Природные соединения алюминия

Оглавление

1 Алюминий

         1.1 Физические свойства

         1.2 Нахождение на природе

2 Электролиз расплавленных сред

 2.1 Теоретические основы электролиза расплавленных сред

         2.1.1 Общие сведения

         2.1.2 Растворимость металлов в их расплавленных солях

2.2 Производство алюминия

          2.2.1 Свойства алюминия и области его применения

          2.2.2 История развития алюминиевой промышленности

          2.2.3 Сырье для производства алюминия

          2.2.4 Переплавка и рафинирование алюминия

Алюминий

Алюми́ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (поустаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, сатомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо - белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

1.1Физические свойства

· Металл серебристо-белого цвета, лёгкий

· плотность — 2,7 г/см³

· температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C

· удельная теплота плавления — 390 кДж/кг

· температура кипения — 2500 °C

· удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг

· временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм²

· Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм²

· высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу

· Модуль Юнга — 70 ГПа

· Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·10⁶ См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

· Слабый парамагнетик.

· Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10⁻⁶ К⁻¹ (20…200 °C).

· Удельное сопротивление 0,0262..0,0295 Ом·мм²/м

· Температурный коэффициент электрического сопротивления 4,3·10⁻³K⁻¹. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием(силумин).

1.2 Нахождение на природе

Распространённость

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре по данным различных исследователей оценивается от 7,45 до 8,14 %

Природные соединения алюминия

В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из природных минералов алюминия:

· Бокситы — Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)

· Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄

· Алуниты — (Na,K)₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)

· Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al₂O₃

· Полевые шпаты — (K,Na)₂O·Al₂O₃·6SiO₂, Ca[Al₂Si₂O₈]

· Каолинит — Al₂O₃·2SiO₂ · 2H₂O

· Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al₂О₃ · 6SiO₂

· Хризоберилл (александрит) — BeAl₂O₄.

Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях (жерла вулканов) найдены ничтожные количества самородного металлического алюминия

 

Электролиз расплавленных сред

Электролиз расплавленных сред впервые был применен свыше 150 лет

тому назад Г.Деви для выделения в свободном виде натрия и калия. Электро-

лизом расплавленных соединений могут быть получены многие металлы, их

сплавы и неметаллы. Однако в промышленности этот метод получил значение

в основном для производства металлов, имеющих наиболее электроотрица-

тельные электродные потенциалы, и для получения некоторых их сплавов.

Это относится главным образом к группе так называемых легких металлов,

имеющих, как правило, невысокую температуру плавления и обладающих вы-

сокой химической активностью.

В настоящее время электролиз расплавленных сред приобретает все

большее значение для технического получения тугоплавких металлов, таких,

например, как титан, цирконий, торий, хром, марганец и других металлов, а

также для получения фтора.

Общие сведения

Установлено что многие расплавленные соединения имеют высокую

электропроводность, т. е. являются хорошо диссоциированными электролита-

ми. Процессы в них подчиняются в основном тем же законам электрохимии,

как и в водных растворах электролитов. Расплавленные соли обладают ионной

проводимостью, а процессы электролиза в них подчиняются законам Фарадея.

В расплавленных электролитах возможно создание тех же типов гальва-

нических цепей, как и в водных растворах. Последовательность разряда ионов

при электролизе расплавов сохраняет зависимость, сходную с таковой для

водных растворов. Из-за отсутствия воды процессы при электролизе рас-

плавов протекают гораздо проще. Однако электролиз расплавленных соеди-

нений сопровождается рядом специфических явлений. Причиной их является

высокая температура процесса, вызывающая резкое возрастание скорости хи-

мических реакций. Электролит и продукты электролиза могут реагировать

между собой и с воздухом, а также с материалами электродов и электролизера.

Возникающие при этом новые химические соединения и имеющиеся в техни-

ческих солях примеси также не остаются безучастными, увеличивая количе-

ство возможных химических и электрохимических реакций.

В результате простая на первый взгляд схема процесса электролиза таких,

например, солей, как MgCl при получении магния или NaCl при получении

натрия, превращается в сложную.

Производство алюминия

          2.2.1 Свойства алюминия и области его применения

Алюминий — химический элемент третьей группы периодической систе-

мы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 13, атомная масса

26,98. Устойчивых изотопов алюминии не имеет.

Химические свойства

Взаимодействие с неметаллами

С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃,

реакция сопровождается большим выделением тепла.

