В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли, аэрозолей, и в газообразной элементной форме. В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. Значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии. В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Из тяжелых металлов в технике чаще всего используются медь, свинец, цинк, олово и никель. С каждым годом в мире производят все больше этих металлов: так, годовое производство меди с начала 20 века выросло в десять раз. Но потребности растут еще быстрее, и некоторых металлов уже явно не хватает. Суровая экономическая необходимость заставляет собирать и пускать в дело металлолом, непрерывно совершенствовать методы обогащения и металлургической переработки, что дает возможность рентабельно добывать металлы из более бедных руд. Приходится строго следить, чтобы тяжелые цветные металлы применялись только там, где их особые свойства необходимы, и где их нельзя заменить другими материалами.
К группе благородных металлов относят золото, серебро, платина, рутений, родий, палладий, осмий и иридий. Они гораздо реже, чем остальные металлы, вступают в химические реакции и образуют соединения с другими элементами. По этой причине они встречаются в природе почти исключительно в самородном, т.е. более или менее чистом виде. Однако это не означает, что благородные металлы в принципе неспособны к химическим реакциям и, следовательно, абсолютно не поддаются коррозии. Серебро корродирует в газах, содержащих серу, и поверхность серебряных предметов покрывается коричневым или черным слоем сульфата серебра даже при ничтожном содержании в воздухе сернистых соединений. Золото тоже не так устойчиво. Его сильно разъедают хлор и бром, а в смеси ( в пропорции 3:1 ) концентрированных соляной и азотной кислот ( так называемой царской водке) растворяются и золото, и платина. Наряду с великолепной коррозийной стойкостью эти металлы обладают и другими достоинствами, которые делают их незаменимыми для специальных технических целей; сюда, в частности, относятся непревзойденная электропроводность серебра, хорошие механические свойства платиновых сплавов, сохраняющиеся и при высоких температурах, а также специфические свойства платиновых сплавов, особенно ценные при изготовлении электрических контактов. Благородные металлы находят самые разнообразные применения в современной технике. Но по сравнению с другими техническими металлами их количественная доля очень не велика. Поскольку они слишком дороги.
В группу редких металлов входят свыше 50 элементов. Это металлы, относительно новые в технике или еще мало используемые и освоенные. Масштабы производства и области применения еще не стабилизировались и продолжают быстро развиваться. Большинство редких металлов мало распространены, а часто и рассеяны в земной коре, их извлечение из сырья и получение в чистом виде связаны с большими техническими трудностями. В этом причина относительно позднего открытия, изучения и технического освоения редких металлов. Редкие металлы необходимы для таких новых отраслей техники, как скоростная авиация, ракетостроение, электроника, атомная энергетика. На основании близости физико-химических свойств, сходства технологии производства и по некоторым другим признакам редкие металлы классифицируются на: легкие – рубидий, цезий; тугоплавкие – титан, цирконий, гафний; рассеянные – вольфрам, галлий, индий, таллий; радиоактивные – франций, уран, радий.
В рудном сырье редкие металлы обычно содержатся в небольших концентрациях, и сырье часто является сложным, комплексным. Поэтому большое значение в технологии извлечения редких металлов имеет большое значение обогащение руд и химические процессы выделения, разделения и очистки соединений редких металлов. В металлургии редкие металлы широко используют разные методы: восстановления окислов и солей газами, углеродом или металлами, термическую диссоциацию соединений. Электролиз в водных и расплавленных средах, вакуумную, дуговую, электроннолучевуюпарку.
3. Анализ и экономическая оценка легкого цветного металла – алюминия
3.1. Введение
Алюминий сегодня входит в число важнейших технических материалов. По своему содержанию в земной коре (7,5%) он также является одним из самых распространенных металлов. По объему мирового производства алюминий занимает 2 место после железа.
