Использование алюминия: сферы применения чистого металла и его сплавов

30.04.2021 Автор: VT-METALL

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Как был открыт алюминий и каковы его основные свойства
• Основные физические свойства алюминия
• Основные химические свойства алюминия
• Как применяют основные свойства алюминия
• Как используют основные свойства алюминия в строительстве

Основные свойства алюминия делают этот материал по-настоящему универсальным и ценным. Его используют во всех видах промышленного производства, в сельском хозяйстве, в быту, в коммерции. Обладает огромным количеством преимуществ по отношению к стали и другим видам металла.

Самые популярные сферы применения алюминия – изготовление металлоконструкций и металлообработка. О том, какие свойства металла и где конкретно они нашли свое применение, читайте далее.

Потребление в промышленности и жизни

На рисунке ниже показаны восемь секторов промышленности и строительства, в которых применение алюминия происходит особенно активно. Процентные доли по различным секторам промышленности в общем потреблении представлены по статистическим данным Международного Института алюминия за 2007 год. С тех пор, думается, картина в целом не изменилась, и эти данные вполне актуальны.

Применение алюминия в готовой промышленной продукции [1]

Основными отраслями промышленности, которые активно применяют алюминий, являются:

• Строительство
• Упаковывание продукции
• Электрическая промышленность
• Транспортное машиностроение
• Производство машин и оборудования
• Производство товаров для повседневной жизни
• Порошковая металлургия
• Раскисление стали в черной металлургии

Переработка: куда попадает лом алюминия после пункта приема

Переработка лома из алюминия является необходимым процессом для человечества, как в экологическом, так и в экономическом плане. Разложение алюминиевой банки занимает 500 лет, когда как обычный перерабатывающий завод может уже через 60 дней превратить ее в новое алюминиевое изделие.

Процесс переработки включает в себя несколько основных этапов.

Сортировка

Сортировка отходов алюминия происходит на заводе. Вторсырье разделяют по цвету, весу, твердости, маркировке, а также химическому составу.

Измельчение

Рассортированный для дальнейшей переработки металлом разбирают на детали, удаляют мусор, а затем дробят и измельчают.

Высушивание

Вторичное сырье сушат для придания необходимого содержания влаги. Это необходимо, чтобы после переработки получить металл хорошего качества. Для переплава шихты значение влаги не должно превышать 4%. Для шлаков и флюса — не более 1%. Используются следующие методы сушки:

• Барабанное высушивание;

• Камерное высушивание (для кускового лома и отходов);

• Индукционная сушка (для дробленого флюса).

Плавление

Отходы из алюминия плавят в специальных печах. Печи бывают двух типов:

• Обогреваемые топливом (мазутом или газом);
• Обогреваемые электроэнергией.

После расплавленный алюминий заливают в формы, так называемые чушки. Когда металл остынет, его транспортируют на предприятия, занимающиеся производством различных изделий из алюминия.

Перерабатывать металл можно бесконечное количество раз.

Наглядная схема переработки алюминия

Строительство

Алюминиевые окна и фасады

Основными алюминиевыми сплавами, которые находят применение в строительной промышленности, являются сплавы 6063 и 6060, а также сплав 6082 (в Европе) и сплав 6061 (в Северной Америке). Они обладают довольно высокой прочностью (6082 и 6061 – до 400 МПа) и хорошей коррозионной стойкостью.

Оконные алюминиевые профили с терморазвязкой (сплавы 6060/6063)

Важнейшие конструкционные характеристики алюминия, которые определяют применение алюминия как материала для оконных и дверных рам:

• прочность для обеспечения жесткости и безопасности;
• способность принимать сложные формы (обеспечивается экструзией);
• привлекательный внешний вид;
• коррозионная стойкость;
• минимальная потребность в техническом обслуживании.

Навесной фасад с алюминиевым каркасом (сплавы 6060/6063)

Стоечно-ригельный фасад

Алюминиевая кровля и алюминиевая облицовка зданий

Декоративные и защитные профилированные облицовочные материалы часто изготавливают из катаных алюминиевых листов. Различные виды декоративных и защитных покрытий делают их идеальными материалами для применение в качестве кровельного материала.

Применение для кровли и облицовки зданий обеспечивают следующие свойства алюминия:

• низкая масса, благодаря низкой плотности;
• стойкость к воде;
• коррозионная стойкость;
• декоративный вид.

