Invenția se referă la industria chimică, în special la o fabrică pentru producerea hidroxidului de aluminiu și a hidrogenului. Instalația include un dispozitiv de amestecare a aluminiului și a prafului de apă fin divizate, un reactor pentru interacțiunea chimică a apei cu aluminiul, însoțit de evoluția unui amestec de gaz care conține hidrogen și formarea de produse de oxidare a aluminiului, precum și un dispozitiv pentru îndepărtarea amestecului de gaz conținând hidrogen și produse de oxidare a aluminiului. Reactorul pentru interacțiunea chimică a apei cu aluminiul este echipat cu un dispozitiv de amestecare și un dispozitiv de iradiere cu suspensie ultrasonică situat în interiorul reactorului. Invenția îmbunătățește productivitatea procesului. 1 bolnav.

Cifre la brevetul Federației Ruse 2350563

Invenția se referă la industria chimică, în special, la un dispozitiv pentru producerea hidrogenului și hidroxidului de aluminiu într-o soluție slabă de alcali din aluminiu metal prin oxidare într-un câmp ultrasonic.

Hidroxizii de aluminiu sunt folosiți în diverse industrii ca adsorbanți, catalizatori etc. Hidroxizii de aluminiu de înaltă puritate sunt folosiți în industria electronică și optică sub formă de pulbere fină - sub formă de pulberi abrazive, în special pentru discuri dure sau capete magnetice, precum și pentru obținerea de materii prime pentru ceramică, rubine sintetice și safire pentru industria optică și electronică, pentru a crește caracteristicile de rezistență ale betonului în construcții critice.

Invenția se referă, în special, la o metodă de producere a hidroxizilor de aluminiu sub formă de boemită. Metoda permite obținerea hidrogenului, care poate fi utilizat pentru producția chimică, metalurgie, furnizarea autonomă de energie pe bază de hidrogen.

Principala metodă pentru producția industrială de hidroxizi de aluminiu este procedeul Bayer, iar uscarea și calcinarea lor ulterioară duc la producerea de oxizi de aluminiu (Chemical Encyclopedia, ed. "Soviet Encyclopedia", M., 1988, v.1, s.213-214).

Cu toate acestea, metodele convenționale pentru producerea hidroxizilor de aluminiu nu oferă puritate ridicată a produsului.

O metodă cunoscută de producere a hidroxizilor de aluminiu sub formă de pulbere fină, care constă în amestecarea unui compus de aluminiu, un precursor al aluminiului și cel puțin unuia dintre compușii folosiți ca material pentru semințe pentru cristale de hidroxid de aluminiu, urmată de calcinarea într-o atmosferă conținând clorură de hidrogen (EP nr. 1262457, C01F 7/02, public. 04.12.2002).

Cu toate acestea, această metodă nu oferă un material cu puritatea și structura dorită. În plus, metoda de producere a hidroxizilor sub formă de geluri este incomodă, deoarece izolarea acestuia este dificil de filtrat și, în plus, sunt necesare etape de frezare sau de extrudare pentru a obține pulberi fine.

Se pare că este mai convenabil să se obțină hidroxizi de aluminiu prin interacțiunea metalului de aluminiu cu apa, cu toate acestea, datorită formării unei pelicule de oxid pe suprafața de aluminiu, activitatea sa scade rapid. Pentru a preveni acest fenomen, se folosesc diverși aditivi.

Deci, există metode cunoscute de producere a hidrogenului, care constau în interacțiunea metalelor, inclusiv aluminiul cu apa (SUA nr. 3348919, 423-657, publicația 10.24.1967, SUA nr. 3985866, 423-657, public 12.10.1976). Cu toate acestea, în aceste metode, pe lângă aluminiu, sunt utilizate și alte metale - metale alcaline, alcaline-pământoase sau aliaje (EP nr. 248960, С01 ”3/086, public 16.12.1987).

Pentru a obține hidroxizi de aluminiu și hidrogen, este necesar să utilizați substanțe suplimentare care să faciliteze interacțiunea reactivilor, de exemplu, cantități catalitice. amine organice. Introducerea acestor substanțe face imposibilă obținerea hidroxidului de aluminiu pur. Procesul de interacțiune a aluminiului sau a compușilor săi și a hidrogenului se realizează într-o instalație care include un reactor cu un agitator, unde sunt introduși reactivi de pornire. Instalația include un schimbător de căldură, un separator și un filtru pentru separarea suspensiei rezultate a hidroxizilor de aluminiu cu apă.

Cunoscută (SUA nr. 2758011, 423-627, public 07.08.1956) o metodă de producere a aluminei sub formă de boehmită (-AlOOH), care constă în interacțiunea efectuată într-o autoclavă, care încarcă apă și aluminiu sub formă de particule fine. Amestecul este apoi încălzit la o temperatură de 482-705 ° F (250-374 ° C), după care se începe agitarea la aceeași temperatură la o presiune suficientă pentru a menține apa în faza lichidă. Procesul se desfășoară pentru un timp suficient pentru interacțiunea întregului aluminiu, în exemplele date, acest timp este de aproximativ 4 ore. După ce tot aluminiul a reacționat, agitarea este oprită, autoclavul cu amestecul de reacție este răcit și hidroxidul de aluminiu rezultat este separat. Instalarea pentru realizarea metodei include un reactor cu agitator, deschideri pentru introducerea apei și a aluminiului sub formă de pulbere, a unei chiuvetă, a unui condensator pentru recepția aburului și a gazului. Efectuarea unei asemenea metode la scară industrială nu este avansată din punct de vedere tehnologic datorită modului său periodic; metoda nu vă permite să variați forma produsului rezultat este hidroxidul de aluminiu.

O metodă cunoscută de producere a hidrogenului, care constă în faptul că substanțele care conțin metale interacționează cu apa. Substanțele care conțin metale sunt acoperite cu o peliculă de polimer solubil în apă înainte de a fi alimentate cu reactorul. Interacțiunea se desfășoară într-un mediu apos, al cărui parametri corespund parametrilor stării sale supercritice, ceea ce face posibilă procesul de ardere strat cu strat de substanțe care conțin metale cu evoluția hidrogenului (RU nr. 2165388, 3/5, publicația 04.07.2000).

Aluminiul sub formă de pulbere poate fi utilizat ca substanțe care conțin metale, iar o soluție de oxid de polietilenă în dioxan sau alcool metilic poate fi utilizată ca o peliculă polimera solubilă în apă. Presiunea stării supercritice a mediului acvatic este mai mare de 22,12 MPa, iar temperatura este mai mare de 647,3 K (374 ° C). Metoda permite obținerea unui amestec de hidrogen din compoziție: 96,1 vol.% Hidrogen, 3,9 vol.% Monoxid de carbon; și să efectueze regenerarea materiei prime. Cu toate acestea, forma procesului de hidroxid de aluminiu rezultat nu este boehmitul.

Cunoscut este un procedeu îmbunătățit pentru producerea hidroxidului de aluminiu de înaltă puritate sub formă de hidrargilită, care include etapele următoare: (a) introducerea de aluminiu solid, nu sub formă de pulbere, de preferință sub formă de lingouri, în apă fierbinte la aproximativ 70 ° C pentru a obține un amestec de reacție; (b) agitarea acestui amestec timp de aproximativ 20 de minute; (c) introducerea în amestec a unui solid alcalin, de preferință hidroxid de sodiu și încălzirea acestuia la un punct de fierbere; (d) coborârea temperaturii la 75-80 ° C și agitarea timp de 60 de minute; (e) scăderea temperaturii la temperatura camerei; și (f) filtrarea amestecului, rezultând hidroxid de aluminiu de înaltă puritate. Această metodă folosește o substanță suplimentară - hidroxid de sodiu, care contribuie la formarea impurităților (SUA nr. 5435986, C01F 7/02, public. 25.07.1995).

O metodă cunoscută de producere a hidroxizilor sau oxizilor de aluminiu și hidrogen din aluminiu și apă distilată, caracterizată prin aceea că, din aluminiu dispersat fin cu o dimensiune a particulelor de cel mult 20 μm, o suspensie de aluminiu praf în apă este pregătită la un raport de Al: H2O \u003d 1: 4-16 greutate.h ., care este alimentat continuu într-un reactor de înaltă presiune, în care o suspensie de aluminiu pudră este pulverizată cu un diametru de picături de nu mai mult de 100 μm în apă la o temperatură de 220-900 ° C și o presiune de 20-40 MPa, cu un raport de suspensie la apă de 1: 50-100 greutate. ore după ieșirea din înălțime La presiune, gazul este introdus în condensator și hidrogenul este îndepărtat, iar hidroxidul de aluminiu sau oxidul de aluminiu sunt transferați în rezervorul de suspensie. În acest caz, hidroxidul de aluminiu sub formă de boemită este obținut la o temperatură de 250-350 ° C, o presiune de 32-35 MPa cu un raport de Al: H 2 O \u003d 1: 8-12 părți în greutate. (RU nr. 2223221, C01F 7/42, 3 ianuarie 3, publicație 02/10/2004).

Din aceeași sursă, o instalație cunoscută pentru implementarea metodei, inclusiv un mixer, un reactor, un rezervor de sedimentare pentru o suspensie, un condensator. În acest caz, reactorul este un aparat care funcționează sub presiune mareechipat cu o duză pentru pulverizarea unei suspensii de aluminiu sub formă de pulbere în apă, până la un diametru de picături de cel mult 100 microni. Pentru a implementa metoda, pregătiți mai întâi o suspensie de aluminiu pudră (dimensiunea particulelor până la 20 microni, de preferință până la 5 microni) în apă la un raport de Al: H2O \u003d 1: 4-16 greutate.h. Această dispersie este introdusă în reactor, unde este pulverizată în apă sub presiune de 20-40 MPa la o temperatură de 220-900 ° C. Este necesar să se asigure pulverizarea fină a suspensiei - dimensiunea picăturilor nu trebuie să fie mai mare de 100 microni, în timp ce raportul dintre suspensie și apă este de 1: 50-100 părți în greutate, cu îndepărtarea continuă a hidrogenului și hidroxidului de aluminiu.