3.2. Основное сырье и способ изготовления алюминия
Алюминий получают электролическим методом. Основное исходное вещество для производства. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы. Содержащие 32 – 60 % глинозема Al2O3. Он не проводит электрический ток и имеет температуру плавления около 2050 oG. На глиноземном заводе из боксита сначала химическим путем выделяют примеси, а затем в больших печах для обжига удаляют воду. Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oG, тогда глинозем растворяют в расплавленном криолите (минерале состава Na3AlF6). Этот расплав подвергается электролизу при температуре 950 oG на алюминиевых производствах. Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно, собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. В результате электролиза на катоде выделяется алюминий, а на аноде – кислород. Первичный алюминий, получаемый в электролизерах, имеет чистоту 99,3 – 99,9%. Основными примесями в нем является кремний и железо, меньших количествах содержатся также титан, медь и цинк. Путем повторного электролизера в расплаве получают алюминий высокой чистоты (99,99%).
3.3. Свойства алюминия
Алюминий представляет собой блестящий серебристо-белый металл с плотностью 2,7 г/см3 и температурой плавления 660 oG, который хорошо проводит тепло и электрический ток. Металл характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, хорошей пластичностью, механической прочностью, антикоррозийностью. Значительная особенность алюминия состоит в том, что на воздухе его поверхность быстро покрывается тонкой, но очень плотной , прочной и твердой пленкой окиси, чем и объясняется его высокая коррозийная стойкость. Эти свойства алюминия, особенно прочность можно значительно повысить путем легирования различными элементами, важнейшими из которых являются кремний, медь, цинк и марганец. Существенно различаются между собой деформируемые и литейные алюминиевые сплавы. Деформируемые сплавы легко поддаются обработке давлением и предназначены для прокатки, ковки, прессования. Литейные сплавы отличаются жидкотекучестью, хорошо заполняют форму, мало чувствительны к литейным трещинам; их используют для фасонного литья. Способность алюминия образовывать твердые растворы с легирующими элементами невелика, т.е. другие металлы слабо растворяются в алюминии в твердом состоянии. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы алюминий – кремний. Деформируемые алюминиевые сплавы делятся на сплавы с естественной твердостью и термически упрочняемые сплавы. Первая группа сплавов содержит меньше легирующих элементов и применяется вместо чистого алюминия в тех случаях, когда его прочность недостаточна. Другой путь повышения прочности алюминиевых сплавов составит в термической обработке, при которой прочность возрастает в результате дисперсионного твердения после закалки.
3.4. Применение алюминия
В основном из алюминиевых сплавов сделаны самолеты ИЛ-18, ТУ-134, ИЛ-62. Из сплавов алюминия изготавливают корпуса ракет. Алюминий завоевывает признание как строительный материал: конструкции из алюминиевых сплавов, крыши и оконные рамы в зданиях, внутренняя отделка станций метро. Алюминий и его сплавы применяются в автомобильной промышленности, в производстве железнодорожных вагонов, вагонов метро, автоцистерн, речных и морских судов, при сооружении мостов, для изготовления нефтяных и буровых вышек, ЛЭП, трубопроводов, газопроводов, в электропромышленности.
3.5. Новейшие технологии в производстве алюминия
Чтобы овладеть собственной технологией производства, необходимо создать собственную, уникальную технологию получения. Сегодня в мире только 5 компаний обладают этой технологией. Для решения этой задачи в 2002 году в Красноярске создан Инженерно-технологических центр (ИТЦ). Основным достижением ИТЦ стали разработка и запуск в эксплуатацию электролизера РА-300, отличительная особенность которого состоит в уменьшении потребления электроэнергии и увеличение срока эксплуатации. В 2004 году ИТЦ приступил к разработке электролизера РА-400 – у него сокращен удельный расход по металлоемкости, применен спаренный анод, повышена герметизация створчатых укрытий, уменьшены габариты ванны по высоте за счет усовершенствованной компоновки механизмов подъема одного устройства. В настоящее время ИТЦ работает над созданием следующего поколения электролизеров – РА-500, разрабатывая технологию электролизера на высокую плотность тока. Новые электролизеры работают по технологии обожженных анодов и отвечают самым высоким экологическим стандартам.
3.6. Заключение
За сто лет алюминий прошел большой путь – от редкого ювелирного металла до современного широко распространенного и необходимого в технике материала, второго по значению после железа. Во всем мире ученые и инженеры продолжают работать и совершенствовать алюминиевые сплавы, и перед этим «серебром из глины» открываются все новые области применения.