Алюминий

Свойства

Алюминий - металл серебристого цвета, который сам по себе никогда не встречается в природе. Он очень легкий (примерно на треть тяжелее меди), но при этом прочный; некоторые сплавы даже прочнее стали. Алюминий является одновременно пластичным (может быть спрессован в форму) и пластичным (может быть обработан и вытянут в виде проволоки). Алюминий является отличным тепло- и электропроводником. Кроме того, он обладает высокой устойчивостью к коррозии и не токсичен. Алюминий может быть сплавлен практически с любым другим металлом. Алюминий легко воспламеняется, не обладает магнитными свойствами и не дает искр. Эти свойства сделали его важным металлом в современном мире. Поскольку алюминий является химически активным металлом, вы можете подумать, что он сильно ржавеет и поэтому бесполезен. Однако чистый алюминий очень быстро вступает в реакцию с воздухом или водой, образуя на своей поверхности тонкий, почти невидимый слой оксида алюминия, который затем действует как защитное покрытие, предотвращающее дальнейшую "ржавчину".

Использует

Алюминий выплавляется из глинозема, который получают из бокситовой руды. Все три продукта имеют множество применений.

Более 90% мирового объема производства бокситов используется для производства глинозема, а большая часть из оставшихся 10% используется в абразивной, огнеупорной и химической промышленности. Бокситы также используются в производстве высокоглиноземистого цемента, в качестве абсорбента или катализатора в нефтяной промышленности, для покрытия сварочных стержней и в качестве флюса при производстве стали и ферросплавов.

Глинозем в основном используется в качестве сырья для алюминиевых заводов, однако он также используется в других промышленных целях. Его используют в производстве стекла, фарфора и металлических красок, например, для окраски автомобилей. Он также используется в производстве изоляторов для свечей зажигания, в качестве компонента топлива для твердотопливных ракетных ускорителей, наполнителя для пластмасс, абразива (он дешевле технического алмаза) и на заводах по переработке металлов, где он используется для преобразования токсичных отходящих газов, содержащих сероводород, в элементарную серу.

Оксид алюминия, который встречается в естественном кристаллическом состоянии, называется минералом корунд. Иногда кристаллы корунда содержат незначительные количества хрома, железа, титана, меди или магния. Мы называем эти кристаллы рубинами и сапфирами.

После железа и стали алюминий является наиболее широко используемым металлом на Земле. Его часто сплавляют с медью, цинком, магнием, марганцем или кремнием, и добавление небольшого количества циркония, гафния или скандия к этим сплавам заметно повышает их прочность. Алюминий сам по себе имеет широкий спектр применений - от специального авиастроения до предметов повседневного обихода, таких как ножи и вилки. Некоторые из применений приведены в таблице ниже.

История

Около 5300 года до нашей эры:Персы изготавливали особо прочные горшки из глины, содержащей оксид алюминия.

Около 2000 года до нашей эры:Древние египтяне и вавилоняне использовали калий-алюминиевый сульфат KAl(SO4)2 в качестве лекарственного средства для уменьшения кровотечений. Его добывали из природных месторождений в Греции и Турции. Древние римляне называли это лекарственное соединение "квасцами", отсюда и пошло современное слово и символ. Оно до сих пор используется для остановки кровотечения.

Средние века:Большая часть квасцов поступала с папской территории Толфа, но цена на них резко упала, когда в начале 1600-х годов в Йоркшире было открыто крупное месторождение квасцового сланца. На протяжении последующих столетий квасцы использовались в двух основных областях: как консервант для бумаги и как закрепляющее средство для окрашивания тканей.

1808:Англичанин сэр Хамфри Дэви попытался получить алюминий с помощью электролиза. Он потерпел неудачу, но установил факт его существования и дал ему название.

1821:Французский геолог Пьер Бертье обнаружил богатое алюминием месторождение недалеко от деревни Ле-Бо в Провансе, Франция. Оно было названо бокситом в честь деревни.

1825:Ханс Кристиан Эрстед из Дании получил неочищенный алюминий, нагрев хлорид алюминия с амальгамой калия.