Această binecunoscută decizie a fost luată ca prototip.

Din analiza publicațiilor interne și străine rezultă că metodele cunoscute în prezent nu asigură completitatea oxidării aluminiului cu apa și sunt ineficiente. În plus, aceste metode folosesc pulberi de aluminiu ultrafinate preponderent scumpe și aliaje de aluminiu activate. Utilizarea acestuia din urmă pentru a produce hidrogen nu este promițătoare, deoarece acestea sunt metode consumatoare de energie și ineficiente.

Prezenta invenție are ca scop soluționarea problemei tehnice a creării unei instalații pentru un proces continuu, care permite obținerea simultană a hidrogenilor și hidroxizilor de aluminiu cu puritate ridicată a produsului final cu un consum de energie cât mai mic posibil.

Rezultatul tehnic obținut în acest caz este creșterea eficienței operaționale și a productivității prin asigurarea producției de hidrogen pur și produse de oxidare a aluminiului, menținând în același timp un regim de temperatură sigură a amestecului de proces și eliminând formarea unui amestec exploziv de hidrogen cu oxigen.

Rezultatul tehnic specificat este obținut prin faptul că în instalația pentru producerea hidroxidului de aluminiu și a hidrogenului, incluzând un dispozitiv pentru amestecarea aluminiului și a prafului de apă fin divizate, un reactor pentru interacțiunea chimică a apei cu aluminiul, însoțit de eliberarea unui amestec de gaz care conține hidrogen și formarea de produse de oxidare a aluminiului, precum și de un dispozitiv pentru eliminarea conținutului de hidrogen amestec de gaze și produse de oxidare a aluminiului, reactorul pentru interacțiunea chimică a apei cu aluminiul este echipat cu un dispozitiv de amestecare m și un dispozitiv pentru iradierea cu ultrasunete a suspensiei situate în interiorul reactorului.

Aceste caracteristici sunt semnificative și interconectate cu formarea unui set stabil de caracteristici esențiale suficiente pentru a obține rezultatul tehnic specificat.

Prezenta invenție este ilustrată de un exemplu specific, care, însă, nu este singurul posibil, dar demonstrează clar posibilitatea de a realiza setul de caracteristici de mai sus al rezultatului tehnic necesar.

În desen - o diagramă de flux a producției de hidroxid de aluminiu și producție de hidrogen.

În cadrul prezentei invenții, este prezentată în desen o diagramă de flux a producției de hidroxid de aluminiu într-un reactor prin activarea cu ultrasunete a pulberii metalice din aluminiu într-o soluție alcalină slabă în mod continuu, pentru o metodă continuă pentru producerea hidrogenului și hidroxidului de aluminiu nanodispersat într-un reactor prin activarea cu ultrasunete a pulberii metalice din aluminiu într-o soluție alcală slabă.

O instalație pentru producerea hidroxidului de aluminiu și a hidrogenului include un dispozitiv pentru amestecarea aluminiului fin divizat și a pulberii de apă într-o proporție predeterminată, din care acest amestec este alimentat într-un reactor pentru interacțiunea chimică a apei cu aluminiul, însoțit de evoluția hidrogenului și formarea de produse de oxidare a aluminiului. Reactorul pentru interacțiunea chimică a apei cu aluminiu este realizat presiune scăzută   cu funcția de a amesteca rotația suspensiei în interiorul reactorului și este echipat cu un dispozitiv cu ultrasunete pentru iradierea suspensiei în interiorul reactorului în timp ce agitați rotația. Dispozitivele pentru îndepărtarea amestecului de gaz conținând hidrogen și oxidarea aluminiului formează fluxurile de transport ale produselor finite obținute în reactor.

Aparatul pentru producerea hidroxidului de aluminiu și hidrogen include o scală de platformă 1, un reactor de solvent 2, un reactor 3, un condensator 4, o coloană de uscare 5, un clarificator 6, un filtru 7 (sau o centrifugă), un cuptor electric 8 (uscător) și o moară cu bilă 9, schimbător de căldură 10. Reactorul 3 este echipat cu un senzor de presiune, un senzor de temperatură a soluției în reactor, un senzor metalic în soluția din reactor și un dispozitiv de amestecare.

