Аллюминий

ПЛАН 

Введение 

1. Основные понятия о технологических процессах производства алюминия и его сплавов. Структура и элементы технологического процесса. Оборудование. Классификация и маркировка сплавов.
2. Технико-экономические показатели технологических процессов производства алюминия и его сплавов.
3. Применение алюминия. Алюминий – материал будущего.

Список использованной литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Алюминий  и его сплавы играют важную роль в современной промышленности. Это обусловлено тем, что большинство промышленных сплавов алюминия обладает рядом уникальных свойств: сочетание высоких механических свойств (высокая удельная прочность б/у) и физических свойств (малая плотность у, высокая теплопроводность, которая в 3-3,5 раза выше, чем у стали).

     В примере приведены данные о потреблении алюминия и его сплавов в мире за 1998 год.

     

Рис.1. Применение алюминия и его сплавов в 1998 году в разных частях мира. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Основные  понятия о технологических  процессах производства алюминия и его  сплавов. Структура  и элементы технологического процесса. Оборудование. Классификация и маркировка сплавов.

 

     Производство  алюминия распадается на два цикла:

1. получение глинозема (окись алюминия). Одновременно получают соду, цемент, т. е. происходит комбинирование химической промышленностью с производством стройматериалов. Производство глинозема, будучи материалоемким производством, тяготеет к сырью.
2. получение алюминия. Производство металлического алюминия, будучи энергоемким производством, тяготеет к источникам дешевой электроэнергии. Для производства 1 тонны алюминия используется 2 тонны глинозема.

     Сырьем  для производства алюминия служат:

1. бокситы
2. нефелины и алуниты

     Для производства 1 тонны глинозема нужно 2 тонны бокситов, или 4-7 тонн нефелинов, или 15 тонн алунитов. Для выплавки 1 тонны алюминия требуется 20000 кВт/ч.

     Характерной чертой алюминиевой промышленности России является ее зависимость от толлинга (производство первичного алюминия из зарубежного сырья).

     Месторождения:

1. бокситы – Бакситогорск (Ленинградская область), Северо-Онежское - Плесецк (Архангельская область), Североуральск (север Свердловской области)
2. нефелины и апатиты в Хибиновских горах (Кольский полуостров), Горячегорск (у г. Ужур), Шалтырское месторождение – Кия (юг Красноярского края)

 
 

     Электролиз  хлорида алюминия (метод  фирмы «Алкоа»)

     В реакционном сосуде окись алюминия превращается сначала в хлорид алюминия. Затем в плотно изолированной  ванне происходит электролиз AlCl3, растворенного в расплаве солей KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и подается для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде.

     Преимуществами  данного метода перед существующим электролизом жидкого криолитоглиноземного расплава (Al2O3, растворенная в криолите Na3AlF6) считают: экономию до 30% энергии; возможность применения окиси алюминия, которая не годится для традиционного электролиза (например, Al2O3 с высоким содержанием кремния); замену дорогостоящего криолита более дешевыми солями; исчезновение опасности выделения фтора.

     Восстановление  хлорида алюминия марганцем (Toth — метод)

     При восстановлении марганцем из хлорида  алюминия освобождается алюминий. Посредством  управляемой конденсации из потока хлорида марганца выделяются связанные с хлором загрязнения. При освобождении хлора хлорид марганца окисляется в окись марганца, которая затем восстанавливается до марганца, пригодного к вторичному применению. Сведения в имеющихся публикациях весьма неточны, так что в данном случае придется отказаться от оценки метода.

     Получение рафинированного  алюминия

     Для алюминия рафинирующий электролиз с разложением водных солевых растворов невозможен. Поскольку для некоторых целей степень очистки промышленного алюминия (Al 99,5 — Al 99,8), полученного электролизом криолитоглиноземного расплава, недостаточна, то из промышленного алюминия или отходов металла путем рафинирования получают еще более чистый алюминий (Al 99, 99 R). Наиболее известен метод рафинирования — трехслойный электролиз.

     Алюминий  применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.

     Легирование — процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

     Введение  различных легирующих элементов  в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.

     Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.

     Алюминиевые сплавы

     Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы:

     1) деформируемые (имеют высокую  пластичность в нагретом состоянии);  
         2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).

     Такое деление отражает основные технологические  свойства сплавов. Для получения  этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.

     Сырьем  для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0,5-1,7 %. Эти сплавы называют силуминами. Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.

     Характерными  упрочняемыми сплавами являются дюралюминии — сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2,2-7 %.

     Среди не упрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.

     Марганец  и магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последующего старения.

     В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы — химического соединения Mg Al .

     Также для улучшения некоторых характеристик  алюминия в качестве легирующих элементов используются:

     Бериллий. Добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).

     Бор. Вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.

     Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.

     Галлий Добавляется в количестве 0,01 — 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

     Железо. В малых количествах (>0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.

     Индий. Добавка 0,05 — 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево-кадмиевых подшипниковых сплавах.

     Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

     Кальций. Придает пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

     Кремний. Является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.

     Олово. Улучшает обработку резанием.

     Титан. Основная задача титана в сплавах — измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.

     Литейных  алюминиевых сплавов очень много; их принято маркировать двумя  буквами АЛ (алюминиевый литейный). В соответствии с ГОСТ 2685-75 их принято делить на 5 групп.

     Группа  I – сплавы на основе системы алюминий – кремний(АЛ2, АЛ4, АЛ9). Эти сплавы часто называют силуминами, и они представляют интерес с точки зрения металловедения.

     Группа  II – объединяет много сплавов, имеющих основу алюминий – кремний – медь (АЛ3, АЛ5, АЛ6, а также АЛ32, содержащий, кроме трех основных компонентов, еще марганец и титан.

     Группа  III – сплавы на основе алюминий-медь (АЛ7, АЛ19), которые из-за наличия значительного количества меди дефицитны и дороги.

     Группа  IV – сплавы на основе системы алюминий-магний (АЛ8, АЛ13, АЛ22 и др.), обладающие низкой плотностью (почти в три раза легче стали), высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Двойные сплавы начали широко использовать для получения легких отливок различного оборудования для транспортных машин.

     К группе V относят сплавы алюминий и других компонентов. Эта группа особенно велика; наиболее популярны из этой группы сплав АЛ1, содержащий медь, никель и магний, сплав АЛ11, включающий, кроме алюминия и кремния. Большое количество цинка (7-12%) и не много магния. В эту группу входит также сплав АЛ24, содержащий магний, марганец, цинк, титан и др.

     При расчете производительности литейной машины учитывают следующие факторы: размер слитка, время кристаллизации и число одновременно отливаемых слитков; время, затрачиваемое на подготовительные и заключительные операции литья; время, необходимое на ремонт машины и чистку печей. Наибольшая производительность литейной машины при прочих равных условиях достигается при одновременной отливке слитков максимальной массы с затратой минимального времени на их отливку.