1827:Немецкий химик Фридрих Велер извлек алюминий в виде порошка путем взаимодействия калия с безводным хлоридом алюминия, усовершенствовав процесс Эрстеда.

1855:Французскому химику Анри Сен-Клеру Девиллю удалось получить прочный алюминиевый брусок, используя натрий вместо более дорогого калия. Алюминиевый брусок считался настолько ценным, что в том же году был выставлен на выставке наряду с драгоценностями французской короны.

1886:Два ученых на разных континентах (Чарльз Холл в Америке и Поль Эро во Франции) независимо друг от друга открыли экономичный метод получения алюминия с помощью электролиза в расплавленном криолите (фторид алюминия натрия). Кстати, оба они родились в 1864 году и оба умерли в 1914 году.

1887:Австрийский химик Карл Йозеф Байер, работающий в России, разработал метод извлечения глинозема из бокситов.

1888:Холл основал Питтсбургскую компанию по сокращению выбросов (известную как Alcoa с 1907 года).

1890:Открытия Холла-Эро и Байера привели к резкому падению цен на алюминий на 80%. В 1888 году алюминий стоил 4,86 доллара США за фунт. В 1893 году он стоил 0,78 доллара США за фунт, а к концу 1930-х годов стоил всего 0,20 доллара США за фунт и использовался более 2000 раз.

1900:Было произведено всего 8000 тонн алюминия, но 100 лет спустя было произведено 24,5 миллиона тонн, а в 2016 году, по оценкам, было произведено 57,6 миллиона тонн.

1911:Немецкий химик Альфред Вильм разработал важные алюминиевые сплавы, которые были достаточно прочными для изготовления таких изделий, как самолеты. Во время Второй мировой войны и Корейской войны на алюминий был большой спрос, поскольку самолеты ранее изготавливались из дерева и ткани.

1922:Была изготовлена алюминиевая фольга.

1955:Первый алюминиевый завод в Австралии был открыт в Белл-Бэй, Тасмания.

1958:Впервые были выпущены алюминиевые банки для безалкогольных напитков.

1961:Alcoa образует Alcoa Австралии.

1963:Австралийская компания Alcoa открывает первый в Австралии глиноземный завод в Квинане (Западная Австралия), за которым в 1972 году последовали Pinjarra и Wagerup в 1984 году.

Сегодня:В 2016 году, по оценкам, было произведено 57,6 млн тонн алюминия. Это больше, чем во всех остальных цветных металлах, вместе взятых. Австралия добывает бокситы в Квинсленде, Западной Австралии, Северной территории и Тасмании и является крупнейшим в мире производителем бокситов. Австралия также является мировым лидером в производстве глинозема и алюминия. Три Западноавстралийских нефтеперерабатывающих завода поставляют 45% глинозема в Австралию и 11% от общемирового объема, что делает их крупнейшим источником глинозема в мире.

Образование

Бокситы - наиболее распространенная алюминиевая руда. Бокситы образуются в виде выветрившегося слоя, известного как латерит или дюрикрустация, на различных глиноземсодержащих породах. Он образуется, когда большое количество осадков вымывает наиболее подвижные элементы из вмещающей породы, оставляя относительно неподвижный алюминий с небольшим количеством кремния, железа и титана. Из-за особенностей его образования залежи бокситов могут быть очень обширными и встречаются практически на каждом континенте.

Основными алюминиевыми минералами в бокситах являются гиббсит [Al(OH)₃, также записываемый как Al₂O₃.H₂O в обозначении оксида], бемит [AlO(OH), записанный как Al₂O₃.H₂O в обозначении оксида] и диаспора, которая представляет собой полиморф (альтернативную форму) бемита, но более плотную и твердую. Чистый оксид алюминия (Al₂O₃) содержит 52,9% алюминия и 47,1% кислорода. Бокситы могут быть очень твердыми или мягкими, как глина, и могут встречаться в виде уплотненной земли (как рыхлой, так и повторно сцементированной), небольших шариков (пизолитов) или полого материала, похожего на прутья (трубочки). Его цвета могут быть темно-коричневыми, розовыми, желтыми, красными или белыми, а также любыми их сочетаниями. Алюминий также присутствует во многих драгоценных камнях, таких как бирюза, рубины, сапфиры, изумруды, топазы, нефрит и аквамарины.