O soluție de electrolit dintr-o concentrație dată este pregătită într-un reactor de solvent 2 prin dizolvarea cantității de alcalini solide măsurate cu solzii de platformă 1 în apă deionizată. Soluția pregătită este introdusă în reactor, în același timp, o suspensie apă-aluminiu este introdusă în reactor prin intermediul pompei de dozare, al cărei amestec este supus unei iradieri cu ultrasunete pentru a perturba filmul de oxid de la suprafața particulelor de aluminiu și a începe oxidarea acestuia în reactorul 3 cu agitare și temperatura electrolitului în interiorul acestui reactor este de 65-70 ° S. Produsul rezultat în urma reacțiilor chimice, hidroxidul de aluminiu nanodispersat, este spălat din electrolit pe filtrul 7. Primul filtrat este returnat la reactorul de solvent 2 pentru a pregăti o nouă porțiune a soluției de electrolit. Pentru a reduce sarcina pe filtru, sedimentele coagulate ușor sunt separate de supernatant în clarificatorul-clarificator 6. Supernatantul este utilizat pentru a pregăti o soluție de electrolit în reactorul 2. În loc de filtrul 7, uneori este indicat să folosiți o centrifugă. Uscarea și calcinarea necesară a produsului se realizează într-un cuptor electric 8. Dacă, ca urmare a tratamentului termic, produsul își pierde curgerea, acesta este măcinat într-o moară cu bile 9. Aparatele 7, 8 și 9 pot fi înlocuite cu un uscător cu pulverizator.

Hidrogenul evoluat trece printr-un condensator 4 pentru a îndepărta vaporii de apă, coloana de uscare 5 și este trimis la colector. Condensatul de abur este returnat în reactor. 3. Pentru a încălzi apa adăugată la reactor, este prevăzut un schimbător de căldură 10 în circuit.

Atunci când organizați producția continuă de hidroxid de aluminiu, apa trebuie furnizată la mantaua reactorului de solvent pentru a încălzi electrolitul la temperatura dorită. Pentru aceasta, se utilizează căldura utilizată în mantaua reactorului 3.

Schema tehnologică și tehnologică dezvoltată pentru producerea hidroxidului de aluminiu poate fi montată cu ușurință pe baza instalațiilor electrochimice existente. Tehnologia de producere a hidroxizilor de hidrogen și aluminiu este aceea că dintr-un aluminiu fin dispersat, cu o dimensiune a particulelor de maximum 20 microni, se prepară o suspensie de aluminiu pudră în apă, care este alimentată continuu în reactor printr-o unitate de iradiere cu ultrasunete. Din partea superioară a reactorului, amestecul abur-hidrogen rezultat este alimentat într-un condensator în care aburul este condensat, iar hidrogenul este furnizat pasajului sau consumatorului prin sistemul de uscare. Hidroxidul de aluminiu este îndepărtat din partea inferioară a reactorului într-un clarificator. Tehnologia de producere a hidrogenului și hidroxidului de aluminiu ultrafinat se bazează pe o reacție chimică, prezentată conform schemei.

Indicatori preferați.

1. Simplitatea, fiabilitatea și compactitatea execuției în comparație cu analogii.

2. Consum redus de energie la 1 m 3 N și 2 kg ALOOH: ecografie - 500 W · h, pompă - 500 W · h.

Noutatea metodei constă în faptul că, cu o alimentare continuă controlată a unei suspensii apoase de pulbere de aluminiu, se realizează activarea cu ultrasunete, unde are loc interacțiunea chimică a apei cu aluminiul, însoțită de evoluția hidrogenului și de formarea produselor de oxidare a aluminiului (hidroxizi). În general, utilizarea unei combinații de factori influențatori în metoda dezvoltată asigură producerea de hidrogen pur, produse de oxidare a aluminiului, menținând o temperatură sigură a amestecului de proces și elimină formarea unui amestec exploziv de hidrogen cu oxigen.

Activarea aluminiului se realizează conform tehnologiei de prelucrare preliminară a pulberilor de aluminiu produse de industrie cu ultrasunete.

Din rezultatele calculelor teoretice și ale studiilor experimentale rezultă că la arderea a 1 kg de aluminiu în medii apoase, împreună cu energia termică (17,1 MJ), se eliberează o cantitate mare de hidrogen de înaltă puritate (1,165 nm 3) și se formează peste 2 kg de hidroxizi nanocristalini de aluminiu, pe piață al cărui cost este de 50-400 $ pe kg.

Acest lucru vă permite să utilizați acest proces pentru a produce hidrogen în dispozitive de generare a gazelor autonome, performante și eficiente din punct de vedere energetic, inclusiv unități de sudare a gazelor de dimensiuni mici și autonome.

Atunci când hidrogenul generat este ars în sistemele termice și de propulsie, puterea de energie (30,57 MJ / kg) depășește costul regenerării combustibilului inițial din alumină (26,3 MJ / kg). Energia este furnizată în timpul regenerării complete a componentelor de pornire (aluminiu și apă), fără a emite componente toxice în atmosferă.

