Алюминий: свойства, применение, способы промышленного получения

Что представляет собой алюминий и зачем его перерабатывать

Алюминий окружает нас повсюду. Он легкий, хорошо плавится, не боится коррозии, и благодаря этому пользуется большим спросом. Изделия из алюминия можно не только производить, но и успешно перерабатывать, получая новое сырье.

Алюминиевый лом пользуется популярностью и остается одним из наиболее доступных видов цветного металлолома.

Отходы из алюминия дожидаются переработки

После переработки из лома алюминия получается высококачественный материал, который будет использован в промышленности. Как уже давно известно, намного выгоднее перерабатывать металл, чем заниматься его добычей. Это не только экономит природные ресурсы, защищает окружающую среду от загрязнений, но и приносит отличный дополнительный доход.

Вторичная переработка алюминия обладает следующими преимуществами:

• Потребляет на 95% меньше энергии, чем производство первичного сырья.

• Испускает меньше парниковых газов, оказывающих негативное влияние на экологию;

• Сокращает использование природных ресурсов и химических веществ, прекращает изменение ландшафта.

Свойства и характеристики

Свойствами металла служат его высокие показатели тепло- и электропроводности, невосприимчивость к коррозии, высокая пластичность и устойчивость к низким температурам. При этом главное его свойство – это небольшая плотность (около 2,7 г/см3.).

Механические, технологические, а также физико-химические свойства этого металла имеют непосредственную зависимость от входящих в его состав примесей. К естественным его компонентам относится кремний и железо.

Давайте узнаем далее, какая температура плавления алюминия и его сплавов

 Основные параметры

• Плотность алюминия составляет 2,7*103 кг/м3;
• Удельный вес — 2,7 г/cм3;
• Температура плавления алюминия 659°C;
• Температура кипения 2000°C;
• Коэффициент линейного расширения составляет — 22,9 *106(1/град).

Теперь рассмотрению подлежат теплопроводность и электропроводность алюминия.

Данное видео сравнивает температуры плавления алюминия и других наиболее часто используемых металлов:

Электропроводность

Важным показателем алюминия является его электропроводность, которая уступает по величине лишь золоту, серебру и меди. Высокий коэффициент электропроводности в сочетании с небольшой плотностью обеспечивает материалу высокую конкурентоспособность в кабельно-проводниковой области.

Помимо основных примесей на этот показатель также влияет титан, марганец и хром. Если алюминий предназначен для производства проводников тока, то суммарное количество примесей не должно превышать 0,01%.

• Показатель электропроводности может варьироваться, в зависимости от состояния, в котором находится алюминий. Процесс длительного отжига увеличивает этот показатель, а нагартовка, напротив, уменьшает его.
• Удельное сопротивление при температуре 200С в зависимости от марки металла находится в пределах 0,0277-0,029 мкОм*м.

 Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности металла составляет около 0,50 кал/см*с*С и увеличивается со степенью его чистоты.

Это значение меньше, чем у меди и серебра, но больше, чем у остальных металлов. Благодаря ему, алюминий активно используется в производстве теплообменников и радиаторов.

Коррозионная стойкость

Сам металл является химически активным веществом, благодаря чему его используют в алюмотермии. При контакте с воздухом на нем образуется тончайшая пленка из окиси алюминия, которая имеет химическую инертность и высокую прочность. Ее главное назначение – это защищать металл от последующего процесса окисления, а также от воздействия коррозии.

• Если алюминий обладает высокой чистотой, то эта пленка не имеет пор, полностью покрывает его поверхность и обеспечивает надежным сцеплением. В результате металл устойчив не только к воде и воздуху, но и к щелочам и неорганическим кислотам.
• В тех местах, где находятся примеси, защитный слой пленки может быть поврежденным. Такие места становятся уязвимыми для коррозии. Поэтому на поверхности может наблюдаться коррозия точечного типа. Если марка содержит 99,7% алюминия и менее 0,25% железа, скорость коррозии составляет 1.1, при содержании алюминия на 99,0% этот показатель увеличивается до 31.
• Содержащееся железо также уменьшает устойчивость металла к щелочам, но не меняет устойчивость к серной и азотной кислотам.

