Производство алюминия. Сплавы

Алюминий в промышленности получают электролизом расплава глинозема в криолите Na₃AlF₆ . Добавка последнего к оксиду алюминия в соотношении 12:1 понижает т.пл. с 2050⁰С до 1000⁰С (отсюда название «криолит», что означает «охладитель»). Считают, что в расплаве глинозем диссоциирует на катионы AlO⁺ и анионы (AlО₂)^-. Последние при электролизе разряжаются на аноде (угольном) с образованием О₂. А на катоде (дно электролитической ванны, сделанной тоже из угля), выделяется алюминий (содержащий 0,3% примесей).

Производство алюминия связано с выбросом в атмосферу многих вредных веществ, например: HF, SiF₄ , C₂F₆ , NO_x , SO_x , CO_x , H₂S , CS₂ , CSO, бенз(а)пирен¹ и др. Часть их образуется из криолита. Остальные получаются, в основном, при окислении углеводородов и примесных веществ (содержащихся в угольных электродах) атомарным кислородом (промежуточным продуктом анодного окисления).

Для снижения выбросов предлагается использовать обожженные электроды или т.н. «нерасходуемые» (из спрессованных с медью оксидов Ni и Fe), а для улавливания кислотных компонентов – отходящие газы пропускать через раствор щелочи. Для очистки используют также сорбенты, в частности, на основе оксида алюминия.

Но эти меры применяются далеко не на всех заводах, производящих алюминий. А производится его много, т.к. он широко используется на практике, поскольку легок, пластичен, коррозионно устойчив, хорошо сваривается, легко утилизируется. Поэтому идет на изготовление фольги, тары (4 из 5 банок для напитков в мире – из алюминия²) и т.д., но он не прочен.

Однако легирующие добавки: Cu, Mg, Si, Mn и др. резко повышают прочность, превращая Al в самый используемый металл. Его применяют в авиации, строительстве, транспортном машиностроении, химической, нефтяной промышленности и др.

Наиболее известный сплав – дюралюминий был получен еще в начале XX века (94% Al, 4% Cu,остальное – Mn, Mg, Si и Fe) – его прочность многократно увеличивается в процессе закалки (при резком охлаждении от 500⁰С до об.у) и последующего естественного старения (с образованием упрочняющих фаз за счет миграции меди).

Известен также сплав Al с Ni, который становится прочнее при нагревании. Достаточно прочен и силумин (Al, содержащий 10-14% Si), к тому же, сравнительно дешев, т.к. образуется при восстановлении природных алюмосиликатов, но хрупок. (Хотя в Японии разработан способ получения и пластичного силумина.)

Новые свойства алюминий приобретает также при повышении степени его чистоты. Например, Al, содержащий всего 10⁻⁵ % примесей, очищенный вакуумированием (для удаления летучих примесей) и зонной плавкой, не тускнеет на воздухе. Поэтому применяется в производстве зеркал (как и In). Кроме того, при добавлении к такому алюминию микроколичеств Sr образуется сверхтвердый материал, что используется при изготовлении зубных коронок.

Еще более чистый Al, содержащий менее 10⁻⁹ % примесей, синтезируют безтигельной плавкой в магнитном поле в вакууме. (Чтобы разрезать такой алюминий применяют искровой разряд, т.к., например, лазерный луч им полностью отражается).

Другие р-элементы III группы тоже применяют для получения сплавов. Например, добавление B к Fe, Al и др. сообщает им твердость, а введение In в Zn дает атмосферостойкий сплав, которым покрывают пропеллеры самолетов и т.д.

1. Бенз(а)пирен – это полиядерный концераген, вызывающий химический рак кожи.

2. Подчеркнем, что производство алюминия из вторсырья экологически безопасно и в 10 раз дешевле, трудность лишь в налаживании сбора, в частности, алюминиевой тары.