Costul specific de 1 MJ de energie în arderea aluminiului cu regenerarea ulterioară a acestuia prin electroliza oxidului de aluminiu este semnificativ mai mic în comparație cu arderea benzinelor și hidroelectricității.

Echilibrul energetic al ciclurilor de combustie și regenerare asigură un câștig de aproximativ 16% din energie datorită arderii hidrogenului eliberat în apă de oxigenul atmosferic. Astfel, odată cu regenerarea completă a reactivilor de pornire (aluminiu și apă), este posibilă furnizarea autonomă a energiei termice la un cost de 1 MJ - 0,0015 USD, care este mai rentabil din punct de vedere economic decât arderea combustibilului cu hidrocarburi (0,007 USD).

Tehnologiile energetice din aluminiu pot fi utilizate în diferite dispozitive de putere, precum și pentru producerea de hidrogen și oxid de aluminiu cu o dispersie extrem de pură, a căror valoare de piață pentru 1 kg este de la 150 la 400 $ cu costul sursei de aluminiu 1,5-2 $ pentru 1 kg.

Astfel, prezenta invenție permite producerea în comun a hidroxizilor de aluminiu dintr-o structură dată și a hidrogenului atunci când se realizează metoda în mod continuu, cu prepararea prealabilă a unei suspensii de aluminiu pudră în apă. Metoda rezultată este caracterizată de non-deșeuri, fabricabilitate și productivitate ridicată, precum și siguranța mediului.

REZUMATUL INVENȚIEI

Instalație pentru producerea hidroxidului de aluminiu și a hidrogenului, inclusiv un dispozitiv pentru amestecarea aluminiului fin divizat și a prafului de apă, un reactor pentru interacțiunea chimică a apei cu aluminiul, însoțit de evoluția unui amestec de gaz conținând hidrogen și de formarea de produse de oxidare a aluminiului, precum și de un dispozitiv pentru îndepărtarea amestecului de gaz care conține hidrogen și a produselor de oxidare a aluminiului, caracterizate faptul că reactorul pentru interacțiunea chimică a apei cu aluminiul este echipat cu un dispozitiv de amestecare și un dispozitiv cu ultrasunete radiația suspensiei situată în interiorul reactorului.

ALUMINIU

Aluminiul este un element cu numărul de serie 13, masă atomică relativă - 26.98154. Este situat în perioada III, grupa III, principalul subgrup. Configurație electronică: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3d 0. O stare de oxidare stabilă a aluminiului este „+3”. Cationul format în acest caz are o carcasă dintr-un gaz nobil, care contribuie la stabilitatea acestuia, dar raportul dintre sarcină și rază, adică concentrația de încărcare, este suficient de mare, ceea ce crește energia cationului. Această caracteristică duce la faptul că, împreună cu compușii ionici, aluminiul formează un număr de compuși covalenți, iar cationul său suferă o hidroliză semnificativă în soluție.

Aluminiul poate prezenta valența I doar la temperaturi peste 1500 ° C. Al2O și AlCl sunt cunoscute.

pe proprietăți fizice   aluminiu este un metal tipic cu o conductivitate termică și electrică ridicată, în al doilea rând decât argintul și cuprul. Potențialul de ionizare al aluminiului nu este foarte mare, așa că s-ar putea aștepta o activitate chimică deosebită de la acesta, dar este redus semnificativ datorită faptului că metalul este pasivizat în aer datorită formării unei pelicule puternice de oxid pe suprafața sa. Dacă metalul este activat: a) îndepărtați mecanic filmul, b) amalgamați (reacționați cu mercurul), c) folosiți o pulbere, atunci un astfel de metal devine atât de reactiv, încât interacționează chiar cu umiditatea și oxigenul, prăbușindu-se în conformitate cu procedeul:

4 (Al, Hg) + 3O2 + 6H2 O \u003d 4Al (OH) 3 + (Hg)

Interacțiunea cu substanțe simple.

1. Aluminiul pudrat reacționează cu încălzirea puternică   cu oxigen.Aceste condiții sunt necesare datorită pasivizării, iar reacția în sine a formării aluminei este extrem de exotermă - se eliberează 1676 kJ / mol de căldură.

2. Cu clor și bromreacționează în condiții standard, este chiar capabil să ia foc în mediul lor. Numai că nu răspunde cu fluor   deoarece fluorura de aluminiu, la fel ca oxidul, formează o peliculă protectoare cu sare pe suprafața metalului. Cu iodreacționează atunci când este încălzit și în prezența apei ca catalizator.

3. Cu grireacționează în timpul fuziunii, dând compoziție de sulfură de aluminiu Al 2 S 3.

4. Fosforul C reacționează de asemenea atunci când este încălzit pentru a forma fosfura: AlP.

5. Direct cu hidrogenaluminiu nu interacționează.

6. Cu azotinteracționează la 800 aproximativ cu, oferind azot de aluminiu (AlN). Trebuie spus că aluminiul arde în aer la aproximativ astfel de temperaturi, prin urmare, produsele de ardere (ținând cont de compoziția aerului) sunt atât oxid, cât și nitrură.

