Свойства и область применения

Алюминий, имея серебристо-белый цвет с матовым оттенком, отличается малой плотностью (2,7 г/смЗ), химической стойкостью и высокой пластичностью. Его прочность 80-100 МПа (8-10 кгс/мм2), твердость 13-20 НВ, температура плавления 659° С. Как конструкцион­ный материал применяется в виде сплавов, которые делят на литейные и деформируемые. К первым относят сплавы с кремнием, магнием, медью и цинком. Сплавы с кремнием (6-13 % Si) называют силумина­ми. Они обладают высокой жидкотекучестью и малой усадкой. Сплавы с магнием (0,5-11 % Mg) и медью (4-5 % Си) имеют более низкие литейные свойства, но после термической обработки приобретают вы­сокую механическую прочность. Сплавы с кремнием и цинком и с крем­нием и медью обладают высокими литейными свойствами. Они при­меняются для изготовления отливок сложной конфигурации. Обознача­ются буквами АЛ и цифрой, кодирующей их состав. Они могут свари­ваться газовой и аргонодуговой сваркой.

Деформируемые сплавы делят на неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой. К первым из них относят сплавы алюминия с марганцем и алюминия с магнием и марганцем. Обозначаются соот­ветственно АМг и АМц с цифрой. Предел прочности 320 МПа. Они имеют высокую пластичность. Применяются для изготовления несильно нагруженных сварных конструкций и деталей штамповкой. Упрочняе­мые деформируемые сплавы, обладающие высокой прочностью (до 600 МПа), используют в самолетостроении. Наиболее распространен дю­ралюминий, имеющий состав: 3-5 % Си, 0,5-2,5 % Mg, 0,3-0,8 % Мп, 0,5-1,2 % Si, до 0,1 % Fe , остальное - Al. Детали из него подвергают закалке при нагреве до 500° С с последующим старением в течение 4-7 суток при комнатной температуре. Обозначают буквой Д с цифрой, кодирующей состав примесей. Ковочные сплавы (АК4, АК8 и др.) име­ют повышенное содержание Si, Fe и Ni; самые прочные В93, В94' и др. содержат цинк, магний и медь.

Алюминий и его сплавы широко применяют в авиастроении. В элек­тротехнике они заменяют медь при изготовлении проводов, шин, кон­тактов и др. Электропроводность их составляет 65 % электропровод­ности меди. Безвредность и прочность позволяют применять алюминий в химической и пищевой промышленности.

Использование данного металла весьма эффективно и на желез­нодорожном транспорте. Так, вагон, изготовленный из алюминия, весит 19т (обычный - 40 т). Применение таких вагонов позволило бы увели­чить скорость составов на 25 % и снизить энергетические затраты на 30 %.

Лекция № 36. Современное производство магния и ряда других цветных металлов. Малометалльные технологии

Магний отличается малой плотностью (1,74 г/смЗ) и невысокой температурой плавления (650° С). Его прочность 80-130 МПа- почти не отличается от прочности алюминия, но сплавы с ним и другими ме­таллами прочны, легки и коррозийно стойки. Этим обеспечивается его широкое распространение и применение в промышленности. На основе ^е магния изготовляют сплавы с алюминием (3-11 %), цинком (4-5 %) и другие. Использование деталей из магниевых сплавов существенно облегчает конструкции самолетов, а высокая их сопротивляемость виб­рационным нагрузкам расширяет область применения.

Легирование магния значительно улучшает его свойства: добавка бериллия до 0,02 % исключает опасность возгорания при плавке, церия до 0,2 % улучшает пластичность, тория, иттрия и неодима до 2-3 % повышает верхний температурный предел работы деталей из магние­вых сплавов со 150° до 350° С. Все это позволяет использовать магни­евые сплавы в транспортном машиностроении, особенно самолето- и ракетостроении.