Взаимодействие с разными веществами 

Когда алюминий обладает температурой 1000С, он способен взаимодействовать с хлором. Независимо от степени нагрева, алюминий растворяет водород, но при этом не ступает в реакцию с ним. Именно потому он является главным составляющим элементом газов, которые присутствуют в металле.

В целом алюминий устойчив в следующих средах:

• Пресная и морская вода;
• Соли магния, натрия и аммония;
• Серная кислота;
• Слабые растворы из хрома и фосфора;
• Раствор аммиака;
• Уксусная, яблочная и прочие кислоты.

Алюминий не устойчив:

• Раствор из серной кислоты;
• Соляная кислота;
• Едкие щелочи и их раствор;
• Щавелевая кислота.

Про токсичность и экологичность алюминия читайте ниже.

Электропроводность меди и алюминия, а также иные сравнения двух металлов представлены в таблице ниже.

Сравнение характеристик алюминия и меди

Токсичность

Хотя алюминий весьма распространен, но он не используется в метаболизме, ни у одного живого существа. Он обладает незначительным токсическим действием, но многие его неорганические соединения, которые растворяются в воде, способны длительное время пребывать в таком состоянии и негативно сказываться на живых организмах. Наиболее ядовитыми веществами выступают ацетаты, хлориды и нитраты.

Согласно нормативам, в воде хозяйственно-питьевого назначения может содержаться 0,2-0,5 мг на 1 л.

Еще больше полезной информации о свойствах алюминия содержит данное видео:

Немного истории

Алюминий стал известен человечеству довольно поздно: лишь во второй половине XIX века немецкому химику Веллеру удалось выделить чистый металл из хлорида алюминия, разогрев его смесь с калием до высокой температуры. Но ещё очень долго приобрести хотя бы небольшой кусочек серебристого металла могли себе позволить лишь очень состоятельные люди и богатые музеи, так как цена килограмма алюминия превышала стоимость равного количества золота.

Достаточно вспомнить богатый подарок, который сделали британские ученые знаменитому создателю периодической таблицы Д.И. Менделееву. Они преподнесли великому русскому химику лабораторные весы, изготовленные из алюминия и золота.

Нахождение в природе

Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al со следами 26Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при бомбардировке ядер аргона протонами космических лучей.

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах). Некоторые из них:

• Бокситы — Al2O3 • H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)
• Нефелины — KNa3[AlSiO4]4
• Алуниты — KAl(SO4)2 • 2Al(OH)3
• Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3)
• Корунд — Al2O3
• Полевой шпат (ортоклаз) — K2O×Al2O3×6SiO2
• Каолинит — Al2O3×2SiO2 × 2H2O
• Алунит — (Na,K)2SO4×Al2(SO4)3×4Al(OH)3
• Берилл — 3ВеО • Al2О3 • 6SiO2

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных химических соединений, например, фторида алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности водной среды. Концентрации алюминия в поверхностных водных объектах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л.

Добыча

После кислорода и кремния этот металл – наиболее распространенный элемент в земной коре, где он присутствует в виде соединений с другими элементами. Его получают из алюминиевых руд. Наиболее высокое содержание (50% оксидов этого металла+глинозем, содержащий этот компонент) находится в бокситах, которые залегают на поверхности земли. Наилучшие залежи этих минералов расположены в экваториальных и тропических регионах.

Для их добычи используется сложное оборудование: краны, машины для раздачи глинозема, установка по газоочистке, электролизер. Также в ходе процедуры задействованы просторные помещения и мощная электросеть. Поэтому заводы по производству этого продукта обычно расположены вблизи электростанций. В современных условиях этот металл получают благодаря процессу Холла-Эру.

Производство

Одна красивая, но, вероятно, неправдоподобная легенда из «Historia naturalis« гласит, что однажды к римскому императору Тиберию (42 год до н. э. — 37 год н. э.) пришёл ювелир с металли­ческой, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной, якобы из глинозёма — Al2O3. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опа­саясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал, на всякий случай, отрубить чело­веку голову. Очевидно, данная легенда весьма сомнительна, так как само­родный алюминий в природе не встречается в силу своей высокой активности и во времена Рим­ской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюми­ний из глинозёма.

Лишь почти через 2000 лет — в 1825 году, датский физик Ханс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида алюминия.

До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился.

Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль изобрёл первый способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl3. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6—8 кг. За 36 лет применения, с 1855 по 1890 год, способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 году он же получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия.

В 1885 году, основываясь на технологии, предложенной русским ученым Николаем Бекетовым, был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме. Технология Бекетова мало чем отличалась от способа Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом (Na3AlF6) и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890 год.

Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом во Франции и Полем Эру в США в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове. Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47,7 тыс.тонн алюминия, ещё 2,2 тыс.тонн импортировалось.

Вторая мировая война значительно стимулировала производство алюминия. Так, в 1939 году общемировое его производство, без учёта СССР, составляло 620 тыс. т, но уже к 1943 году выросло до 1,9 млн т.

К 1956 году в мире производилось 3,4 млн т первичного алюминия, в 1965 году — 5,4 млн т, в 1980 году — 16,1 млн т, в 1990 году — 18 млн т.

В 2007 году в мире было произведено 38 млн т первичного алюминия, а в 2008 — 39,7 млн т. Лидерами производства являлись: Китай (в 2007 году произвёл 12,60 млн т, а в 2008 — 13,50 млн т), Россия (3,96/4,20), Канада (3,09/3,10), США (2,55/2,64), Австралия (1,96/1,96), Бразилия (1,66/1,66), Индия (1,22/1,30), Норвегия (1,30/1,10), ОАЭ (0,89/0,92), Бахрейн (0,87/0,87), ЮАР (0,90/0,85), Исландия (0,40/0,79), Германия (0,55/0,59), Венесуэла (0,61/0,55), Мозамбик (0,56/055), Таджикистан (0,42/0,42).

В России фактическим монополистом по производству алюминия является ОАО «Русский алюминий», на который приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма.

Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44,3 млн т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов.

Основные свойства алюминия

Этот элемент химически активен, но образующаяся на его поверхности плотная оксидная пленка защищает полуфабрикаты и готовые изделия от коррозионного разрушения.

Для алюминия характерны следующие физические свойства:

• плотность – 2,7 г/см3 (для сравнения – плотность железа составляет 7,85 г/см3);
• температура плавления +600°C (железа+1535°C);
• высокие электро- и теплопроводность;
• парамагнетизм – металл притягивается магнитом исключительно при наличии магнитного поля;
• объемная гранецентрированная металлическая кристаллическая решетка.

Основные естественные примеси, присутствующие в Al после восстановления из оксида (кремний, цинк, титан, железо, медь), влияют на физические и технологические параметры металла. Чем он чище, тем выше его электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость и, конечно, цена. Основные механические параметры: предел прочности после холодного пластического деформирования– 150 МПа, относительное удлинение – 50%.

Alлегко формуется, поддается механической обработке, сваривается различными видами сварки. Для повышения коррозионной стойкости поверхность деталей и конструкций анодируют. Анодирование – электрохимический процесс создания толстой оксидной пленки.

Химические характеристики металла алюминия:

• Химическая активность. В мелкофракционном состоянии при высоких температурах Al активно соединяется с кислородом, фосфором, серой, азотом, йодом, углеродом. При комнатных температурах реагирует с бромом, хлором, щелочами.
• Взаимодействие с другими металлами с образованием сплавов, содержащих алюминиды, – интерметаллические соединения.
• При наличии на поверхности плотной оксидной пленки –стойкость к атмосферной коррозии, пресной и соленой воде, инертность к органическим кислотам, разбавленной и концентрированнойHNO3. При очищенной оксидной пленке этот металл активно вступает в реакцию с водой.

Химические свойства алюминия

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания).  Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. При разрушении оксидной плёнки алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Физическое описание

Алюминий обладает:

• лёгкостью (плотность 2,7 г/см3);
• серебристо-серым цветом;
• высокой электропроводностью;
• ковкостью;
• пластичностью;
• температурой плавления – 658°C;
• температурой кипения – 2518,8°C.

Из металла делают жестяные ёмкости, фольгу, проволоку, сплавы. Алюминий используют при изготовлении микросхем, зеркал, композитных материалов.

Жестяные ёмкости.

Алюминий – парамагнетик. Металл притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля.

Механические свойства

Механические свойства всех вышеуказанных, литейных спла­вов зависят от режимов термической обработки, определяющей структурное и фазовое состояние сплавов.