Алюминиевая кровля

В каких изделиях можно найти алюминий

Что делают из алюминия

Алюминий — металл серебристого (серого) цвета, имеющий небольшой вес, высокий уровень прочности и пластичности, и являющийся хорошим проводником тепла и электричества. Металл обладает устойчивостью к воздействиям внешней среды, а именно не окисляется от наличия влаги и каких-либо химических веществ.

Алюминий и его сплавы применяются в различных областях: машиностроении, пищевой промышленности, строительстве, при изготовлении судов, авиатехники, мебели и товаров для спорта.

Самые распространенные изделия из алюминия это:

• Посуда (контейнеры и емкости для еды, банки, пищевые пленки);

• Провода, элементы окон, а также листы, обрезки и стружка металлических конструкций;

• Запчасти от автомобилей и электроприборов, радиаторы.

Все эти изделия можно сдать в специальный пункт приема, получив соответствующее вознаграждение.

Кастрюли из алюминия – один из часто встречаемых видов лома

Виды лома алюминия

Алюминиевый металлолом, как один из типов вторсырья цветного металла, бывает следующих видов:

• Электротехнический. Кабель и различная электротехника из чистого алюминия;

• Пищевой. Самый распространенный вид лома, включающий в себя кастрюли, канистры, ложки и прочую посуду;

• Профиль. Различный оконный, дверной алюминиевый профиль;

• Профиль (термовставка). Профиль с термовставкой;

• Моторный. Алюминий с корпусов двигателей;

• Бытовой. Дверные ручки, алюминий с различной бытовой техники;

• Лом алюминиевых банок;

• Фольга;

• Стружка;

• Алюминиевый кабель (в изоляции);

• Шлак.

Транспорт

Алюминий в легковых автомобилях

Средняя масса алюминия в легковых автомобилях в Европе в 2006 составляла около 118 кг и продолжала увеличиваться. Его доля в различных компонентах и деталях автомобилей составляет (в килограммах на один автомобиль):

• блоки цилиндров двигателей: 40,3
• трансмиссия: 16,3
• шасси, подвеска и управление: 12,5
• колеса: 17,7
• теплообменник: 12,3
• тормоза: 3,7
• кузов: 6,8
• тепловые экраны: 1,4
• бамперы: 2,8
• другие компоненты: 3,9.

Алюминиевый блок цилиндров автомобиля

Алюминиевый автомобильный колесный диск

Применение алюминия для изготовления автомобильных деталей обусловлено следующими его свойствами:

• низкая плотность;
• прочность;
• жесткость;
• вязкость;
• стоимость;
• коррозионная стойкость.

Алюминиевая рама автомобиля

Алюминиевые сплавы для грузовых автомобилей

Алюминиевые сплавы для автомобильных цистерн [5]

Производство алюминиевых автомобильных цистерн [5]

Алюминиевые сплавы для кузовов самосвалов [5]

Производство алюминиевых кузовов самосвалов [5]

Алюминиевые сплавы для автомобильных фургонов [5]

Алюминиевые сплавы для шасси грузовых автомобилей [5]

Алюминий в вагоностроении

Конструкция высокоскоростного поезда Intercity Express из прессованных алюминиевых профилей – Германия, 1992

Алюминиевый вагон городского рельсового транспорта [7]

Грузовой алюминиевый вагон для перевозки угля [7]

Алюминий в судостроении

Алюминевый патрульный катер

Круизный лайнер с алюминиевой надстройкой [5]

Алюминиевая яхта-катамаран [5]

Алюминиевые сплавы для самолетов

Первый самолет братьев Райт в 1903 году был в основном деревянным с алюминиевым двигателем.

Среди алюминиевых сплавов, которые применяют в самолетостроении доминируют высокопрочные деформируемые сплавы, такие как, сплав 2024 (содержащий медь и магний) и сплав 7075 (содержащий магний, цинк и немного меди). Большинство алюминиевых сплавов, которые применяются в самолетостроении, являются несвариваемыми и их соединяют в основном заклепками.

На рисунках ниже показано применение сплавов серии 2ххх для изготовления фюзеляжа самолета и сплавов серии 7ххх – для крыльев.

(a)

(б)

Применение алюминиевых сплавов в самолетостроении: а – сплавы серии 7ххх для фюзеляжа и б – сплавы серии 2ххх для крыльев [2].

Аэробус А380

Основные требования к алюминиевым сплавам в аэрокосмической промышленности:

• низкая плотность;
• высокая прочность;
• точность механической обработки;
• коррозионная стойкость;
• стоимость.

Легирование

Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.
Легирование — процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.

Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.

При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается относительная плотность. Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.

