ДОМАШНЯЯ РАБОТА. Содержание

Уральский Федеральный Университет

имени первого президента России Б. Н. Ельцина

Металлургический факультет

Кафедра: «Обработка Металлов Давлением»

Оценка комиссии: __________

ДОМАШНЯЯ РАБОТА

по дисциплине «введение в специальность»

на тему: производство алюминия и его сплавов.

Студент группы Мт-100801: Гуторов А. С.

Преподаватель, профессор: А. А. Богатов.

Екатеринбург 2010

Содержание

Введение

2. Физико-механичесские свойства алюминия

3. Сырье, содержащее алюминий и его сплавы

4. Схема производства алюминия

5. Производство сплавов, сплавы алюминия

6. Способы обработки металлов давлением

Список литературы

1. Введение

       Около 100 лет назад Николай Гаврилович Чернышевский, сказал об алюминии, что этому металлу суждено великое будущее, что алюминий – металл социализма. Он оказался провидцем: в XX в. элемент №13 алюминий стал основой многих конструкционных материалов.
      Любопытно проследить динамику производства алюминия за полтора столетия, прошедших с тех пор, как человек впервые взял в руки кусочек легкого серебристого металла.
За первые 30 лет, с 1825 по 1855 г., точных цифр нет. Промышленных способов получения алюминия не существовало, в лабораториях же его получали в лучшем случае килограммами, а скорее – граммами. Когда в 1855 г. на Всемирной парижской выставке впервые был выставлен алюминиевый слиток, на него смотрели как на редчайшую драгоценность. А появился он на выставке потому, что как раз в 1855 г. французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девиль разработал первый промышленный способ получения алюминия, основанный на вытеснении элемента №13 металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl • AlCl3.
За 36 лет, с 1855 по 1890 г., способом Сент-Клер Девиля было получено 200 т металлического алюминия.
       В последнее десятилетие XIX в (уже по новому способу) в мире получили 28 тыс. т алюминия.
В 1930 г. мировая выплавка этого металла составила 300 тыс. т.
В 1975 г. только в капиталистических странах получено около 10 млн. т алюминия, причем эти цифры – не наивысшие. По сведениям американского журнала, производство алюминия в капиталистических странах в 1975 г. снизилось по сравнению с 1974 г. на 11%, или на 1, 4 млн. т.
Столь же поразительны перемены и в стоимости алюминия. В 1825 г. он стоил в 1500 раз дороже железа, в наши дни – лишь втрое. Сегодня алюминий дороже простой углеродистой стали, но дешевле нержавеющей. Если рассчитывать стоимость алюминиевых и стальных изделий с учетом их массы и относительной устойчивости к коррозии, то оказывается, что в наши дни во многих случаях значительно выгоднее применять алюминий, чем сталь.

2. Физико-механические свойства алюминия

Алюминий — это легкий и пластичный белый металл, матово-серебристый благодаря тонкой оксидной пленке, которая сразу же покрывает его на воздухе. Он относится к III группе периодической системы, обозначается символом Al, имеет атомный номер 13 и атомную массу 26, 98154. Температура его плавления составляет 660°. Алюминий чрезвычайно распространен в природе: по этому параметру он занимает четвертое место среди всех элементов и первое — среди металлов (8, 8% от массы земной коры), но не встречается в чистом виде. Его в основном добывают из бокситов, хотя известно несколько сот минералов алюминия (алюмосиликаты, алуниты и т. п. ), абсолютное большинство которых не подходит для получения металла.

Алюминий обладает замечательными свойствами, которые объясняют широчайший спектр его применения. По объемам использования в самых разных отраслях промышленности он уступает только железу. Ковкий и пластичный, алюминий легко принимает любые формы. Оксидная пленка делает его устойчивым к коррозии, а значит, срок службы изделий из алюминия может быть очень долгим. Кроме того, к списку достоинств необходимо добавить высокую электропроводимость, нетоксичность и легкость в переработке. Алюминий по электропроводности среди металлов занимает третье место после серебра и меди. Электропроводность отожженного алюминия составляет приблизительно 62% электропроводности отожженной стандартной меди, но благодаря малому удельному весу алюминий имеет проводимость на единицу массы в 2 раза большую, чем медь. Именно это дает представление об экономической выгодности применения алюминия в качестве материала для проводников. При равной проводимости (на одной и той же длине) алюминиевый проводник имеет площадь поперечного сечения на 60% большую, чем медный, а масса его составляет только 48% массы меди.