Выше 200°С реагирует с серой с образованием сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃.

При 500°С – с фосфором, образуя фосфид алюминия:

Al + P = AlP.

При 800°С реагирует с азотом, а при 2000°С – с углеродом, образуя нитрид и карбид:

2Al + N₂ = 2AlN,

4Al + 3C = Al₄C₃.

С хлором и бромом взаимодействует при обычных условиях, а с йодом при нагревании, в присутствии воды в качестве катализатора:

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃

С водородом непосредственно не взаимодействует.

С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения – алюминиды, например, CuAl₂, CrAl₇, FeAl₃ и др.

Взаимодействие с водой

Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

в результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

Взаимодействие с кислотами

Легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂;

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂;

8Al + 30HNO₃ = 8Al(NO₃)₃ + 3N₂O + 15H₂O (в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония).

С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:

2Al + 6H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O;

Al + 6HNO₃ = Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O.

Взаимодействие со щелочами

Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:

в растворе с образованием тетрагидроксодиакваалюмината натрия:

2Al + 2NaOH + 10H₂O = 2Na[Al(H₂O)₂(OH)₄] + 3H₂

при сплавлении с образованием алюминатов:

2Al + 6KOH = 2KAlO₂ + 2K₂O + 3H₂.

Области применения

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Это − небольшая плотность алюминия, хорошая пластичность и достаточная механическая прочность, высокие тепло- и электропроводность. Алюминий нетоксичен, немагнитен и коррозионностоек к ряду химических веществ. Благодаря всем этим свойствам, а также относительно невысокой стоимости по сравнению с другими цветными металлами он нашел исключительно широкое применение в самых различных отраслях современной техники.

 

Значительная часть алюминия используется в виде сплавов с кремнием медью, магнием, цинком, марганцем и другими металлами. Промышленные алюминиевые сплавы обычно содержат не менее двух−трех легирующих элементов, которые вводятся в алюминий главным образом для повышения механической прочности.

Наиболее ценные свойства всех алюминиевых сплавов − малая плотность

(2,65÷2,8), высокая удельная прочность (отношение временного сопротивления к плотности) и удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии.

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением, поэтому они должны обладать высокой пластичностью. Из деформируемых сплавов широкое применение нашли дуралюмины − сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем. Имея небольшую плотность, дуралюмины по механическим свойствам близки к мягким сортам стали. Из деформируемых

алюминиевых сплавов, а также из чистого алюминия в результате обработки давлением (прокатка, штамповка) получают листы, полосы, фольгу, проволоку, стержни различного профиля, трубы. Расход алюминия на изготовление этих полуфабрикатов составляет около 70 % его мирового производства.

Остальной алюминий применяется для изготовления литейных сплавов, порошков, раскислителей, а также для других целей.

Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации. Широко известны литейные сплавы на основе алюминия − силумины, в которых основной легирующей добавкой служит кремний (до 13%).

В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов — авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.

Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь − воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной (“мертвой”) массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их

применения. Из алюминия и его сплавов изготавливают авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.

Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготавливают корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы.

Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов.

Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и хранения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.

Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники − ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия раз личных химических веществ и атмосферной коррозии. Высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из него отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал.

В металлургической промышленности алюминий используют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома, кальция, марганца) алюмотермическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей.

Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. По масштабам производства и значению в народном хозяйстве алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов.

 

Исходное сырье

Алюминий − один из наиболее распространенных в природе элементов:

по содержанию в земной коре (7,45 %) он уступает только кислороду и крем-

нию.

Вследствие высокой химической активности алюминий в природе встре-

чается только в связанном виде. Число минералов, содержащих алюминий,

очень велико: по данным академика А. Е. Ферсмана, таких минералов насчи-

тывается около 250.

Ниже приведены наиболее важные из этих минералов с указанием содер-

жания в них Аl2O3, %:

Корунд Al2O3 100

Диаспор, бемит Al2O3·Н2О 85,0

Шпинель Al2O3·MgO 71,0

Гиббсит (гидраргиллит) Al2O3·3Н2О 65,4

Кианит, андалузит, силлиманит Al2O3·SiO2 63,0

Каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O 39,5

Серицит, мусковит К2О·3Аl2О3·6SiO2·2Н2О 38,4

Алунит К₂S0₄·Аl₂(S04)₃·4Аl(ОН)₃ 37,0

Анортит CaO·Al₂O₃·2SiO₂ 36,7

Нефелин (Na,К)2O·Al₂O₃·2SiO₂ 32,3÷35,9

Лейцит K₂O·Al₂O₃·4SiO₂ 23,5

Альбит Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂ 19,3

Ортоклаз К₂О·АlО₃·6SiO₂ 18,4

Из содержащих алюминий минералов наиболее распространены в приро-

де алюмосиликаты: полевые шпаты (ортоклаз, альбит), нефелин, минералы

группы силлиманита, лейцит и др. Эти алюмосиликаты имеют первичное

происхождение и являются главной составляющей многих вулканических по-

род. Первичное происхождение имеют также химические соединения оксида

алюминия с оксидами других металлов (шпинели) и корунд. Прозрачные раз-

новидности корунда, окрашенные оксидами других металлов или бесцветные, являются драгоценными камнями (рубин, сапфир, лейкосапфир).

Под воздействием изменений температуры, кислых и щелочных раство-

ров, углекислоты происходит разрушение горных пород первичного происхо-

ждения. В результате такого разрушения образовались многочисленные вто-

ричные породы, которые характеризуются более высоким содержанием окси-

да алюминия. В составе этих вторичных пород алюминий находится в виде

гидроксидов (бокситы), каолинита (глины, каолины, глинистые сланцы), алу-

нита (алунитовые породы). Из алюминиевой руды, как правило, сначала получают оксид алюминия (глинозем). Далеко не все горные породы, содержащие алюминий, можно использовать для получения глинозема.

При оценке качества алюминиевой руды учитывают целый ряд факторов:

химический и минералогический состав руды, возможность извлечения из нее глинозема известными способами, а также условия залегания руды, удаленность месторождения от путей сообщения, наличие источников топлива, воды и многие другие. В настоящее время в качестве алюминиевых руд используют бокситы, нефелиновые и алунитовые породы, каолины, кианитовые породы. Возможным сырьем для получения глинозема также являются серициты, высокоглиноземистые золы, образующиеся при сжигании углей, металлургические шлаки, отходы обогащения углей.

Бокситы − важнейшая алюминиевая руда. На долю бокситов приходится

основная часть мирового производства глинозема. Алюминиевая промышленность зарубежных стран практически полностью работает только на бокситах.

В нашей стране наряду с бокситами для производства глинозема в значитель-

ных количествах используются нефелиновые и алунитовые руды.

Бокситы являются сложной горной породой, алюминий в которых нахо-

дится в виде гидроксидов − диаспора и бемита (одноводные оксиды), гиббсита

или гидраргиллита (трехводный оксид). Наряду с гидроксидами часть алю-

миния может находиться в бокситах в виде корунда, каолинита и других минералов. Кроме того, в состав боксита в виде различных химических соединений входят железо, кремний, титан и другие элементы. Железо может находиться в бокситах в виде гематита Fе2О3, гетита 2Fе₂0₃.Н₂О, сидерита FеСО₃, пирита FeS₂, шамозита 4FеО·Аl₂O₃·3SiO₂·4Н₂O и ряда других соединений. Кремний присутствует в бокситах в виде кварца, опала, халцедона (различные модифи-

кации SiO2), каолинита, шамозита и некоторых других минералов. Основные

титановые минералы в бокситах: анатаз и рутил TiO₂ и ильменит FeO·TiO₂. В

бокситах могут присутствовать также карбонаты кальция СаСО3 и магния

MgCO₃, органические соединения, соединения серы, фосфора, хрома и других

элементов. Сера присутствует в бокситах в основном в виде пирита и его кол-

лоидной разновидности − мельниковита, фосфор − в виде апатита

3Cа₃(РO₄)₂·СаF₂. В небольших количествах в бокситах часто присутствуют со-

единения редких элементов: ванадия, галлия, циркония, ниобия и др. Всего в

 

составе бокситов в виде различных соединений обнаружено 42 химических

элемента. Химический состав бокситов, а также их физические свойства весьма различны. В них содержится Аl₂О₃ 35÷70 %, SiO₂ − от десятых долей до 25 %, Fе₂О₃ 2÷40 %, TiO₂ − от следов до 11 %. Содержание ряда элементов в бокситах измеряется сотыми и даже тысячными долями процента, например ванадия 0,025÷0,15 %, галлия 0,001÷0,007 %.