Космическая техника

Первым, кто понял огромный потенциал алюминия для космоса, был великий писатель-писатель Жюль Верн. В своем романе «Путешествие на Луну» от еще в 1865 году детально описал ракету из алюминия.

Алюминиевые сплавы для космических аппаратов

Корпус первого советского спутника, который был запущен в октябре 1957 года, был изготовлен из алюминиево-магниевого сплава АМг6 с содержанием магния 6 %. Алюминиево-магниевые сплавы остаются основным материалом для изготовления корпусов ракет. Во внутренних отсеках ракет применяются и дюралевые алюминиевые сплавы.

Первый искусственный космический объект – советский Спутник 1

В последние десятилетия 20-го века в космических аппаратах стали применяться алюминиево-литиевые сплавы. Плотность лития составляет всего 0,533 г/см3 – он легче воды. Добавки лития в алюминий в количестве до 2,5 % снижают плотность алюминиевого сплава , а также повышают его модуль упругости. Так, сплав 8090 имеет плотность на 10 % ниже, а модуль упругости на 11 % выше, чем у популярных в самолетостроении сплавов 2024 и 2014. На рисунке ниже показано колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075.

Колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075-Т7351

Алюминий применяется также в качестве связующего материала в бороалюминиевых композитах, которые в настоящее время также применяются в космической технике.

Бороалюминиевый композит (40 % волокон бора)

Порошковый алюминий – компонент ракетного топлива

Высокая химическая активность алюминия дает возможность применять его в составе ракетного топлива для твердотопливных ускорителей в разрабатываемой NASA системе космических запусков (SLS).

В ракетных ускорителях алюминиевый порошок и перхлорат аммиака соединяются вместе с помощью специального связующего вещества. Эта смесь, похожая на материал стирательной резинки, помещается затем в стальной корпус [3].

Когда эта смесь загорается, кислород из перхлората аммиака соединяется с алюминием с образованием оксида алюминия, хлорида алюминия, водяного пара и газообразного азота, а также с выделением огромного количества энергии.

Алюминий входит в состав твердого топлива для ракетных ускорителей NASA [3]

Сплавы алюминия с марганцем и магнием

Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.

Марганец и магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.

В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы — химического соединения Mg Al .

Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.

Упаковка продуктов

Катаный алюминий – ленты и фольга – применяют в упаковке сыпучих и жидких продуктов. Алюминиевая упаковка сопровождает нас повсюду в нашей жизни – это, например, алюминиевые банки и бутылки, фольга в упаковке продуктов и лекарств. Алюминий обладает низкой плотностью, совместимостью с продуктами и напитками и привлекательным внешним видом. Это делает его идеальным материалом для различных видов упаковки: жестких (банки) и мягких (фольга).

Алюминиевые банки для упаковки пищевых продуктов [6]

Алюминиевые банки

Из алюминия изготавливают 75 % банок для напитков и 15 % емкостей для аэрозолей. Алюминиевые банки обеспечивают значительное снижение веса упаковки по сравнению с аналогичными стальными банками.

Корпус банки изготавливают из сплава серии 3000 (алюминиево-марганцевые сплавы), который после глубокой высадки раскатывают до толщины стенки 0,27 мм.

Крышка банки составляет 25 % ее веса. Ее изготавливают из более прочного алюминиево-магниевого сплава. Встроенный в банку рычаг-“открывашка”, который крепится к банке на интегральной заклепке, состоит из другого алюминиево-магниевого сплава. Эту заклепку накатывают из тела крышки при ее изготовлении.

Алюминиевая банка для упаковки пива и прохладительных напитков

Требования к алюминиевым сплавам для упаковочного сектора промышленности:

• низкая плотность;
• прочность;
• хорошая формуемость;
• совместимость с продуктами и напитками;
• декоративность (способность к нанесению рисунков и надписей);
• стоимость.

Упаковочная фольга

Алюминиевую фольгу обычно изготавливают из марок технического алюминия серии 1000. Свойства алюминия, которые обеспечивают возможность его применения в качестве материала для изготовления фольги, следующие:

• прочность и непроницаемость для жидкостей и газов при малой толщине;
• низкая плотность;
• термическая проводимость;
• теплостойкость;
• стойкость к проникновению газов и жидкостей;
• совместимость с продуктами и напитками;
• эстетический и декоративный потенциал.