7. Cu carbon aluminiul interacționează la o temperatură și mai ridicată: 2000 ° C. Carbură de aluminiu din compoziția Al 4 C 3 aparține metanidelor, nu conține legături C - C, iar metanul este eliberat în timpul hidrolizei: Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d 4Al (OH ) 3 + 3CH 4

Interacțiunea cu substanțele complexe

1. Cu apăaluminiu activat (lipsit de peliculă protectoare) aluminiu interacționează activ cu evoluția hidrogenului: 2Al (act.) + 6H2 O \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2 Hidroxidul de aluminiu se obține sub formă de pulbere albă liberă, absența unei pelicule nu interferează cu reacția.

2. Reacția cu acizii:a) Aluminiul interacționează activ cu acizii neoxidanți în conformitate cu ecuația: 2Al + 6H 3 O + + 6H 2 O \u003d 2 3+ + 3H 2,

b) Cu acizii oxidanți, interacțiunea are loc cu următoarele caracteristici. Acizii azotici și sulfuri concentrați, precum și acidul nitric foarte diluat pasivează aluminiu (oxidarea rapidă a suprafeței duce la formarea unei pelicule de oxid) la rece. Când este încălzită, filmul este rupt și reacția trece, dar numai produsele cu reducerea lor minimă sunt izolate de acizii concentrați atunci când sunt încălzite: 2Al + 6H 2 SO 4 (conc) \u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 6H 2 O Al + 6HNO 3 ( conc) \u003d Al (NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O Cu acid azotic diluat moderat, în funcție de condițiile de reacție, se pot obține NO, N2O, N2, NH4 +.

3. Interacțiunea cu alcalinele.Aluminiul este un element amfoteric (în proprietăți chimice), deoarece are o electronegativitate suficient de mare pentru metale - 1,61. Prin urmare, este destul de ușor solubil în soluții alcaline cu formarea de hidroxocomplexe și hidrogen. Compoziția hidroxocomplexului depinde de raportul reactivilor: 2Al + 2NaOH + 6H 2 O \u003d 2Na + 3H 2 2Al + 6NaOH + 6H 2 O \u003d 2Na 3 + 3H 2 Raportul dintre aluminiu și hidrogen este determinat de balanța electronică a reacției redox între ei și raportul reactivilor nu este dependent.

4. Potențialul redus de ionizare și afinitatea ridicată pentru oxigen (stabilitate ridicată a oxidului) conduc la faptul că aluminiul interacționează activ cu oxizi din multe metalerestaurarea lor. Reacțiile au loc în timpul încălzirii inițiale cu o evoluție suplimentară a căldurii, astfel încât temperatura să crească la 1200 ° - 3000 ° C. Un amestec de pulbere de aluminiu 75% și 25% (în greutate) Fe 3 O 4 este denumit „termită”. Anterior, reacția de ardere a acestui amestec a fost folosită pentru șinele de sudare. Reducerea metalelor din oxizi folosind aluminiu se numește aluminotermie și este utilizată în industrie ca metodă de producere a unor metale precum mangan, crom, vanadiu, tungsten și feroalea.

5. Cu soluții de sarealuminiu interacționează în două moduri diferite. 1. Dacă, ca urmare a hidrolizei, soluția de sare are un mediu acid sau alcalin, hidrogenul este eliberat (cu soluții acide, reacția se desfășoară numai cu încălzire semnificativă, deoarece pelicula protectoare cu oxid se dizolvă mai bine în alcalii decât în \u200b\u200bacizi). 2Al + 6KHSO 4 + (H2 O) \u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3K 2 SO 4 + 3H 2 2Al + 2K 2 CO 3 + 8H 2 O \u003d 2K + 2KHCO 3 + 3H 2. 2. Aluminiul poate deplasa metalele din compoziția sării, care se află la dreapta liniei de tensiune decât acesta, adică va fi de fapt oxidat de cationii acestor metale. Datorită filmului cu oxid, această reacție nu se produce întotdeauna. De exemplu, anionii de clor sunt capabili să spargă filmul, iar reacția 2Al + 3FeCl2 \u003d 2AlCl 3 + 3Fe trece și o reacție similară cu sulfații la temperatura camerei nu va funcționa. Cu aluminiul activat, orice interacțiune care nu contravine regulii generale va funcționa.

Compuși din aluminiu.