Высокая коррозионная стойкость алюминия объясняется обра­зованием окисной пленки Аl203. Коррозионная стойкость алю­миния зависит от влияния агрессивной среды на растворимость защитной окисной пленки, от чистоты обработки поверхности и режима термической обработки. Чистый алюминий обладает высокой стойкостью в сухом и влажном воздухе. В азотной кислоте концентрации 30—50% при увеличении температуры скорость коррозии алюминия возрастает. При концентрации азотной кис­лоты выше 80% коррозия резко снижается. Алюминий обладает высокой стойкостью в разбавленной серной кислоте и в концен­трированной при 20° С. Средние концентрации серной кислоты (более 40%) наиболее опасны для алюминия. При комнатных тем­пературах алюминий устойчив в фосфорной и уксусных кислотах. Такие, как муравьиная, щавелевая, трихлоруксусная и другие хлороорганические кислоты значительно разрушают алюминий. В растворах едких щелочей окисная пленка алюминия раство­ряется. Растворы углекислых солей калия и натрия оказывают меньшее влияние на скорость коррозии алюминия.

Алюминий при температурах до 300° С обладает хорошей стойкостью в жидких металлических средах, например, натрии.

Коррозионная стойкость алюминия в воде и водяном паре при повышенных температурах (выше 200° С) зависит от чистоты алюминия. Если происходит движение среды, то скорость корро­зии повышается в 10—60 раз.

Основными видами коррозии алюминиевых сплавов является межкристаллитная коррозия и коррозия под напряжением. Для повышения коррозионных свойств применяют защитные покрытия, такие, как плакирование, оксидные пленки, лакокрасочные по­крытия, смазки, хромовые или никель-хромовые гальванические покрытия.

Получение

Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Для производства 1 т алюминия чернового требуется 1,920 т глинозёма, 0,065 т криолита, 0,035 т фторида алюминия, 0,600 т анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.

Виды алюминия по степени очистки

В зависимости от процентного содержания основного элемента принята следующая классификация степеней чистоты:

• 99,5-99,79% – промышленная чистота (техническая);
• 99,8-99,949% – высокочистая;
• 99,95-99,9959% – сверхчистая;
• 99, 9960-99,9990 % – особо чистая;
• свыше 99,999% – ультрачистая.

Алюминий технической чистоты имеет широкое применение в промышленности, где важны его главные физические свойства – небольшая плотность, электро- и теплопроводимость. Он выпускается в виде алюминиевых листов, труб, плит, прутков, профильного проката. Их применяют для изготовления деталей и элементов конструкций, не запланированных для значительных нагрузок. Из высокоочищенных материалов выпускают фольгу и токопроводящие элементы.

Область применения

Алюминиевая плита. Обладает шумоизолирующими свойствами, защищает от вибрации, огня и влаги. Из нее изготавливаются различные строительные конструкции, декоративные элементы крыш, окантовки, круги, балки, профили. Она – важный элемент в машиностроении, где ее используют как основу для несущих стоек. В авиационной промышленности эта продукция применяется для облицовки фюзеляжей и в самой конструкции планеров. Также этот продукт важен для получения топливного и гидравлического оборудования.

Алюминиевый лист. Благодаря разнообразию форм используется в декорировании зданий. Также он востребован при изготовлении каркасов, фильтров и вентиляционных коробов. Из него производят баки, канистры для продуктов, контейнеры, столешницы, мойки. Материал не вступает в реакции с пищей, не выделяет опасных веществ и не влияет на вкусовые качества.

Алюминиевая труба. Незаменима при обустройстве трубопроводов для добычи нефти, так как не вступает в реакции с веществами. Благодаря хорошей пропускной способности такая продукция – оптимальный вариант при разработке канализации и водопровода. Вода по ним двигается быстро, без образования пробок.

Алюминиевая проволока. Применяется для сварочных работ, при монтаже электролиний, в электротехнике, в системах грозозащиты. Является сырьем в производстве кабельной и проводниковой продукции. Также из нее производят инвентарь для торговли, элементы фасадов, дизайнерские детали для домов, посуду.

Алюминиевые уголки. Востребованы при изготовлении корпусной и мягкой мебели, рекламного оборудования, шкафов, стеллажей. Это любимый элемент дизайнеров, так как он не просто защищает мебельные конструкции, но и подчеркивает их оригинальность. Небольшие и узкие разновидности также востребованы при установке оконных рам. Крупные изделия – при монтаже крупногабаритных конструкций.