По внешнему виду бокситы часто похожи на глину, цвет их − от белого до темно-красного (чаще всего красный с различными оттенками). Структура бокситов может быть плотной и пористой. Плотность их от 1,2 до 3,5 г/см3,твердость от 2 до 7 (по шкале Мооса).

Различают каменистые, рыхлые и глинистые бокситы, которые отличают-

ся не только своими физическими свойствами, но и химическим и минерало-

гическим составом. Каменистые бокситы являются, как правило, высокожелезистыми; содержание оксида кремния в них обычно невелико. Рыхлые бокси-

ты отличаются от каменистых в основном более высоким содержанием каолинита при уменьшенном количестве гидроксида алюминия. Глинистые бокситы характеризуются высоким содержанием каолинита и низким содержанием оксидов железа.

В зависимости от того, в какой минералогической форме гидроксиды

алюминия находятся в бокситах, они делятся на диаспоровые, бемитовые,

гиббситовые и смешанные. В смешанных бокситах одновременно присутствуют две формы гидроксида алюминия (диаспор-бемитовые, гиббсит-бемитовые

бокситы). Наибольшее влияние на качество бокситов оказывает содержание в них

оксидов алюминия и кремния. Отношение содержания Аl2О3 в боксите к со-

держанию SiO2 (по массе) называют кремневым модулем боксита. Чем

больше величина кремневого модуля, тем выше качество боксита.

По ГОСТ 972−84 в зависимости от вида потребления бокситы

подразделяются на 7 марок:

ЭБ-1 и ЭБ-2 – Производство электрокорунда

ЦБ-1 – Производство глиноземистого цемента

ЦБ-2 – Производство цемента

ОБ – Производство огнеупоров

ГБ – Производство глинозема

МБ – Мартеновское производство стали

Комплексный показатель качества боксита, перерабатываемого на глино-

зем (марка ГБ), зависит от технологической схемы его переработки и от содержания в нем А12O3, SiO2 и других составляющих, которые оказывают влияние на эффективность переработки. Большая часть мировых запасов бокситов сосредоточена в остаточных

месторождениях. Это − основные месторождения Африки, полуострова Индостан, Центральной и Южной Америки, Австралии.

Разведанные запасы бокситов в нашей стране относительно невелики и

качество их в основном невысокое. Кроме того, часть месторождений находится в районах, трудных для освоения, и непригодна для разработки болееэффективным открытым способом.

Наиболее важным является Североуральское месторождение бокситов в

Свердловской области. Ряд месторождений бокситов бемит- диаспорового

типа открыт на Южном Урале в Челябинской области и Башкирской АССР.

Южноуральские бокситы характеризуются повышенным содержанием крем-

незема и оксида углерода (IV), а также высокой твердостью. Их добывают также подземным способом. Добываемые бокситы в среднем содержат, % (по

массе): Аl2O3 50÷53; SiO2 5÷10 и Fе2О3 21÷22. В Северном Казахстане (в районе Тургайского прогиба) известен ряд месторождений гиббситовых бокситов: Амангельдинское, Краснооктябрьское, Белинское, Аятское и др. Тургайские

бокситы в основном относятся к среднежелезистому типу, имеют относительно высокое содержание каолинита и низкий кремневый модуль. Тургайские бокситы добывают открытым способом. В основной массе бокситов в среднем содержится 42÷44 % Аl2O3, 9÷11 % SiO2 и 16÷20 % Fе2О3 при кремневом модуле 4÷5.

В Ленинградской области находится Тихвинское месторождение гиббсит-

бемитовых бокситов. Химический состав и физические свойства тихвинских

бокситов весьма разнообразны, но в целом качество их невысокое. В настоя-

щее время запасы тихвинских бокситов в основном исчерпаны. В Архангель-

ской области в районе Северной Онеги ведется разработка месторождения

гиббсит-бемитовых бокситов. Североонежские бокситы характеризуются вы-

соким содержанием глинозема (51÷56%), небольшим содержанием оксида же-

леза (6÷9%), но имеют низкий средний кремневый модуль − около трех. Североонежские бокситы в отличие от бокситов других месторождении содержат относительно много хрома (0,5÷0,8%.Сr2O3); кремнезем (16÷20%) находится в боксите в основном в виде каолинита. Бокситы добывают открытым способом. Зарубежная алюминиевая промышленность в основном работает на высококачественных бокситах гиббситового типа. Лишь в отдельных странах

(Франция, Греция и др.) имеются заводы, работающие на бемитовых бокситах.