Сырьем для производства служат магнийсодержащие руды. Чаще³ встречается магнезит (содержит MgCOy), доломит (MgCO^CaCOy) и хлориды-корналлит (MgCl^KCl-бНр), биошифит (MgCl^6H^O), гораздо реже - сульфаты. После добычи и обогащения сырья концентрат направляют на металлургический передел по термическому (для кар­бонатных руд) или электролитическому методу (для хлоридов). После­дний более сложен, он включает обжиг концентрата, его хлорирование и электролиз.

Технологические схемы обжига и хлорирования отличаются друг от друга лишь конкретным набором и последовательностью включения аппаратов, которые, в свою очередь, зависят от используемого сырья - карналлитовая и хлор-магниевая схемы. В первом случае концентрат подогревают в печи до 230° С и разлагают в электропечи (500 С). Во втором применяют вращающуюся печь с постепенным нагревом от 100 до 250° С, а затем концентрат направляют в электропечь, где при 850-900° С процессы обжига и хлорирования совмещаются, что более про­грессивно.

В основе хлорирования, являющегося наиболее типичным для про­изводства многих цветных металлов, лежит вытеснение кислорода из оксидов металлов хлором или хлором в присутствии углерода.

Электролиз (рис. 34) протекает в ванне 1, герметично закрытой крышкой 2, имеющей отверстие 3 для отвода выделяющегося хлора. Аноды 9 выполнены из графитовых пластин, катоды 5 - из стальных. Для отделения хлора от магния 6, поднимающегося на поверхность бо­лее тяжелого электролита 7, служит диафрагма 4. Магний 6 и шлам 8 периодически (один раз в сутки) извлекают вакуум-ковшом

Расплав электролита включает хлориды магния (8-16 /о), кальция (25-35 %), натрия (25-35 %), калия (18-25 %), а также небольшое коли­чество фторидов натрия и кальция. Процесс идет при напряжении 7 В и 700- 50° С

На 1 т магния расходуется до 5 т хлорида, 20 кг графитовых ано­дов и до 18 МВт ч электроэнергии. Выход - 80-85 % от теоретического. Примесей - до 5 %.

Черновой магний, полученный электролизом, рафинируют путем переплавки с флюсами либо возгонкой.

Более просты и экономичны термические способы получения маг­ния из доломита и магнезита. Восстановителями здесь служат углерод (углетермический способ) или кремний (силикатотермический способ). В первом случае процесс ведут при температуре 2000° С в электричес­кой печи, футерованной изнутри угольными блоками.

Рис. 34. Схема магниевого электролизера:

1 - ванна; 2 - крышка; 3 - отверстие; 4 - диафрагма; 5 - катод; 6 - магний; 7- электролит; 8 - шлам; 9 - анод

Магний испаряется, направляясь в конус охлаждения через систе­му пылеулавливания. Последняя очищает металл от примесей. При этом твердые примеси брикетируются и возвращаются в процесс, а газооб­разные только очищаются, возвращаясь лишь частично.

Свежая шихта состоит из 76 % оксида магния и 24 % нефтекокса. Расход электроэнергии достигает 21 МВт ч на 1 т магния.

Более экономично восстанавливать магний непосредственно из обожженного доломита ферросилицием

Данный процесс может идти по нескольким схемам. Первая из них - восстановление в ретортах. В этом случае шихту составляют из обожженного доломита и 75 %-го ферросилиция в соотношении 5:1. Для увеличения скорости процесса добавляют 5 % CaFy Измельченные ма­териалы брикетируют и загружают в реторты из хромоникелевой ста­ли, которые помещают в печь. Пары магния отводят в конденсатор, где происходит их кристаллизация при 550° С. Продолжительность процес­са в реторте (100 кг шихты) примерно 9 ч. После переплавки магний направляют потребителям. Производи­тельность двадцатиретортной печи достигает 700 кг готовой продук­ции в сутки. Недостаток - малый срок службы реторт.

Вторая схема - восстановление магния во вращающейся бара­банной трубчатой печи, внутри которой по оси располагается графито­вый нагреватель (температура в печи 1400° С). Пары восстановленно­го магния отводят в конденсатор (450-500° С). Расход электроэнергии в данном случае 15 МВт ч на 1 т магния.