Ресурсы

Бокситовая руда содержит достаточно высокие уровни оксидов алюминия и достаточно низкие уровни оксида железа (Fe₂O₃) и диоксид кремния (SiO₂), что делает его экономически выгодным для добычи. Количество химически активного кремнезема особенно важно, поскольку для получения этого вида кремнезема требуется каустическая сода, необходимая для производства глинозема, поэтому желательно использовать кремнезем с низким содержанием химически активного кремнезема. Другими потенциальными источниками алюминия являются различные горные породы и минералы, такие как глиноземистые сланцы и шифер, алюмофосфатная порода и высокоглиноземистые глины.

Крупнейшие в мире месторождения бокситов находятся в Гвинее, Австралии, Бразилии, Вьетнаме и на Ямайке. В Австралии бокситы добываются открытым способом на месторождениях Вейпа в Квинсленде, Гоув в Северной территории и Дарлинг-Рейндж в Западной Австралии. Кроме того, недавно были введены в эксплуатацию новые шахты в районе Кейп-Йорк в Квинсленде и в центральной части Тасмании. Другие месторождения бокситов находятся на севере Западной Австралии, в Новом Южном Уэльсе и Восточном Квинсленде, но в настоящее время их добыча нерентабельна.

Австралийские глиноземные заводы расположены в Западной Австралии (Квинана, Вагеруп, Пинджарра и Уорсли) и Квинсленде (КАЛ и Ярвун), а алюминиевые заводы расположены в Тасмании (Белл-Бей), Квинсленде (остров Бойн), Виктории (Портленд) и Новом Южном Уэльсе (Томаго). Китай является крупнейшим в мире потребителем алюминия и, несмотря на значительное внутреннее производство, импортирует большие объемы глинозема и бокситового сырья, на долю которых приходится более 40% мирового потребления. Другими крупными рынками сбыта алюминия являются Соединенные Штаты Америки, Япония и Европа, но эти регионы обладают небольшим количеством экономически выгодных месторождений бокситов и также зависят от импорта бокситов и глинозема для своих глиноземоперерабатывающих и алюминиевых заводов.

Добыча полезных ископаемых

Добыча металлического алюминия происходит в три основные стадии: добыча бокситовой руды, обогащение руды с получением глинозема и выплавка глинозема с получением алюминия. Бокситы добываются поверхностным способом (открытым способом добычи полезных ископаемых), при котором верхний слой почвы и вскрышные породы удаляются бульдозерами и скреперами. Верхний слой почвы затем хранится и используется для восстановления растительного покрова после завершения горных работ. Залежи бокситов добываются фронтальными погрузчиками, одноковшовыми экскаваторами или гидравлическими экскаваторами. Некоторые виды бокситовой руды просто измельчаются, сушатся и транспортируются. Другие бокситы после дробления обрабатываются промывкой, чтобы удалить часть глины, химически активного кремнезема и песка, а затем высушиваются во вращающихся печах. Руду загружают в грузовики, железнодорожные вагоны или на конвейерные ленты и транспортируют на суда или перерабатывающие заводы.

Целый ряд факторов в цикле производства алюминия связан с окружающей средой, и выделяются значительные ресурсы для минимизации воздействия добычи, рафинирования и плавки на окружающую среду. Проводится реконструкция рудника, при этом прилагаются все усилия, чтобы вернуть территорию, по крайней мере, в первоначальное состояние. При обработке и утилизации красного шлама с нефтеперерабатывающих заводов соблюдается осторожность. Этот шлам обычно закачивается в дамбы, которые закрываются непроницаемым материалом для предотвращения загрязнения окружающей местности.

Обработка

Почти на всех промышленных предприятиях глинозем извлекается из бокситов методом рафинирования Bayer. Этот процесс, открытый Карлом Йозефом Байером в 1888 году, состоит из четырех стадий.