Алюминий необходим для производства автомобилей, вагонов скоростных поездов, морских судов. Самые разные виды продуктов из алюминия используются в современном строительстве. Алюминий практически вытеснил медь в качестве материала для высоковольтных линий электропередачи. Примерно половина посуды для приготовления пищи, продаваемой каждый год во всем мире, сделана именно из этого металла. Мы уже не можем представить магазин без алюминиевых банок для напитков и аптеку без лекарств, упакованных в алюминиевую фольгу.

Характеристики свойств алюминия:

Плотность r, (кг/м³) ∙ 10^–3	2, 7
Температура плавления Т_пл, ° С
Температура кипения Т_кип, ° С
Скрытая теплота плавления, Дж/г	393, 6
Теплопроводность l, Вт/м × град (при 20 ° С)
Теплоемкость С_р, Дж/(г × град) (при 0–100 ° С)	0, 88
Коэффициент линейного расширения a × 10⁶, 1/° С (при 25 ° С)	24, 3
Удельное электросопротивление r × 10⁸, Ом× м (при 20 ° С)	2, 7
Предел прочности s _в, МПа	40-60
Относительное удлинение d, %	40-50
Твердость по Бринеллю НВ
Модуль нормальной упругости E, ГПа

Преимущества алюминиевых конструкций:

практически неограниченная долговечность;
высокая прочность, при низком удельном весе;
устойчивость к коррозии, деформации и другим вредным воздействиям окружающей среды;
отсутствие особого ухода;
алюминий отличается особыми конструктивными возможностями, что позволяет изготавливать окна различной сложности, осуществлять любые проектные решения, создающие фирменный стиль предприятия;
большие возможности в области дизайна;
экологически чистый материал, не содержит примесей тяжелых металлов, не выделяет вредных веществ под воздействием внешней атмосферы и сохраняет работоспособность при резких перепадах температуры;
алюминиевые профили нового поколения обеспечивают высокие звукоизоляционные и теплосберегающие свойства окон и дверей;
алюминиевые окна пожаробезопасны, не подвержены горению.

3. Схема производства алюминия

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3. К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 oC), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в расплавленном криолите - минерале состава AlF3. 3NaF. Этот расплав и подвергают электролизу при температуре всего около 950 oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3, плавится при 960 oC и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующему проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 oC.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно, собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

Метод Байера

Основным этапом получения глинозема из бокситовой руды является извлечение из неё гидроокиси алюминия. Наиболее простым и распространенным способом извлечения из боксита гидроокиси алюминия является способ, предложенный Байером и называемый Байер-процессом. Он основан на следующем химическом свойстве гидрата окиси алюминия: кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав боксита, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щелочи, NaOH), высокой концентрации, а при понижении температуры и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Бесполезные для получения алюминия вещества, входящие в состав боксита (так называемый, балласт) не переходят при этом в растворимую форму или перекристализовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Поэтому после растворения гидроокиси алюминия балласт может быть отделен и удален в отвал. Очищенный от посторонних примесей раствор гидроокиси алюминия в щелочи (представляющий собой, в основном, раствор алюмината натрия NaAlO₂ подвергается кристаллизации. С этой целью концентрация щелочи и температура раствора понижаются до определенных значений, являющихся оптимальными для получения кристаллической гидроокиси алюминия. Кристаллизация существенно ускоряется, если в растворе уже присутствуют кристаллы гидроокиси алюминия достаточной крупности (зародыши). Поэтому на этом этапе в раствор специально вводят определенное количество мелкокристаллической гидроокиси алюминия, называемое затравкой. После достаточной степени кристаллизации производится отделение твердой гидроокиси от раствора. Глинозем (Al₂O₃) получается из гидроокиси алюминия (Al(OH)₃) прокаливанием в печах для удаления связанной воды.

4. Сырье, содержащее алюминий и его сплавы

Алюминий один их самых распространенных элементов в земной коре. Кларк алюминия равен 8, 05, что в пересчете на Al2Оз составляет около 15%.