1. Oxid (Al2O3). Cunoscut sub formă de mai multe modificări, dintre care majoritatea sunt foarte durabile și inerte chimic. Modificarea α-Al 2 O 3 are loc în mod natural sub forma mineralului corundum. În rețeaua de cristal a acestui compus, cationii din aluminiu sunt uneori parțial înlocuiți de cationii altor metale, ceea ce conferă mineralului o culoare. Un amestec de Cr (III) dă o culoare roșie, un astfel de corundum este deja o bijuterie rubin. Un amestec de Ti (III) și Fe (III) dă safir albastru. Modificarea amorfă este activă chimic. Alumina este un oxid amfoteric tipic care reacționează atât cu acizii cât și cu oxizii de acid, precum și cu alcalii și oxizi bazici, fiind preferați alcalii. Produsele de reacție în soluție și în faza solidă în timpul fuziunii diferă: Na2O + Al2O3 \u003d 2NaAlO 2 (fuziune) - metaaluminat de sodiu, 6NaOH + Al2O3 \u003d 2Na 3 AlO 3 + 3H 2 O (fuziune) - ortoaluminat sodiu, Al2O3 + 3CrO 3 \u003d Al2 (CrO4) 3 (fuziune) - cromat de aluminiu. În plus față de oxizi și alcalii solizi, aluminiul în timpul alierii reacționează cu sărurile formate din oxizi de acid volatil, deplasându-i din compoziția sării: K 2 CO 3 + Al 2 O 3 \u003d 2KAlO 2 + CO 2 Reacții în soluție: Al 2 O 3 + 6HCl \u003d 2 3+ + 6Cl 1- + 3H 2 O Al 2 O 3 +2 NaOH + 3H 2 O \u003d 2 Na - tetrahidroxoaluminat de sodiu. Anionul tetrahidroxoaluminat este de fapt 1- tetrahidroxodiaquaanion, deoarece numărul de coordonare 6 pentru aluminiu este de preferat. Cu un exces de alcali, se formează hexahidroxoaluminat: Al2O3 + 6NaOH + 3H2O \u003d 2Na 3. În afară de acizi și alcaline, se pot aștepta reacții cu săruri acide: 6KHSO 4 + Al2O3 \u003d 3K 2 SO 4 + Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O.

3. Hidroxizi de aluminiu. Se cunosc două hidroxizi de aluminiu - metahidroxidul –AlO (OH) și ortohidroxidul - Al (OH) 3. Ambele nu se dizolvă în apă, dar sunt și amfoterice, de aceea se dizolvă în soluții de acizi și alcaline, precum și săruri care au un mediu acid sau alcalin ca urmare a hidrolizei. În fuziune, hidroxizii reacționează în mod similar cu oxidul. Ca toate bazele insolubile, hidroxizii de aluminiu se descompun la încălzire: 2Al (OH) 3 \u003d Al2O3 + 3H 2 O. Când sunt dizolvate în soluții alcaline, hidroxizii de aluminiu nu se dizolvă în amoniac apos, deci pot fi precipitați cu amoniac dintr-o sare solubilă: Al (NU 3) 3 + 3NH 3 + 2H 2 O \u003d AlO (OH) ↓ + 3NH 4 NO 3, această reacție produce metahidroxid. Este dificil să precipitați hidroxidul cu alcali, ca precipitatul rezultat se dizolvă cu ușurință, iar reacția totală are forma: AlCl 3 +4 NaOH \u003d Na + 3NaCl

4. Săruri de aluminiu. Aproape toate sărurile de aluminiu sunt foarte solubile în apă. Fosfat insolubil AlPO 4 și fluor AlF3. pentru că cationul din aluminiu are o concentrație de încărcare ridicată, acvomomplexul său capătă proprietățile acidului cationic: 3+ + H 2 O \u003d H 3 O + + 2+, adică. sărurile de aluminiu suferă o hidroliză puternică a cationilor. În cazul sărurilor acizilor slabi, datorită îmbunătățirii reciproce a hidrolizei prin cation și anion, hidroliza devine ireversibilă. Soluția este complet descompusă de apă sau nu poate fi obținută prin reacția de schimb de carbonat, sulfit, sulfură și silicat de aluminiu: Al 2 S 3 + 6H 2 O \u003d 2Al (OH) 3 ↓ + 3H 2 S 2Al (NO 3) 3 + 3K 2 CO3 + 3H2O \u003d 2Al (OH) 3 ↓ + 3CO2 + 6KNO3. Pentru unele săruri, hidroliza devine ireversibilă atunci când este încălzită. Acetatul de aluminiu umed se descompune la încălzire conform ecuației: 2Al (OOCCH 3) 3 + 3H 2 O \u003d Al 2 O 3 + 6CH 3 COOH În cazul halogenelor de aluminiu, descompunerea sării este facilitată de o scădere a solubilității halogenurilor gazoase de hidrogen la încălzire: AlCl 3 + 3H 2 O \u003d Al (OH) 3 ↓ + 3HCl. Dintre halogenuri de aluminiu, numai fluorura este un compus ionic, restul halogenurilor sunt compuși covalenți, punctele lor de topire sunt semnificativ mai mici decât cele ale fluorurii, clorura de aluminiu poate sublima. La temperaturi foarte ridicate, moleculele cu o singură halogenă de aluminiu cu structură triunghiulară sunt localizate în perechi datorită hibridizării sp 2 a orbitelor atomice ale atomului central. Principala stare a acestor compuși în vapori și în anumiți solvenți organici sunt dimerii, de exemplu, Al2Cl6. Halogenurile de aluminiu sunt acizi Lewis puternici, ca au un orbital atomic vacant. Prin urmare, dizolvarea în apă are loc odată cu eliberarea unei cantități mari de căldură. O clasă interesantă de compuși din aluminiu (precum și alte metale trivalente) sunt aluminiul - sulfele duble de 12 ape M I M III (SO 4) 2, care, atunci când sunt dizolvate, ca toate sărurile duble, dau un amestec de cationii și anionii corespunzători.

