Из чего сделан алюминий

Алюминий, один из самых распространенных и широко используемых металлов во всем мире, не встречается в его чистой форме в природе. Вместо этого он существует в сочетании с другими элементами в минералах, требующих специальной экстракции и обработки для изолята. Понимание того, какой алюминий изготовлен из - из его естественных источников до химических и физических преобразований, которые он подвергается -, дает критическое понимание его свойств, производства и промышленного значения. В этой статье рассматриваются процессы происхождения, композиции и производства, которые определяют алюминий как материал.
Естественный источник: бокситная руда
Путешествие Алюминия начинается с боксита, первичной руды, из которой получен алюминий. Боксит представляет собой осадочную породу, образованную выветриванием алюминия - богатых пород (таких как гранит) в тропическом или субтропическом климате, где высокие осадки и теплые температуры вымывают кремнезем и другие минералы, оставляя концентрированные оксиды алюминия.
В химическом составе боксита преобладают алюминиевые гидроксиды, с типичными компонентами, включая:
• Gibbsite (al (OH) ₃): наиболее распространенный алюминий - несущий минерал в боксите, составляющий 50–70% его состава в высоких - качественных месторождениях.
• Boehmite (- alo (OH)) и Diaspore (- alo (OH)): эти гидратированные оксиды алюминия более распространены в боксите из более холодных или сухих областей, что требует более высоких температур обработки для извлечения алюминия.
• Примеси: боксит часто содержит оксиды железа (придавая ему красноватый - коричневый цвет), диоксид диоксида кремнезема, титана (tio₂) и небольшое количество органического вещества. Эти примеси должны быть удалены во время обработки, поскольку они могут поставить под угрозу качество конечного алюминия.
Глобальные запасы бокситов сосредоточены в таких странах, как Гвинея, Австралия и Китай, с депозитами различаются по чистоте, основанные на их геологическом образовании. High - Grade Bauxite содержит 45–55% оксида алюминия (al₂o₃), что делает его идеальным для эффективной продукции алюминия.
От боксита до глинозем: процесс Bayer
Перед тем как алюминиевый металл может быть получен, боксит уточняется в алюминий (оксид алюминия, al₂o₃) - белый, порошковой промежуточный продукт. Эта трансформация достигается за счет процесса Bayer, разработанного в 1887 году и до сих пор в отраслевом стандарте сегодня.
Ключевые шаги процесса Bayer:
1. Скрипление и шлифование: бокситная руда измельчается в мелкие частицы (1–2 см) и садится в тонкую суспензию, чтобы увеличить площадь поверхности для химических реакций.
2. Расширение: суспензион смешивается с горячим, концентрированным гидроксидом натрия (NAOH) в высоком - сосудах под давлением (дайдеров) при 140–280 градусах. Это реагирует с оксидами алюминия в боксите с образованием растворимого алюмината натрия (naalo₂), в то время как оксиды железа и диоксид титана остаются как нерастворимые твердые вещества:
Al (OH) ₃ + naOH → naalo₂ + 2 h₂o
(Гиббсит реагирует с гидроксидом натрия с образованием алюмината натрия)
3. Направление: смесь фильтровали для отделения алюмитного раствора натрия (называемый «беременный ликер») от нерастворимых примесей (известных как «красная грязь», в первую очередь оксиды железа и кремнезем). Красная грязь утилизируется, хотя усилия по переработке его (например, для строительных материалов) продолжаются.
4. ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ: Беременный ликер охлаждается, а алюминиевые семена гидроксида добавляются для запуска кристаллизации частиц чистого алюминия (Al (OH) ₃):
Naalo₂ + 2 h₂o → al (OH) ₃ ↓ + NaOH
(Алюминатный натрий реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия и регенерации гидроксида натрия)
5. Кальцинирование: гидроксид алюминия нагревается до 1000–1200 градусов в роторных печи, выходя из воды с образованием чистого оксида глинозема (al₂o₃):
2al (OH) ₃ → Al₂o₃ + 3 h₂o
Полученный глинозед на 99,5% чиста, с высокой темой плавления (2072 градуса), что делает его подходящим для производства алюминиевых металлов.
От алюминия до алюминиевого металла: зал - Héroult Process
Сам алюминий является электрическим изолятором, поэтому извлечение чистого алюминия требует плавления и электролиза. Это достигается через зал - Процесс Эрулта, разработанный независимо Чарльзом Холлом и Полом Эрултом в 1886 году, который остается единственным промышленным методом для производства первичного алюминия.
Ключевые шаги зала - Héroult Process:
1. Приготовление электролита: глинозем растворяется в расплавленном криолите (na₃alf₆), минерале, который действует как растворитель. Криолит снижает температуру плавления глинозем с 2072 года до ~ 960 градусов, снижая потребности в энергии. Небольшие количества алюминиевого фторида (ALF₃) и фторида кальция (CAF₂) добавляются для регулировки вязкости и проводимости электролита.