Алюминиевая упаковочная фольга

Что представляет собой алюминий и зачем его перерабатывать

Алюминий окружает нас повсюду. Он легкий, хорошо плавится, не боится коррозии, и благодаря этому пользуется большим спросом. Изделия из алюминия можно не только производить, но и успешно перерабатывать, получая новое сырье.

Алюминиевый лом пользуется популярностью и остается одним из наиболее доступных видов цветного металлолома.

Отходы из алюминия дожидаются переработки

После переработки из лома алюминия получается высококачественный материал, который будет использован в промышленности. Как уже давно известно, намного выгоднее перерабатывать металл, чем заниматься его добычей. Это не только экономит природные ресурсы, защищает окружающую среду от загрязнений, но и приносит отличный дополнительный доход.

Вторичная переработка алюминия обладает следующими преимуществами:

• Потребляет на 95% меньше энергии, чем производство первичного сырья.

• Испускает меньше парниковых газов, оказывающих негативное влияние на экологию;

• Сокращает использование природных ресурсов и химических веществ, прекращает изменение ландшафта.

Провода и кабели

Высокая электрическая проводимость марок алюминия серии 1000, а также алюминиевых сплавов серии 8000, делает их весьма подходящими для изготовления электрических проводников. Алюминиевые проводники применяют в следующих случаях:

• распределительные электрические подстанции;
• силовые системы высотных зданий;
• высоковольтные линии электропередач;
• большинство подземных линий электропередач;
• силовые кабели для промышленного применения.

Большая часть алюминия в электротехнической промышленности применяется в виде кабелей (8 из 13 %). Однако его применяют также и в виде электрических шин для оборудования с большой силой тока, а также для питания электричеством больших зданий. Кроме того, кабели для промышленных, торговых и жилых зданий могут содержать много изолированных проводников, которые помещают в общий защитный алюминиевый рукав.

Требования к алюминию, который применяется для электротехнических приложений:

• приемлемая стоимость;
• достаточно высокая электрическая проводимость;
• коррозионная стойкость;
• прочность.

Типы алюминиевых сплавов, принимаемых в качестве лома

Виды сплавов алюминия

Наряду с изделиями из чистого алюминия пункты цветмета принимают и сплавы с большим содержанием других элементов: меди, кремния, никеля и др. Все сплавы, полученные на основе алюминия, принято разделять на два вида:

• Деформируемые. Используются для изготовления листов, прутьев, проволоки и прочих профилей;

• Литейные. Используются для фасонного литья.

Согласно ГОСТу выделяются следующие виды алюминиевых отходов, в которых присутствуют другие металлы:

• Нелегированный вторичный металл; • Медь. Различают лом с низким содержанием этого элемента (до 0.5%) и высоким (не более 5%);

• Цинк. Включает две подгруппы. В первой находятся изделия, изготовленные из сплавов, характеризующихся низким уровнем цинка (менее 0.5%). К подгруппе с высоким (до 6.5%) включением цинка относятся алюминиевый прокат и детали воздушных аппаратов;

• Магний. Данная группа включает вторичный алюминиевый прокат и литье, содержание магния в которых не более 13%. Также к этой категории относятся отслужившие трубопроводы, сварные резервуары.

Следует отметить, что отдельно принимаются смешанные алюминиевые отходы производства такие, как отливки узлов, предназначенные для машиностроения, сплавы с кремнием и сплавы с никелем.

Вторсырье низкого сорта

Под этой категорией понимается дробленый лом, а именно стружка различного происхождения: токарная, сверлильная или фрезерная. Единственное требование к этому сорту отходов — сортировка по видам сплавов. Необходимо разделить литейные, деформируемые, а также содержащие кремний сплавы между собой. Стружка из разносортных сплавов, а также вьюнообразная стружка принимаются отдельно.

Обычно за алюминиевую стружку удается выручить немного

Помимо этого, в категорию лома алюминия низкого сорта входят:

• шлаки, пена, остатки рафинирования сплавов металла;

• предварительно расплавленные сплавы;

• банки, обязательно брикетированные;

• фольга.

Машины и оборудование

Отопительные и вентиляционные системы

Алюминиевые сплавы серий 3000, 5000 и 6000 обладают хорошей термической проводимостью. В комбинации с высокой прочностью эти сплавы являются хорошим выбором для применения в системах обогрева и вентиляции. Эти системы включают следующие компоненты, в которых применяют алюминиевые сплавы:

• компрессоры;
• конденсеры/испарители;
• расширительные клапаны;
• вентиляторы;
• трубы.

Свойства алюминия, которые важны для отопительных и вентиляционных систем:

• высокая теплопроводность;
• высокий контактный коэффициент;
• малая плотность;
• высокая коррозионная стойкость.