Пищеварение: тонко измельченный боксит подается в обогреваемый паром агрегат, называемый варочным котлом. Здесь он смешивается под давлением с горячим раствором каустической соды. Оксид алюминия, содержащийся в боксите (и химически активный кремнезем), вступает в реакцию с каустической содой, образуя раствор алюмината натрия или зеленого щелока и осадок алюмосиликата натрия.

Осветление: сырой щелок или глиноземсодержащий раствор отделяется от отходов: нерастворенных оксидов железа и кремнезема, которые были частью исходного боксита, а теперь входят в состав песка и отходов из красного шлама. Этот этап включает в себя три этапа: во-первых, крупнозернистые отходы размером с песок удаляются и промываются для получения каустической соды; во-вторых, красный шлам отделяется; и, наконец, оставшийся зеленый раствор прокачивается через фильтры для удаления любых остаточных примесей. Песок и ил перекачиваются вместе в отстойники, а сырой раствор перекачивается в теплообменники, где он охлаждается с 1000°C примерно до 650-790°C.

Осадок:глинозем осаждается из раствора в виде кристаллов гидрата глинозема. Для этого сырой щелочной раствор смешивают в высоких емкостях-осадителях с небольшим количеством мелкокристаллического глинозема, что стимулирует осаждение твердого гидрата глинозема по мере остывания раствора. По завершении процесса твердый гидрат глинозема передается на следующую стадию, а оставшийся раствор, содержащий каустическую соду и некоторое количество глинозема, возвращается в варочные котлы.

Прокаливание: гидрат глинозема промывают, чтобы удалить остатки щелока, а затем сушат. Затем его нагревают примерно до 1000°C для удаления кристаллизационной воды, в результате чего глинозем становится сухим, чисто белым, песчаным материалом. Часть глинозема может быть оставлена в виде гидрата или подвергнута дальнейшей переработке для химической промышленности.

Глинозем превращается в алюминий в процессе плавки. Все виды промышленного производства алюминия основаны на процессе плавки Холла-Эру, при котором алюминий и кислород, содержащиеся в глиноземе, разделяются электролизом. Электролиз заключается в пропускании электрического тока через расплавленный раствор оксида алюминия и природного или синтетического криолита (фторида алюминия натрия). Расплавленный раствор содержится в восстановительных камерах или емкостях, дно которых выстлано углеродом (катодом) и соединено в электрическую цепь, называемую электролизером. В верхнюю часть каждой емкости вставлены углеродные аноды, дно которых погружено в расплавленный раствор.

При прохождении электрического тока кислород из оксида алюминия соединяется с углеродом анода, образуя газообразный диоксид углерода. Оставшийся расплавленный металлический алюминий скапливается на катоде на дне котла. Периодически его откачивают и направляют в большие печи для выдержки. Удаляются примеси, добавляются легирующие элементы, и расплавленный алюминий разливается в слитки.

Процесс плавки является непрерывным. По мере уменьшения содержания глинозема в криолитовой ванне добавляется еще больше глинозема. Тепло, выделяемое при прохождении электрического тока, поддерживает криолитовую ванну в расплавленном состоянии, что приводит к растворению глинозема. В процессе плавки потребляется большое количество энергии; для производства одной тонны алюминия из примерно двух тонн глинозема требуется от 14 000 до 16 000 киловатт-часов электроэнергии. Алюминий иногда называют "твердым электричеством" из-за большого количества энергии, используемой при его производстве. Таким образом, наличие дешевой электроэнергии имеет важное значение для экономического производства.

Алюминиевые слитки изготавливаются различных форм и размеров в зависимости от их конечного назначения. Они могут быть раскатаны в пластины, жести, фольгу, бруски или стержни. Из них может быть вытянута проволока, которая скручивается в кабель для линий электропередачи. Прессы выдавливают слитки в сотни различных полезных и декоративных форм, а заводы-изготовители могут перерабатывать их в крупные конструктивные формы.

Дополнительная информация

• Дополнительная информация о ресурсах и производстве