят из высокого содержания гидроксида кальция и натрия.

Что такое процесс Холла-Эру?

После извлечения глинозема из бокситовой руды его можно подвергнуть процессу Холла-Эру, который представляет собой электролитический процесс, разработанный независимо одновременно Чарльзом Мартином Холлом и Полем Эру в 1886 году. До этого В то время не существовало коммерчески жизнеспособного способа извлечения алюминия из-за того, что невозможно получить алюминий путем электролиза водной соли алюминия. Проблема в том, что ионы гидроксония легко окисляют элементарный алюминий. И хотя это можно сделать с расплавленной солью алюминия, оксид алюминия имеет температуру плавления 2072 градуса по Цельсию, что делает его непрактичным.

В процессе Холла-Эру глинозем растворяется в расплавленном синтетическом криолите. Это позволяет избежать вышеуказанной проблемы за счет снижения температуры плавления, чтобы сделать электролиз более возможным. Температура плавления криолита после добавления в него некоторого количества оксида алюминия составляет около 1000 градусов по Цельсию, что вдвое меньше, чем у соли алюминия. Другие преимущества использования криолита включают тот факт, что он позволяет легко растворять глинозем, он проводит электричество и имеет меньшую плотность, чем алюминий.

Во время электролиза жидкий алюминий осаждается на катоде. В то же время кислород из глинозема соединяется с углеродом с образованием углекислого газа.

Обычному алюминиевому заводу для нормального функционирования требуется много электроэнергии. Это означает, что плавильные заводы часто строятся рядом с крупными электростанциями или совместно с ними. Они также расположены недалеко от портов, поскольку обычно глинозем приходится импортировать из-за границы.