Вследствие высокой химической активности он встречается в природе только в виде соединений, в основном, с кислородом и кремнием, то есть в алюмосиликатах, в состав которых входит натрий, калий, кальций и другие элементы. Алюминий входит в состав около 250 минералов, 40% которых относятся к алюмосиликатам. Наиболее распространены в природе соединения алюминия с кислородом.

К алюминиевым минералам, имеющим промышленное значение или перспективным в будущем, относятся:

Минерал	Содержание Al203, %
Корунд (Аl2О3) Гидраргиллит (Аl2О3 • 3Н2О) Кианит (Al203 • SiO2) Диаспор, бемит(Аl2О3-Н2О) Каолинит (Al2О3 • 2SiO2-2Н2О) Алунит [K2SO4 • A12(SO4)3 • 4Al (OH)3] Нефелин [(Na, K)2 О-Al2О3 • 2SiO2]	100, 0 85, 0 71, 0 63, 0 39, 5 37. 0 32. 3-35. 9

В настоящее время основным источником получения алюминия являются бокситы, содержащие алюминий в форме гидратированного оксида алюминия (Аl2Oз • nH2O), а также нефелины и алуниты. В перспективе возможно использование бесщелочных алюмосиликатов (кианитов, глин, каолинов) и некоторых промышленных отходов - высокоглиноземистых зол, шлаков и хвостов от обогащения углей.

За рубежом практически весь алюминий получают из бокситовых руд. В России для производства алюминия, кроме бокситов, используют также нефелины.

В бокситах, состоящих, главным образом, из гидратированных оксидов алюминия, железа, кремния, титана и некоторых других элементов, могут также присутствовать карбонаты кальция и магния, соединения серы, фосфора, хрома, а также в небольших количествах - соединения редких элементов (ванадия, галлия, циркония, ниобия и др. ). Всего в составе бокситовых руд обнаружено 42 элемента.

Химический состав бокситов изменяется в очень широких пределах как в разных месторождениях, так и в пределах одного месторождения. Содержание Аl2Оз в бокситах колеблется от 34 до 60%; SiO2 - от десятых долей до 25%; Fe2Оз - от 2 до 40%; TiO2 - от следов до 11%. Содержание многих сопутствующих элементов измеряется сотыми и даже тысячными долями процента.

По внешнему виду бокситы похожи на глину. Они могут иметь различные цвета и оттенки - от белого до темно-красного.

Важнейшие характеристики, определяющие качество бокситов, - содержание оксида алюминия и кремниевый модуль, который выражается отношением содержания Аl2Оз к SiO2. Чем выше кремниевый модуль, то есть чем больше содержание Аl2Оз и меньше SiO2, тем выше качество боксита.

По минералогическому составу различают маловодные (корундовые), одноводные (диаспоровые и бемитовые), трехводные (гидраргиллитовые) и смешанные типы бокситов. Обычно в бокситах присутствуют одновременно два минерала, содержащие оксид алюминия.

В России открыто несколько месторождений бокситов. Наиболее важные из них - Северо- и Южно-Уральское на Урале, Тихвинское в Ленинградской области и Вежано-Ворыквинское в Республике Коми. Высокое качество имеют только бокситы Северо-Уральского месторождения, качество остальных бокситов невысокое.

Технология получения металлического алюминия включает производства глинозема, криолита, фтористых солей, углеродной массы и электролиз алюминия.

Схема получения алюминия

В настоящее время отечественная алюминиевая промышленность для производства глинозема использует апатитонефелиновые породы Хивинского массива и нефелиновые сиениты ряда месторождений Сибири и Урала.

Апатитонефелиновые руды Кольского полуострова подвергают флотационному обогащению с получением апатитового и нефелинового концентратов. Средний состав нефелинового концентрата, %: Al203 - 29; SiO2 - 44; Fe2O3 -3; (Na2O + К2О) - 20%.

Нефелиновые сиениты Сибири являются высококачественным сырьем, и не требует предварительного обогащения.

Вследствие низкого содержания Al2О3 в нефелиновых рудах и концентратах их переработка на глинозем целесообразна только при попутном получении соды, поташа и использовании отходов комплексной технологии для производства цемента.