Алюминиевый пруток. Не намагничивается, не боится перепадов температуры, имеет хорошую электропроводность и легкий вес. Используется в станкостроении и машиностроении. Применяется в качестве заготовок для производства крепежей, стойких к агрессивным веществам. Из него получают детали редукторов, клапаны, силовые элементы, компоненты сварных конструкций, опорную арматуру.

Что делают из алюминия

Алюминий — металл серебристого (серого) цвета, имеющий небольшой вес, высокий уровень прочности и пластичности, и являющийся хорошим проводником тепла и электричества. Металл обладает устойчивостью к воздействиям внешней среды, а именно не окисляется от наличия влаги и каких-либо химических веществ.

Алюминий и его сплавы применяются в различных областях: машиностроении, пищевой промышленности, строительстве, при изготовлении судов, авиатехники, мебели и товаров для спорта.

Самые распространенные изделия из алюминия это:

• Посуда (контейнеры и емкости для еды, банки, пищевые пленки);

• Провода, элементы окон, а также листы, обрезки и стружка металлических конструкций;

• Запчасти от автомобилей и электроприборов, радиаторы.

Все эти изделия можно сдать в специальный пункт приема, получив соответствующее вознаграждение.

Кастрюли из алюминия – один из часто встречаемых видов лома

Виды лома алюминия

Алюминиевый металлолом, как один из типов вторсырья цветного металла, бывает следующих видов:

• Электротехнический. Кабель и различная электротехника из чистого алюминия;

• Пищевой. Самый распространенный вид лома, включающий в себя кастрюли, канистры, ложки и прочую посуду;

• Профиль. Различный оконный, дверной алюминиевый профиль;

• Профиль (термовставка). Профиль с термовставкой;

• Моторный. Алюминий с корпусов двигателей;

• Бытовой. Дверные ручки, алюминий с различной бытовой техники;

• Лом алюминиевых банок;

• Фольга;

• Стружка;

• Алюминиевый кабель (в изоляции);

• Шлак.

Деление алюминия на классы и группы

Вторсырье из алюминия и его сплавов имеет многоуровневую классификацию. Алюминиевый лом можно разделить на:

• Классы. А – кусковой лом, Б – стружка, В – порошкообразные отходы, Г – прочее вторсырье;

• Группы. Насчитывается 10 групп, отличающихся химическим составом и типом сплава;

• Сорт. Отличия ведутся по виду и форме изделий.

Потребление в промышленности и жизни

На рисунке ниже показаны восемь секторов промышленности и строительства, в которых применение алюминия происходит особенно активно. Процентные доли по различным секторам промышленности в общем потреблении представлены по статистическим данным Международного Института алюминия за 2007 год. С тех пор, думается, картина в целом не изменилась, и эти данные вполне актуальны.

Применение алюминия в готовой промышленной продукции

Основными отраслями промышленности, которые активно применяют алюминий, являются:

• Строительство
• Упаковывание продукции
• Электрическая промышленность
• Транспортное машиностроение
• Производство машин и оборудования
• Производство товаров для повседневной жизни
• Порошковая металлургия
• Раскисление стали в черной металлургии

[spoiler title="Источники"]

• https://BurForum.ru/materialy/oblast-primeneniya-alyuminievyh-splavov.html
• http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/tsvetnyie/alyuminiy/osobennosti-svoystv-i-harakteristik.html
• https://www.vseznaika.org/chemiks/chto-takoe-alyuminij-i-gde-ego-primenyayut/
• http://himsnab-spb.ru/article/ps/al/
• https://cuprum-metall.ru/informatsiya/alyuminiy/
• https://www.AdamantSteel.ru/info/articles/vse-ob-alyuminii/
• http://himege.ru/alyuminij-xarakteristika-elementa/
• https://obrazovaka.ru/himiya/himicheskie-svoystva-alyuminiya-primenenie.html
• https://pressadv.ru/materialy/chto-proizvodyat-iz-alyuminiya.html
• https://aluminium-guide.com/primenenie-alyuminiya-v-promyshlennosti-stroitelstve-i-bytu/

[/spoiler]