2. Электролиз: расплавленный электролит удерживается в большом углероде - стальных горшков (ячейки). Углеродный анод (положительный электрод) погружается в электролит, а оболочка углерода действует как катод (отрицательный электрод). Когда электрический ток (200–500 тыс. Лет) проходит через ячейку:
Дет Катод: алюминиевые ионы (Al³⁺) усиливают электроны и уменьшаются до расплавленного алюминиевого металла, который опускается до нижней части клетки:
Al³⁺ + 3 e⁻ → al (l)
Дет анод: оксидные ионы (O²⁻) теряют электроны и реагируют с углеродом с образованием углекислого газа:
2o²⁻ + c → co₂ (g) + 4 e⁻
3. Алюминиевый сбор: расплавленный алюминий (99,7–99,9% чистого) периодически отталкивается из ячейки и переносится в печи.
4. Разбегание (необязательно): чистый алюминий часто спланируется другими элементами (например, медь, магний, кремний), чтобы усилить прочность, коррозионную стойкость или другие свойства. Например, добавление 4–5% меди создает алюминий 2024, используемый в аэрокосмической промышленности.
Зал - héroult - Energy - интенсивный -, создающий одну тонну алюминия, требуется ~ 13 МВт -электроэнергии - Доступ к низкой - стоимости, низкая - углерода (eg, hydroelectriction.
Переработанный алюминий: закрытый - Система цикла
В то время как первичный алюминий получен из боксита, переработанный алюминий является еще одним основным источником, составляя ~ 30% глобального поставки алюминия. Переработанный алюминий «изготовлен из алюминия с ломами (например, банки для напитков, автомобильные детали, строительные отходы) посредством более простого процесса:
1. Сортирование и очистка: лом отсортируется с сплавами (чтобы избежать загрязнения) и очищается для удаления красок, масла или пластмасс.
2. Melting: чистый лом расплавлен в печи при ~ 660 градусах (намного ниже, чем зал - температуру процесса Héroult). Потоки или инертный газ используются для удаления примесей, таких как магний или водород.
3. Завещение: алюминий расплавленный переработанный переработанный
Утилизация алюминия использует всего 5% от энергии, необходимой для производства первичного алюминия, без потери качества. Это делает переработанный алюминий ключевым компонентом устойчивого производства металлов, соответствующей глобальной целях декарбонизации.
Химический состав алюминиевого металла
Чистый алюминий (99,9%+ Al) - это мягкий, пластичный металл, но промышленный алюминий почти всегда спланирован для повышения производительности. Обычные элементы легирования включают:
• Медь (CU): добавлены к сплавам серии 2000 года (например, 2024), чтобы увеличить прочность за счет термообработки.
• Магний (мг): используется в сплавах серии 5000 (например, 5052) для повышения коррозионной стойкости и сварки.
• Кремний (SI): в сочетании с магнием в сплавах серии 6000 (например, 6061) для образования осадков MG₂SI, улучшая прочность.
• Цинк (Zn): добавлены в сплавы 7000 серии (например, 7075) с меди и магнием для создания самых сильных алюминиевых сплавов, используемых в аэрокосмической промышленности.
• Литий (Li): уменьшает плотность в алюминиевом - литиевых сплавах (например, 2195), используемые в ракетных компонентах.
Даже в сплавах алюминий остается доминирующим элементом - обычно 85–99% по весу - с другими элементами, присутствующими в контролируемых пропорциях для адаптирования свойств.
Почему состав имеет значение
Композиция алюминия -, будь то в виде чистого металла, сплава или переработанного материала - непосредственно определяет его производительность. Например:
• High - чистота алюминий (99,99% Al) используется в электрических проводниках для его проводимости.
• 5083 алюминий (4,5% магния, 0,7% марганца) противостоит коррозии соленой воды, что делает его идеальным для морских применений.
• Переработанный 3004 алюминий (1,2–1,8% марганца) используется в банках для напитков для его формируемости и силы.
Понимание того, какой алюминий изготовлен из - от боксита до сплавов для переработанного лома -, позволяет производителям выбирать правильный материал для своих потребностей при оптимизации устойчивости.
Таким образом, алюминий принципиально изготовлен из бокситной руды, превращается в глинозем через процесс Bayer, а затем в металл через зал - Héroult Process. Переработанный алюминий, полученный от лома, играет все более критическую роль, используя низкую - энергию, закрытая - система цикла. Его композиция -, будь то чистый или сплав - диктует свои свойства, делая его универсальным материалом в разных отраслях. По мере роста спроса на низкий - углеродистые материалы растет, достижения в обработке бокситов, эффективности электролиза и переработке утилизации будут еще больше уточнить, как «производится алюминий», обеспечивая его роль устойчивого металла в будущем.