Деление алюминия на классы и группы

Вторсырье из алюминия и его сплавов имеет многоуровневую классификацию. Алюминиевый лом можно разделить на:

• Классы. А – кусковой лом, Б – стружка, В – порошкообразные отходы, Г – прочее вторсырье;

• Группы. Насчитывается 10 групп, отличающихся химическим составом и типом сплава;

• Сорт. Отличия ведутся по виду и форме изделий.

Группы алюминиевого металлолома

Отходы из алюминия подразделяются на следующие группы:

• Группа I. Алюминий чистый (нелегированный), содержащий данный металл в количестве не менее 99%.

Электротехнический алюминий считается самым чистым видом лома

• Группа II. Сплавы алюминиевые деформируемые с низким содержанием магния.

• Группа III. Сплавы алюминиевые деформируемые с высоким содержанием магния.

• Группа IV. Сплавы алюминиевые литейные с низким содержанием меди.

• Группа V. Сплавы алюминиевые литейные с высоким содержанием меди.

• Группа VI. Сплавы алюминиевые деформируемые с высоким содержанием магния.

• Группа VII. Сплавы алюминиевые литейные с высоким содержанием магния.

• Группа VIII. Сплавы алюминиевые деформируемые с высоким содержанием цинка.

• Группа IX. Сплавы алюминиевые литейные с высоким содержанием цинка.

• Группа X. Низкокачественные лом и кусковые отходы алюминия и алюминиевых сплавов, не отвечающие требованиям всех групп.

Качество лома определяет возможность его дальнейшего применения. Наиболее эффективно использовать алюминиевый металлолом на выпуск тех сплавов, при обработке которых они образовались, так как в данном случае сырье уже содержит необходимые компоненты.

Потребительские товары

Алюминий в больших объемах применяется при изготовлении различных компонентов, деталей и корпусов многих потребительских изделий, которые окружают нашу жизнь – бытовых товаров, например, холодильников, морозильников, посудомоечных машин. Холодильники и морозильники содержать холодильные агрегаты, которые, как упоминалось выше, также содержат значительное количество алюминия. Важными свойствами алюминия для потребительских товаров являются:

• эстетические свойства;
• коррозионная стойкость;
• прочность;
• высокая теплопроводность (для холодильных агрегатов).

Металл в природе

7,4-8,1% земной коры – это алюминий. В природе представлен горными породами и минералами, формирующими земную кору.

Почти всегда это соединения алюминия:

• Бокситы (оксиды с примесью кремния, кальция, железа).
• Глиноземы (каолиново-песчаная либо известковая, магнезиальная смесь).
• Нефелины (с калием).
• Каолиниты.
• Корунды.

В сегменте корундов соседствуют «суровый» наждак и ювелирные минералы: сапфир, рубин. Строение их решеток идентично.

«Алюминиевые» самоцветы: сапфир, рубин, изумруд, аквамарин, александрит.

Соединения алюминия найдены в воде рек, морей, океанов. В чистом виде – только в жерлах вулканов.

Медицина

Оборудование и инструменты

Анодированный алюминий широко применяется для изделий и деталей в медицинском и зубоврачебном оборудовании, в том числе:

• Внутренняя отделка больничных палат и медицинских кабинетов
• Инструменты, которые способны выдерживать регулярную стерилизацию в автоклаве
• Больничные кровати, носилки, коляски и другие средства для перемещения пациентов
• Оборудование для медицинского кислорода
• Зубоврачебное оборудование и инструменты
• Рентгеновские аппараты
• Оборудование для диализа.

Упаковка лекарств

Алюминиевая фольга является непревзойденным барьером, который надежно защищает лекарства от микроорганизмов, солнечного света, кислорода и других газов. Поэтому эта фольга является основным материалом для защитной упаковки лекарств и фармацевтических материалов.

Лекарственные таблетки в алюминиевой упаковке

Производство бытовых предметов

В быту не счесть вещей, которые делаются из этого металла. В частности, популярностью пользуются алюминиевые лестницы – они есть практически в каждом доме, гараже. Кухонная утварь, кронштейны для телевизоров – все эти элементы могут быть выполнены из алюминия, что уже говорить про более мелкие предметы.

Алюминиевые лестницы, кстати, уверенно вытеснили железные, так как последние очень тяжело переносить с места на место. Это еще раз демонстрирует преимущество этого металла. Перечислять изготавливаемые из него предметы быта можно очень долго.