Ювелирные изделия

Алюминий и алюминиевые сплавы

Одна красивая, но, вероятно, неправдоподобная легенда из «Historia naturalis» гласит, что однажды к римскому императору Тиберию (42 год до н. э. — 37 год н. э.) пришёл ювелир с металли­ческой, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной, якобы из глинозёма — Al₂O₃. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опа­саясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал, на всякий случай, отрубить чело­веку голову. Очевидно, данная легенда весьма сомнительна, так как самородный алюминий в природе не встречается в силу своей высокой активности и во времена Рим­ской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюми­ний из глинозёма.

Лишь почти через 2000 лет после Тиберия — в 1825 году, датский физик Ханс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия, а в 1827 году Фридрих Вёлер смог выделить крупинки алюминия, которые, однако, на воздухе немедленно покрывались тончайшей пленкой оксида алюминия.

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя серебро

До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился.

Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль (его исследования финансировал Наполеон III, рассчитывая, что алюминий пригодится его армии) изобрёл первый способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl₃. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6—8 кг. За 36 лет применения, с 1855 по 1890 год, способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 году он же получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия.

В 1885 году, основываясь на технологии, предложенной русским ученым Николаем Бекетовым, был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме. Технология Бекетова мало, чем отличалась от способа Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом (Na₃AlF₆) и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890 год.

Ьратьями Каулес был разработан промышленный метод электротермического получения сплавов алюминия с медью и железом — алюминиевой бронзы и ферро­алюминия.

Для получения этих сплавов бр. Каулес применяли дуговые печи на 5000—6000 а и 60 в (фиг. 2). В печь вводилась шихта из глинозема, дре­весного угля и металлического скрапа (железа или меди). Алюминиевая бронза получалась с содержанием до 17% Аl и ферроалюминий до 20% Аl. Расход электроэнергии составлял в среднем 37 квт-ч на 1 кг алюми­ния в сплаве.

Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом во Франции и Полем Эру в США в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия.

23 февраля 1886 г. Холл подверг электролизу раствор глинозема в расплавленном криолите и получил алюминий. 9 июля 1886 г. он заявил свой ‘основной патент, который был выдан ему 2 апреля 1889 г.

В 1888 г. в Кенсингтоне близ Питсбурга (США) было начато первое в США производство алюминия но электролитическому методу Холла с по­лучением 50 фунтов (28, 65 кг) металла в день (фиг. 6). С 1894 г. для этого производства спала использоваться энергия Ниагарского водопада.

С тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники, производство алюминия совершенствовалось.

Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове. Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47,7 тыс.тонн алюминия, ещё 2,2 тыс.тонн импортировалось.

Вторая мировая война значительно стимулировала производство алюминия. Так, в 1939 году общемировое его производство, без учёта СССР, составляло 620 тыс. т, но уже к 1943 году выросло до 1,9 млн т.

К 1956 году в мире производилось 3,4 млн т первичного алюминия, в 1965 году — 5,4 млн т, в 1980 году — 16,1 млн т, в 1990 году — 18 млн т.

В 2007 году в мире было произведено 38 млн т первичного алюминия, а в 2008 — 39,7 млн т. Лидерами производства являлись:

1. Китай (в 2007 году произвёл 12,60 млн т, а в 2008 — 13,50 млн т),
2. Россия (3,96/4,20),
3. Канада (3,09/3,10),
4. США (2,55/2,64),
5. Австралия (1,96/1,96),
6. Бразилия (1,66/1,66),
7. Индия (1,22/1,30),
8. Норвегия (1,30/1,

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая - это получение глинозема (Al₂O₃) из рудного сырья и вторая - получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Руды алюминия. Вследствие высокой химической активности алюминий встречается в природе только в связанном виде: корунд Al₂O₃, гиббсит Al₂O₃^. 3H₂O, бемит Al₂O₃^. H₂O, кианит 3Al₂O₃ ^, 2SiO₂, нефелин (Na, K)₂O ^. Al₂O₃ ^. 2SiO₂, каолинит Al₂O₃^, 2SiO₂^. 2H₂O и другие. Основными используемыми в настоящее время алюминиевыми рудами являются бокситы, а также нефелины и алуниты.

Бокситы. Алюминий в бокситах находится главным образом в виде гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита и др.), корунда и каолинта. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35-60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe₂O₃ 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al₂O₃ к SiO₂ по массе - так называемый кремневый модуль.

К числу крупных месторождений бокситов в нашей стране относится Тихвинское (Ленинградская область), Североуральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябинская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область).

Нефелины входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита - нефелин и апатит 3Ca₃(PO₄)₂ ^. CaF₂. Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приго товления фосфорных удобрений, а нефелиновый - для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20-30 Al₂O₃, 42-44 SiO₂, 13-14 Na₂O, 6-7 K₂O, 3-4 Fe₂O₃ и 2-3 CaO.

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K₂SO₄ ^. Al₂(SO₄)₃ ^. 4 Al(OH)₃. Содержание Al₂O₃ в них невысокое (20-22%), но в них находится другие ценные составляющие: серный ангидрид SO₃ (~ 20%) и щелочь Na₂O ^, K₂O (4-5%). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы. При производстве глинозема применяют щелочь NaOH, иногда известняк CaCO₃, при электролизе глинозема криолит Na₃AlF₆ (3NaF ^. AlF₃) и немного фтористого алюминия AlF₃, а также Ca F₂ и MgF₂. [2]

Дата добавления: 2014-11-18