ИТС 11-2019 Производство алюминия

1.1.1 Алюминий

Алюминий - химический элемент III группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева, легкий и пластичный металл матово-серебристого цвета. Вследствие высокой химической активности алюминий в природе находится только в связанном виде.

Плотность (при нормальных условиях) - 2,69 г/см, электропроводность - 3710 См/м.

Уникальные свойства алюминия:

- на воздухе моментально образует оксидную защитную пленку, которая способствует высокой коррозионной стойкости металла;

- низкая плотность при высокой прочности;

- неизменность свойств при низких температурах.

Алюминий обладает амфотерными свойствами, т.е., реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, а при взаимодействии с щелочами - алюминаты. Эта особенность существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного состава. Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах, а также в щелочах, но концентрированная азотная и органическая кислоты на алюминий не действуют.

Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от количества примесей в алюминии, его предварительной механической обработки и температуры. С увеличением содержания примесей прочностные свойства алюминия растут, а пластичные снижаются, причем эти свойства проявляются даже при изменении чистоты алюминия от 99,5 до 99,0%.

Благодаря таким свойствам, как малая плотность, высокая теплопроводность, низкое электрическое сопротивление, высокая пластичность, коррозионная стойкость, алюминий получил исключительно широкое распространение в различных отраслях современной техники и играет важнейшую роль среди всех цветных металлов.

Чистый технический алюминий используется в электротехнике в качестве проводникового материала и для производства фольги. Основная часть алюминия применяется в виде литейных и деформируемых сплавов и сравнительно небольшое количество алюминия - в виде порошков.

К основным областям применения алюминия и его сплавов относятся аэрокосмическая промышленность, строительство, высокоскоростной железнодорожный и водный транспорт, автомобилестроение (корпуса двигателей, кузовные детали и трансмиссия), электротехника, машины и турбинная техника, упаковка пищевых продуктов и напитков, криотехника, пиротехника и ракетное топливо, пищевая промышленность.

Практически единственным методом получения металлического алюминия является электролиз криолитоглиноземного расплава. Основное сырье для этого процесса - глинозем () - получают различными гидрохимическими методами путем переработки минералов, содержащих соединения алюминия.

Современное получение алюминия осуществляется путем электролитического разложения глинозема (), растворенного в электролите (расплавленный криолит ()). Технологический процесс осуществляется при 950-965°С в электролизных ваннах (электролизерах). В целом процесс разложения глинозема в электролизерах можно представить в виде формул:

     ,

     .

Суммарную реакцию можно записать в виде

или представить ее как сумму трех реакций:

     ,

     ,

     .

Основным исходным сырьем криолит-глиноземного расплава являются глинозем (), фтористый алюминий () и криолит (). Кроме того, в электролите всегда присутствует фтористый кальций (), снижающий температуру кристаллизации электролита, что позволяет проводить процесс электролиза при более низкой температуре.

Технологический процесс в алюминиевом электролизере - сложный комплекс взаимосвязанных химических, физико-химических и физических процессов.