Никель (плотность 8,9 г/см³, температура плавления 1452° С) -металл серебристо-белого цвета с еле заметным коричневым оттен­ком. Это наиболее ценная легирующая добавка к стали (повышает проч­ность и пластичность ее). В сочетании с хромом обеспечивает высо­кую антикоррозийную стойкость и теплоустойчивость. По многим свой­ствам напоминает железо, но никель менее активен: с кислородом вза­имодействует лишь при нагревании до 500° С. Пирофорен, то есть в порошкообразном виде воспламеняется на воздухе (при обычной тем­пературе).

Никель и его сплавы широко применяют в машиностроении, хими­ческой промышленности (катализаторы, защитные покрытия аппарату­ры), медицине (покрытия инструментов и оборудования), пищевой и других отраслях народного хозяйства. Промышленное производство начато более ста лет назад. Около 80 % всей продукции идет на полу­чение легированных сталей и сплавов (алюмель, нихром, хромель и др.).

Сырье, содержащее 0,3-5,5 % (сульфидное) или 1 -7 % Ni (окисленное), подвергают комплексной переработке по типу технологии меди, так как оно, кроме основных компонентов (JS^f, Fe, S, Си), включает ^;

Также кобальт и в небольших количествах металлы платиновой группы (платину, осьмий, иридий, радий, рутений и палладий). Существен­ное отличие технологии в том, что белый никелиевый штейн, образо­вавшийся в металлургическом переделе, восстанавливают до черново­го никеля древесным углем. Часто используют электролитическое ра­финирование (особенно, если исходное сырье сульфидное).

Титан отличается высокой механической прочностью (320 МПа), коррозийной стойкостью, жаропрочностью (температура плавления 1665° С) и относительно малой плотностью (4,5 г/см³). Благодаря тако­му сочетанию свойств, он имеет несомненные преимущества перед тра­диционными конструкционными материалами, такими, как сталь и алю­миний, в производстве деталей реактивных двигателей, ракет, сверх­звуковых самолетов, насосов, реакторов и других изделий, работающих в сложных условиях.

Однако трудность извлечения титана из руд ограничивает и удоро­жает его производство, которое было налажено совсем недавно - в се­редине XX в. (впервые в чистом виде металл получен в 1925 г., открыт - в 1791 г. Грегором).

Руды, содержащие ильменит, рутил, перовскит, сфен или титанит, обогащают с целью уве­личения концентрации TiO₂ до 60 %. Восстановительной плавкой ее до­водят до 80 %. Огарки брикетируют, хлорируют и науглероживают. В результате образуется жидкий тетрахлорид титана, из которого целе­вой продукт восстанавливают металлическим магнием в стальных ре­тортах (при 1000° С в атмосфере аргона). Губчатую массу титана пере­плавляют в электродуговых или высокочастотных печах в компактный металл ВТ-3, ВТ-6, ВТ-8 и другие марки прочностью от 880 до 1160 МПа. Важно то, что они не теряют ее при высоких температурах (до 650° С) и обладают при этом хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываются давлением, резанием и т.п.

Свинец - металл голубовато-серого цвета, известен с давних вре­мен. Он ковкий, мягкий, пластичный, плотностью 10,3 г/см^З, темпера­тура плавления - 327° С. На воздухе быстро покрывается тонким сло­ем оксида, защищающим металл от дальнейшей коррозии.

Получают свинец из сульфидных руд. Свинцовый блеск (галенит PbS) обжигают до оксида свинца, который восстанавливают углем или сульфидом свинца до металла. Используют для защиты кабелей, из­готовления аккумуляторов, в полиграфии, производстве красок, атом­ной энергетике (как защитный материал) и для других целей.

