2 ФІЗИКО-МЕТАЛУРГІЙНІ ОСНОВИ ЛЕГКИХ МЕТАЛІВ 2.1 Фізико-металургійні основи алюмінію 2.1.1 Виробництво алюмінію
За поширеністю в природі алюміній посідає перше місце серед металів; його вміст у земній корі становить 7,45%. Однак, незважаючи на значну поширеність у природі, алюміній до кінця XІ століття належав до рідких металів. У чистому вигляді алюміній не зустрічається внаслідок своєї високої хімічної активності. Він переважно зустрічається у вигляді сполук із киснем і кремнієм - алюмосилікатів.
Рудами алюмінію можуть служити лише породи, багаті глиноземом (А12О3) і такі, що залягають великими масами на поверхні землі. До таких порід відносять боксити, нефеліни - (Na, К)2О · Al2O3 · 2Sі2, алуніти – (Na, K)2SO4 ? ·A12(SO4)3·4A1(OH)3 і каоліни (глини), польовий шпат (ортоклаз) - K2О·А12О3·6SіO2.
Основною рудою для одержання алюмінію є боксити. Алюміній у них утримується у вигляді гідроокисів А1(OН), А1(OН)3, корунду А12О3 і каолініту А12О3·2SіO2·2Н2О. Хімічний склад бокситів складний: 28-70% глинозему; 0,5-20% кремнезему; 2-50% окису заліза; 0,1-10% окису титану. Останнім часом як руду стали застосовувати нефеліни – алуніти.
Нефелін (К·Na2O·А12О3·2SіО2) входить до складу апатитонефелінових порід (на Кольському півострові).
Уперше у вільному вигляді алюміній був виділений у 1825 р. датським фізиком Ерстедом шляхом впливу амальгами калію на хлорид алюмінію. У 1827 р. німецький хімік Велер удосконалив спосіб Ерстеда, замінивши амальгаму калію металевим калієм: АlСl3 + 3К ? 3КС1 + А1 (реакція проходить з виділенням тепла). У 1854 р. Сент-Клер Девіль у Франції вперше застосував спосіб Велера для промислового виробництва алюмінію, використавши замість калію більш дешевий натрій, а замість гігроскопічного хлориду алюмінію - більш стійкий подвійний хлорид алюмінію й натрію. У 1865 р. російський фізик-хімік Н.Н.Бекетов показав можливість витиснення алюмінію магнієм з розплавленого кріоліту. Ця реакція у 1888 р. була використана для виробництва алюмінію на першому німецькому заводі в Гмелінгені. Виробництво алюмінію цими так названими "хімічними" способами здійснювалося з 1854 по 1890 рік. Протягом 35 років за допомогою цих способів було отримано в цілому близько 20 т алюмінію.
Наприкінці 80-х років позаминулого сторіччя хімічні способи замінив електролітичний спосіб, що дозволив різко знизити вартість алюмінію і створив передумови до швидкого розвитку алюмінієвої промисловості. Основоположники сучасного електролітичного способу виробництва алюмінію Еру у Франції і Хол у США незалежно один від одного подали у 1886 р. майже аналогічні заявки на патентування способу одержання алюмінію електролізом глинозему, розчиненого у розплавленому кріоліті. З моменту появи патентів Еру і Хола і починається сучасна алюмінієва промисловість, що більш ніж за 115 років свого існування виросла в одну з найбільших галузей металургії.
Технологічний процес одержання алюмінію складається із трьох основних стадій: