Алюминий- легкий (плотность 2720 кг/мг) металл серебристо-белого цвета с голубоватымоттенком. Он достаточно тепло и электроироводен, коррозионно стоек ижароустойчив.
Плавитсяпри 658° С. Чистый алюминий мягок и непрочен. Поверхность алюминия, находящегосяна воздухе, всегда покрывается оксидной пленкой, имеющей температуру плавления2050° С. Эта пленка и предохраняет металл от окисления, придавая емукоррозионную стойкость. Алюминий маркируется буквой А и цифрой, указывающейсодержание алюминия.
Алюминийособой частоты маркируется как алюминий А999 с примесями не более 0, 001%.
Техническиехарактеристики алюминия особой чистоты.Марки Химический состав алюминия, % Примеси, не более Алюминий, не менее Железо Кремний Медь Цинк Титан Прочие примеси, каждая в отдельности Сумма /> Алюминий особой чистоты А999 99, 999 – – – – – – 0, 001 /> Алюминий высокой чистоты А995 99, 995 0, 0015 0, 0015 0, 001 0, 001 0, 001 0, 001 0, 005 А99 99, 99 0, 003 0, 003 0, 003 0, 003 0, 002 0, 001 0, 010 А97 90, 97 0, 015 0, 015 0, 006 0, 003 0, 002 0, 002 0, 03 А95 99, 95 0, 030 0, 030 0, 015 0, 005 0, 002 0, 005 0, 05 /> Алюминий технической чистоты А85 99, 85 0, 08 0, 06 0, 01 0, 02 0, 01 0, 02 0, 15 А8 99, 80 0, 12 0, 10 0, 01 0, 04 0, 02 0, 02 0, 20 А7 99, 70 0, 16 0, 16 0, 01 0, 04 0, 02 0, 02 0, 30 А7Е 99, 70 0, 20 0, 08 0, 01 0, 04 0, 01* 0, 02 0, 30 A6 99, 60 0, 25 0, 20 0, 01 0, 06 0, 03 0, 03 0, 40 A5 99, 50 0, 30 0, 30 0, 02 0, 06 0, 06 0, 03 0, 50 А5Е 99, 50 35 0, 12 0, 02 0, 04 0, 01* 0, 02 0, 50 А0 99, 0 0, 50 0, 5 0, 02 0, 08 0, 03 0, 03 1, 0
Сочетаниефизических, механических и химических свойств алюминия определяет его широкоеприменение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов сдругими металлами. В электротехнике алюминий успешно заменяет медь, особенно впроизводстве массивных проводников, например, в воздушных линиях, высоковольтныхкабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическаяпроводимость алюминия достигает 65, 5% электрической проводимости меди, и онболее чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну иту же проводимость, масса проводов из алюминия вдвое меньше медных). Сверхчистыйалюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей,действие которых основано на способности окисной пленки алюминия пропускатьэлектрический ток только в одном направлении. Сверхчистый алюминий, очищенныйзонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа AIIIBV, применяемых для производства полупроводниковых приборов.
/>Описаниетехнологического цикла алюминия особой чистоты
Алюминийособой чистоты (марки A999) может быть получен тремя способами: зонной плавкой,дистилляцией через субгалогениды и электролизом алюминий-органическихсоединений. Из перечисленных способов получения алюминия особойчистотыпрактическое применение в СССР получил способ зонной плавки.
Принципзонной плавки заключается в многократном прохождении расплавленной зонывдольслитка алюминия. По величине коэффициентов распределения К=Ств/Сж (где Ств —концентрация примесив твердой и Сж — в жидкой фазе), которые в значительноймереопределяют эффективность очистки от примесей, эти примеси могут бытьразбитына три группы. К первой группе относятся примеси, понижающиетемпературуплавления алюминия; они имеют К1 и при зонной плавке концентрируются в твердой(начальной) части слитка. К этим примесям относятся Nb, Ta, Cr, Ti, Mo, V. Ктретьей группе относятся примеси с коэффициентом распределения, очень близким кединице (Mn, Sc). Эти примеси практически не удаляются при зонной плавкеалюминия. Алюминий, предназначенный для зонной плавки, подвергают некоторойподготовке, которая заключается в фильтрации, дегазации и травлении. Фильтрациянеобходима для удаления из алюминия тугоплавкой и прочной окисной пленки, диспергированнойв металле. Окись алюминия, присутствующая в расплавленном алюминии, может приего затвердевании создавать центры кристаллизации, что ведет к получениюполикристаллического слитка и нарушению эффекта перераспределения примесеймежду твердым металлом и расплавленной зоной. Фильтрацию алюминия ведут ввакууме (остаточное давление 0, 1-0, 4 Па) через отверстие в дне графитовоготигля диаметром 1, 5-2 мм. Предварительную дегазацию алюминия перед зоннойплавкой (также нагреванием в вакууме) проводят для предупрежденияразбрызгивания металла при расплавлении зоны в случае проведения процесса вглубоком вакууме.
Последняястадия подготовки алюминия к зонной плавке — травление его поверхности смесьюконцентрированных соляной и азотной кислот. Так как алюминий обладаетзначительной химической активностью и в качестве основного материала дляконтейнеров (лодочек) применяют особо чистый графит, то зонную плавку алюминияпроводят в вакууме или в атмосфере инертного газа (аргон, гелий). Зоннойплавкой в вакууме обеспечивается большая чистота алюминия вследствиеулетучивания части примесей при вакуумировании (магния, цинка, кадмия, щелочныхи щелочноземельных металлов), а также исключается загрязнение очищенногометалла примесями в результате применения защитных инертных газов. Зоннуюплавку алюминия в вакууме можно проводить при непрерывной откачке кварцевойтрубы, куда помещают графитовую лодочку со слитком алюминия, а также взапаянных кварцевых ампулах, из которых предварительно откачивают воздух доостаточного давления примерно 1ּ10–3 Па.
Длясоздания расплавленной зоны на слитке алюминия при его зонной плавке может бытьприменен нагрев с помощью небольших печей сопротивления или же токов высокойчастоты. Для электропитания печей электросопротивления не требуется сложнойаппаратуры, печи просты в эксплуатации. Единственный недостаток этого методанагрева — небольшое сечение слитка очищаемого алюминия. Индукционный нагревтоками высокой частоты — идеальный способ создания расплавленной зоны на слиткепри зонной плавке. Метод высокочастотного нагрева (помимо того, что онпозволяет осуществить зонную плавку слитков больших сечений) имеет важноепреимущество, заключающееся в том, что расплавленный металл непрерывноперемешивается в зоне; это облегчает диффузию атомов примеси от фронтакристаллизации в глубь расплава.
Впервыепромышленное производство алюминия высокой чистоты зонной плавкой было освоенона Волховском алюминиевом заводе в 1965 г. на установке УЗПИ-3, разработанной ВАМИ. Эта установка была оснащена четырьмя кварцевыми ретортами синдукционным нагревом, при этом индукторы были подвижными, а контейнеры сметаллом неподвижными. Производительность ее составляла 20 кг металла за цикл очистки. Впоследствии была создана и введена в промышленную эксплуатацию в 1972 г. на Волховском алюминиевом заводе более высокопроизводительная цельнометаллическая установкаУЗПИ-4. Эффективность очистки алюминия при зонной плавке может бытьохарактеризована следующими данными. Если суммарное содержание примесей вэлектролитически рафинированном алюминии составляет (30÷60)ּ10–4%,то после зонной плавки оно снижается до (2, 8÷3, 2)ּ10–4%, т. е. в15-20 раз. Это отвечает остаточному электросопротивлению алюминия ρ○(при температуре жидкого гелия 4, 2 К) соответственно (20÷40)ּ10–10и (1, 8÷2, 1)ּ10–10 или чистоте 99, 997—99, 994 и 99, 9997%. Втабл. 1.4 (см. ниже) приведены данные радиоактивационного анализа о содержаниинекоторых примесей в зонно-очищенном алюминии и электролитическирафинированном. Эти данные свидетельствуют о сильном снижении содержаниябольшинства примесей, хотя такие примеси, как марганец и скандий, при зоннойплавке практически не удаляются. последние годы в ВАМИ разработана и опробованав промышленных условиях технология получения алюминия чистотой 99, 9999%методом каскадной зонной плавки. Сущность способа каскадной зонной плавкизаключается в том, что очистку исходного алюминия чистотой А999 ведут, последовательноповторяя циклы (каскады) зонной планки. При этом исходным материалом каждогопоследующего каскада служит средняя, наиболее чистая часть слитка, получаемогов результате предыдущего цикла очистки.
Содержаниепримесей в электролитически рафинированном и зонноочищенном алюминии, ×10–4%Примесь Исходный алюминий (электролитически рафинированный 99, 993-99, 994 %) Алюминий после зонной плавки графит, вакуум алунд, воздух Медь 1, 9 0, 02 0, 08 Мышьяк 0, 15 0, 0015 0, 001 Сурьма 1, 2 0, 03 0, 02 Уран 0, 002 — — Железо 3 ≤0, 2 ≤0, 3 Галий 0, 3 0, 02 0, 05 Марганец 0, 2—0, 3 0, 1—0, 2 0, 15 Скандий 0, 4—0, 5 0, 4—0, 5 0, 4—0, 5 Иттрий 0, 02—0, 04 Изприведенных данных можно сделать заключение, что чистота такого алюминия, определеннаяпо разности с десятью основными примесями (Si, Fe, Mg, Mn, Ti, Cu, Cr, Zn, Na, иV), составляет >99, 9999%. Этот вывод косвенно подтверждается величиной R293К/R4, 2 К, которая во всех образцах составляла >30ּ10 3. Для полученияметалла чистотой 99, 9999% достаточно провести два каскада зонной плавки.Дальнейшее увеличение числа каскадов не повышает чистоту алюминия, хотя иувеличивает общий выход металла чистотой 99, 9999%.
Другимвозможным процессом для получения алюминия особой чистоты является егодистилляция через субгалогениды, в частности через субфторид алюминия. Давлениенасыщенных паров металлического алюминия недостаточно высоко, чтобы осуществитьего непосредственную дистилляцию с практически приемлемыми скоростями. Однакопри нагревании в вакууме (при 1000-1050°С) с AlF3 алюминий образуетлегколетучий субфторид AlF, который перегоняется в холодную зону (800°С), гдевновь распадается (диспропорционирует) с выделением чистого алюминия:
/>
Возможностьглубокой очистки алюминия от примеси в основном обусловлена тем, чтовероятность образования субсоединений алюминия значительно больше вероятностиобразования субсоединений примеси.
Результатымасс-спектрального анализа и измерений R293 К/R4, 2 К алюминия каскадной зоннойплавки. [9]Число каскадов
/> Содержание примесей, ×10–4 % Si Fe Mg Mn Ti сумма Исходный 18, 3 0, 210 /> /> /> /> /> /> 2 36, 5 Содержаниепримесей, в алюминии, дистиллированном через субфторид, находится в обратнойзависимости от массы получаемых слитков. В слитках массой 1, 5-1, 7 кг суммарное содержание примесей (Si, Fe, Cu, Mg) составляет 11ּ10–4%, а содержание газов 0, 007см3/100 г. Удельное остаточное сопротивление (ρ○) при температурежидкого гелия для такого металла составляет (1, 7÷2, 0)ּ10–10 Омּсм.Дистилляция алюминия через субфторид имеет ряд недостатков (сравнительнонебольшая производительность, недостаточно глубокая очистка от магния и др.), поэтомуспособ не получил промышленного развития. Разработаны также способы полученияалюминия особой чистоты электролизом комплексных алюминийорганическихсоединений, отличающиеся составом электролита. Например, в ФРГ применяют способэлектролиза 50%-ного раствора NaFּ2Al (C2H5)3 в толуоле. Рафинированиепроводят при 100°С, напряжении на электролизере 1, 0-1, 5 В и плотности тока 0,3-0, 5 А/дм 2 с использованием алюминиевых электродов. Катодный выход по току99%. Электрохимическим рафинированием в алюминийорганических электролитахсущественно снижается содержание марганца и скандия, которые практически неудаляются при зонной очистке. Недостатками указанного способа являются егонизкая производительность и высокая пожароопасность.
Дляболее глубокой очистки алюминия и получения металла чистотой 99, 99999% и болееможно использовать комбинирование указанных выше способов: электролизалюминийорганических соединений или возгонку через субфторид с последующейзонной плавкой полученного алюминия. Например, многократной зонной очисткойалюминия, полученного электролизом алюминийорганических соединений, удаетсяполучить металл особой чистоты с содержанием примесей, ×10–9 %: Fe 50; Si
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.newchemistry.ru/