Олово, известное человеку с древних времен, - серебристо-белый металл, очень мягкий, плотностью 7,2 г/см^З. Находится в двух аллот­ропических видоизменениях - белого и серого олова. Первое плавится при 232° С, а ниже 13,2° С переходит в серое олово - очень неустойчи­вое и разрушающееся. Поэтому в чистом виде используется мало. При­меняется в сплавах для изготовления белой жести, типографских шриф­тов, припоев, подшипников, пайки, лужения и т. д. Дисульфид его (SnS₂) применяют как краску золотистого цвета. В природе встречается в виде минерала касситерита, из которого восстановлением коксом при невысокой температуре, когда все примеси образуют твердый шлак (та­кой процесс называют зейгерованием), получают олово. Основная его часть идет на производство антифрикционных сплавов - баббитов, а также бронз и других легкоплавких материалов.

Цинк в чистом виде получили в конце XVIII в., хотя известен с древности. Имеет синевато-белый цвет, плотность 7,14 г/см^З, темпера­туру плавления 420° С. Соединения его встречаются в природе доволь­но часто. Самое распространенное из них цинковая обманка ZnS. Про­изводство основано на пирометаллургическом или гидрометаллургичес­ком переделах. В обоих случаях обогащенную руду обжигают с целью получения оксида цинка. Металл восстанавливают либо коксом (пиро­металлургия), либо серной кислотой с последующим электролизом ра­створа (гидрометаллургия).

Малометалльными называют производства благородных и ред­ких металлов, которые отличаются от остальных сравнительно неболь­шим объемом выпускаемой продукции (в абсолютных величинах), ее высокой энерго-, трудо- и ресурсоемкостью, а поэтому дороговизной. Технология их специфична, сложна и многостадийна. Несмотря на это, можно выделить некоторые общие процессы, свойственные, как прави­ло, каждой из них. Такие процессы именуют типовыми. К наиболее важ­ным из них относят:

• обогащение сырья или отходов других производств;

• разложение концентратов пирометаллургическим, гидрометаллур­гическим или каким-либо другим способом;

• разделение полученных продуктов сорбционными, экстракционны­ми методами, кристаллизацией, возгонкой и т. п.;

• восстановление полупродуктов до черновых металлов углеродом, углеводородами, неметаллами (хлором, фтором) или более активными металлами (магнием, натрием, калием и др.);

• рафинирование черновых металлов зонной плавкой, амальгамной обработкой, автогенной перегонкой и другими методами (например, по­рошковой металлургии, электрошлакового переплава и т. д.).

Из благородных металлов наиболее типична технология серебра. В природе оно не образует самостоятельных залежей и встречается в виде примесей к различным рудам, чаще сульфидным. Его выделяют в процессе плавки на поверхности свинца или цинка, а в медных рудах - вместе с другими благородными металлами при рафинирова­нии (аффинаже) в виде электролитического шлака. Соединение метал­лов нагревают до возгонки и разделяют. Чаще отгоняют цинк, а сереб­ро сплавляют со свинцом и нагревают сплав в магнезитовых тиглях. Свинец окисляется и поглощается магнезитом, а серебро (королек) ос­тается в тигле. Этот процесс называют купелированием.

Серебро (плотность 10,5 г/см³, температура плавления 961° С применяют для выделки монет, домашней утвари, украшений, меди­цинских инструментов, химической посуды и электрических контактов электроприборов. Соединения серебра используют в фотографии и при изготовлении зеркал, различных сплавов. В чистом виде применяется как катализатор в органических синтезах, производстве углеводородов и т. д.

Многие редкие металлы потребляет металлургическая промыш­ленность для производства конструкционных материалов с особыми свойствами (легких, тугоплавких, жаропрочных, коррозионностойких и т. д.) или легирования сплавов. Большинство из них связано с развити­ем атомной энергетики, космонавтики, электроники, радиоэлектроники и связи. Без них не обходится и химическая промышленность, требую­щая все более чистых и новейших катализаторов, а также сырья для изготовления качественных красок, стекла, эмалей, микроудобрений, инсектицидов и другой продукции.

Важной областью применения металлов этой группы становится медицина: для лечения злокачественных заболеваний живой ткани при­меняют лучи радия. Тантал является заменителем и крепителем кост­ной ткани, из него получают материалы для сшивания живой ткани и нервов.