Крупные месторождения бокситов находятся в Австралии, на африканском

континенте (Гвинея, Гана), в странах Южной Америки (Суринам, Гайана, на

Ямайке, Бразилия). В Азии большие запасы бокситов имеются

в Индии, Индонезии, Китае, Малайзии. На европейском континенте крупные

месторождения бокситов имеются во Франции, Венгрии, Югославии и Гре-

ции. Такие страны Европы, как ФРГ, Норвегия, Швеция и Англия, обладаю-

щие сравнительно развитой алюминиевой промышленностью, собственных

месторождений бокситов почти не имеют и используют привозное сырье (глинозем и бокситы). Соединенные Штаты значительную часть перерабатывае-

мых бокситов ввозят из других стран. Канада, имеющая развитую алюминие-

вую промышленность, собственных бокситов не имеет и экспортирует сырье

(бокситы и глинозем) из многих стран Америки и Африки.

 

В нашей стране также перерабатывается некоторое количество бокситов,

поступающих из зарубежных стран: Гвинеи, Югославии, Греции. Поступаю-

щий из Гвинеи гиббситовый боксит имеет следующий состав, % (по массе):

Al₂O₃ 45÷48; Fe₂O₃ 20÷25; SiO₂ 1,5÷2,5.

Наряду с бокситами в нашей стране для производства глинозема исполь-

зуют нефелины и алуниты. Вовлечение в производство новых видов сырья

позволило не только расширить сырьевую базу алюминиевой промышленно-

сти, но и более рационально разместить алюминиевую промышленность.

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов, уртитов и других по-

род. Запасы уртитов были обнаружены на Кольском полуострове − в Хи-

бинских горах. Основными компонентами Кольских уртитов являются апатит

3Cа₃(РО₄)₂·СаF₂ и нефелин (Na, K)2O·Al₂O₃·2SiO₂. Содержание апатита в руде

в среднем составляет 43 %, нефелина 38 %, остальное − пироксены, сфен, ти-

таномагнетит, полевой шпат и другие минералы. В природном нефелине моле-

кулярное отношение SiO₂ к Al₂O₃ несколько более 2; состав нефелина может

быть выражен следующей формулой (Na,К)2O·Al₂O₃·(2+n) SiO₂,где n = 0÷0,5.

Руду подвергают флотационному обогащению. При этом получается апа-

титовый концентрат, который используют для производства фосфорных удо-

брений, и нефелиновые хвосты. Хвосты вновь подвергают флотации (пере-

чистке) и получают нефелиновый концентрат − сырье для производства гли-

нозема.

Нефелиновый концентрат представляет собой измельченный материал, в

котором от 20 до 40 % фракции менее 0,085 мм. Содержание нефелина в нефе-

линовом концентрате достигает 95%.

По техническим условиям (МРТУ 6-12-54−80) нефелиновый концентрат

должен содержать (в пересчете на сухое вещество) не менее 28,5% Аl₂O₃ и

17,5% (Na₂O+K₂O). Средний химический состав концентрата следующий, %

(по массе): Аl₂O₃ 28,5; SiO₂ 44; Fe₂O₃ 3,5; (Na₂O+K₂O) 18.

Месторождение уртитов Кия-Шалтырское обнаружено в Кемеровской об-

ласти, которое характеризуются высоким качеством и в отличие от других известных нефелиновых руд могут перерабатываться без предварительного обогащения.

По техническим условиям (ТУ 48-0113−81) нефелиновая руда этого месторождения должна содержать не менее 26,5 % Аl₂O₃ и 12,4,% (Na₂O+K₂O в пересчете на Na₂O). Руда представляет собой светло-серую, средне- и крупнозернистую породу, содержащую в среднем 85 % нефелина. По содержанию оксида алюминия кияшалтырская руда мало отличается от Кольского нефелинового концентрата, но содержит меньше щелочей и больше оксида железа.

Наряду с глиноземом при переработке нефелиновых руд и концентратов

получают соду и поташ. Кроме того, отходы глиноземного производства − белитовые шламы используют для получения цемента. Следовательно, нефелиновые руды являются комплексным сырьем, что делает переработку их экономически целесообразной, несмотря на низкое по сравнению с бокситами содержание глинозема. Алуниты входят в состав алунитовых пород, месторождения которых об наружены в Азербайджане, Казахстане, Узбекистане и на Украине. В минералогическом отношении алунит представляет собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K₂SO₄·А1₂(SO₄)3·4А1(ОН)₃.

Различают натриевую и калиевую разновидности алунита: натриевая – с молекулярным отношением Na₂O:K₂O=(1,76÷6):1, калиевая − Na₂O:K₂O=1:2. В промышленных месторождениях обычно находится изоморфная смесь этих

двух разновидностей с преобладанием калиевой.

Минералы группы силлиманита (кианит, силлиманит, андалузит) входят

в состав ряда горных пород, месторождения которых обнаружены на Коль-

ском полуострове, в Сибири, на Урале. Наиболее крупным из них является месторождение кианитов на Кольском полуострове. Среднее содержание кианита в руде этого месторождения 30÷40%. При обогащении руды методом флотации выделен концентрат, содержащий до 60 % Аl₂O₃. Кианитовый концентрат − хорошее сырье для получения алюмокремниевых сплавов и высокоглиноземистых огнеупоров.

Глины и каолины − наиболее распространенные глиноземсодержащие

породы. В стране имеется ряд крупных месторождений высококачественных

глин и каолинов на Урале и в Сибири. Алюминий находится в глинах в виде

водного алюмосиликата − каолинита. Чистые глины с высоким содержанием

каолинита и соответственно небольшим содержанием примесей называются

каолинами. Качество каолинов, как алюминий содержащего сырья, определя-

ется, прежде всего, содержанием каолинита и возможностью их обогащения.

Каолины в настоящее время используют для получения кремнеалюминиевого

сплава − силикоалюминия непосредственным восстановлением; они являются также возможным сырьем для получения глинозема кислотными способами и способом спекания.

Серицит Ка₂О·ЗАl₂O₃·6SiO₂·2Н₂О − водный алюмосиликат калия содер-

жит около 10 % К₂О и свыше 39 % Аl₂O₃. При флотационном обогащении не-

которых медных руд получаются хвосты с высоким содержанием серицита.

Повторной флотацией хвостов удается выделить концентрат, состоящий почти

из чистого серицита. Этот концентрат может быть использован для получения

глинозема, щелочи и цемента.

Сырьем для получения глинозема могут служить каменноугольные золы,

отходы обогащения каменных углей и глиноземистые шлаки, образующие-

ся при восстановительной плавке некоторых железных руд. Содержание Аl₂O₃

в золе от сжигания некоторых углей, а также в хвостах от обогащения углей

достигает 30÷40 %, остальное − в основном кремнезем.

 

Оглавление

1 Алюминий

         1.1 Физические свойства

         1.2 Нахождение на природе

2 Электролиз расплавленных сред

 2.1 Теоретические основы электролиза расплавленных сред

         2.1.1 Общие сведения

         2.1.2 Растворимость металлов в их расплавленных солях

2.2 Производство алюминия

          2.2.1 Свойства алюминия и области его применения

          2.2.2 История развития алюминиевой промышленности

          2.2.3 Сырье для производства алюминия

          2.2.4 Переплавка и рафинирование алюминия

Алюминий

Алюми́ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (поустаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, сатомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо - белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

1.1Физические свойства

· Металл серебристо-белого цвета, лёгкий

· плотность — 2,7 г/см³

· температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C

· удельная теплота плавления — 390 кДж/кг

· температура кипения — 2500 °C

· удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг

· временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм²

· Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм²

· высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу

· Модуль Юнга — 70 ГПа

· Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·10⁶ См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

· Слабый парамагнетик.

· Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10⁻⁶ К⁻¹ (20…200 °C).

· Удельное сопротивление 0,0262..0,0295 Ом·мм²/м

· Температурный коэффициент электрического сопротивления 4,3·10⁻³K⁻¹. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 Кельвина.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием(силумин).

1.2 Нахождение на природе

Распространённость

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре по данным различных исследователей оценивается от 7,45 до 8,14 %

Природные соединения алюминия

В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из природных минералов алюминия:

· Бокситы — Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)

· Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄

· Алуниты — (Na,K)₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)

· Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al₂O₃

· Полевые шпаты — (K,Na)₂O·Al₂O₃·6SiO₂, Ca[Al₂Si₂O₈]

· Каолинит — Al₂O₃·2SiO₂ · 2H₂O

· Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al₂О₃ · 6SiO₂

· Хризоберилл (александрит) — BeAl₂O₄.

Тем не менее, в некоторых специфических восстановительных условиях (жерла вулканов) найдены ничтожные количества самородного металлического алюминия