Алунитовые руды являются комплексным сырьем, содержащим, кроме алюминия, щелочи и серный ангидрид SО3- Их переработка на глинозем целесообразна только при комплексном использовании всех ценных составляющих. Содержание Al2Оз в. алунитовых рудах не превышает 20-22%.

Глины и каолины широко используют во многих отраслях промышленности при производстве керамики, огнеупоров и других изделий. Лучшие сорта каолинов, содержащие. до 49% Al2О3, используют либо в алюминиевой промышленности для получения алюминиево-кремниевых сплавов прямым восстановлением, либо в качестве сырья для получения глинозема.

Кианиты для производства глинозема не используются, но являются очень хорошим сырьем

для прямого получения силикоалюминия. Огромные запасы кианитовых пород находятся на Кольском полуострове и в Карелии.

Глинозем - чистый оксид алюминия (Аl2О3), Основной, исходный материал для, производства алюминия электролизом.

В зависимости от состава и физико-химических свойств сырья в промышленности глинозем можно получать щелочным, кислотным и кислотно-щелочным методами.

В настоящее время практически весь глинозем получают щелочным методом, который в свою очередь подразделяется на гидрохимический, термический и комбинированный. Наибольшее распространение получил способ Байера, разработанный в России и применяемый для переработки низко кремнистых бокситов.

5. Производство сплавов, сплавы алюминия.

Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава). Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2, 2-5, 2%), магнием (Mg: 0, 2-2, 7%) марганцем(Mn: 0, 2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения.

Силумин - легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Магналии - сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т. д. (деформируемые магналии).

Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малой плотностью (2, 5-2, 8 г/см3), высокая прочность (в расчете на единицу веса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий - одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.

Алюминий применяется и для алитирования (алюминирования) - насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т. е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.

6. Способы обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением дает возможность получить изделие, которое получает окончательную форму после дополнительной обработки, или готовое изделие, не нуждающееся в дальнейшем изменении размеров. Обработка давлением обеспечивает массовое производство деталей одинакового размера с минимальными затратами времени и труда. Этот вид обработки имеет ряд существенных преимуществ перед другими способами в отношении производительности и экономии металла, поскольку в результате однократного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла, заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т. д. ) при наименьшей их массе.

К примеру: при обработке резанием за один час работы револьверного станка можно получить 20 болтов (без резьбы) диаметром 12 мм и длиной 25 мм, на четырехшпиндельном автомате можно получить 80 таких же станков. Болтовысадочная ковочная машина за час дает 4200 штук таких же болтов.

При современных методах холодной штамповки, чеканки, калибровки, а также холодной высадке можно получить заготовки, почти не требующие обработки резаньем.

К основным способам обработки металлов давлением относятся процессы прокатки, волочения, прессования (выдавливания), свободной ковки, горячей и холодной объемной штамповки, а также листовой или холодной штамповки.

Прокатка

Сущность процесса прокатки заключается в деформировании (обжатии) металла между вращающимися валками, зазор между которыми меньше толщины обжимаемой заготовки.

Рис. 1. Прокатка

В результате обжатия поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличивается. Деформацию заготовки обычно определяют относительным обжатием, %:

, (1)

где - высота заготовки.

Практика производится гладкими цилиндрическими волоками и волоками, имеющими на своей поверхности особые проточки, называемые ручьями. При плотном соприкосновении волоков их ручьи образуют закрытые контуры, называемые калибрами. Комплект практичных волоков со станиной называют рабочей клетью.

Практика гладкими волоками дает листы и ленты, а ручьевыми волоками – различные прокатные профили.

Обычно относительное обжатие заготовки за один проход не превышает даже для горячего металла 70 – 30 %, поэтому окончательный профиль продукта получается многократным процессом повторения обработки заготовки при постепенном уменьшении зазора между волоками. При каждом пропуске заготовки площадь её поперечного сечения уменьшается, а форма и размеры постепенно приближаются к требуемым.

При горячей прокатке стали гладкими волоками угол захвата равен 15-24°, при холодной – 3-8°, сортового металла 25-27°.

Технологический процесс современного прокатного производства, не зависимо от вида получаемой продукции, состоит из нескольких этапов: подготовки исходного материала, нагрев его (в случае горячей прокатки), прокатки и отделки. Кроме того, на всех стадиях прокатки осуществляется контроль за ходом процесса и состоянием оборудования.