5. Compuși complexi.Luați în considerare hidroxocomplexele de aluminiu. Acestea sunt săruri în care particula complexă este un anion. Toate sărurile sunt solubile. Distrus prin interacțiunea cu acizii. În acest caz, acizii puternici dizolvă ortohidroxidul rezultat, iar oxizii de acid slabi sau corespunzători (H 2 S, CO 2, SO 2) îl precipită: K + 4HCl \u003d KCl + AlCl 3 + 4H 2 OK + CO 2 \u003d Al (OH) 3 ↓ + KHCO 3

Când sunt calcinate, hidroxoaluminatele se transformă în orto - sau metaaluminate, pierzând apa.

fier

Element cu numărul de serie 26, cu o masă atomică relativă de 55.847. Aparține familiei 3d de elemente, are o configurație electronică: 3d 6 4s 2, iar în sistemul periodic se află în perioada IV, grupa VIII, subgrupul lateral. În compuși, fierul prezintă predominant stări de oxidare de +2 și +3. Ionul Fe 3+ are o carcasă de electroni d, umplută pe jumătate, 3d 5, ceea ce îi conferă stabilitate suplimentară. Stările de oxidare +4, +6, +8 sunt mult mai dificil de realizat.

Prin proprietățile sale fizice, fierul este alb-argintiu, lucios, relativ moale, maleabil, ușor de magnetizat și demagnetizat. Punctul de topire 1539 о С. are mai multe modificări alotrope, diferind în ceea ce privește tipul de grilă de cristal.

  Proprietățile unei substanțe simple.

1. Când arde în aer formează un oxid mixt de Fe 3 O 4 și când interacționează cu oxigen pur - Fe 2 O 3. Fierul sub formă de pulbere este piroforic - se autoaprinde în aer.

2. Fluorul, clorul și bromul reacționează ușor cu fierul, oxidându-l la Fe 3+. FeJ2 este format cu iod, deoarece cationul de fier trivalent oxidează anionul iodat și, prin urmare, compusul FeJ 3 nu există.

3. Pentru un motiv similar, compusul Fe 2 S 3 nu există, iar interacțiunea fierului și a sulfului în punctul de topire a sulfului duce la compusul FeS. Cu un exces de sulf, se obține pirit - fier (II) disulfură - FeS 2. Se formează, de asemenea, compuși nestoechiometrici.

4. Fierul reacționează cu alte nemetale cu încălzire puternică, formând soluții solide sau compuși asemănătoare metalelor. Se poate realiza o reacție la 500 ° C: 3Fe + C \u003d Fe 3 C. Acest compus de fier și carbon se numește cimentită.

5. Cu multe metale, fierul formează aliaje.

6. În aer, la temperatura camerei, fierul este acoperit cu o peliculă de oxid, prin urmare, nu interacționează cu apa. Interacțiunea cu aburul supraîncălzit oferă următoarele produse: 3Fe + 4H 2 O (abur) \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2. În prezența oxigenului, fierul interacționează chiar cu umiditatea aerului: 4Fe + 3O 2 + 6H2 O \u003d 4Fe (OH) 3. Ecuația de mai sus reflectă procesul de ruginire, care este expus până la 10% din produsele metalice pe an.

7. Deoarece fierul se află într-o serie de solicitări până la hidrogen, reacționează ușor cu acizii neoxidanți, dar se oxidează doar la Fe 2+.

8. Acizii azotici și sulfuri concentrați trec fierul, dar când este încălzit, reacția are loc. Acidul nitric diluat reacționează, de asemenea, la temperatura camerei. Cu toți acizii oxidanți, fierul dă săruri de fier (III) (conform unor rapoarte, formarea azotului de fier (II) este posibilă cu acid azotic diluat) și reduce HNO 3 (descompunere) la NU, N2, N2, NH 4 + în funcție de condiții și HNO 3 (în concordanță) - până la NU 2 datorită încălzirii, care este necesar pentru ca reacția să aibă loc.

9. Fierul este capabil să reacționeze cu alcaline concentrate (50%) atunci când este încălzit: Fe + 2KOH + 2H 2 O \u003d K 2 + H 2

10. Reacționând cu soluții de săruri ale unor metale mai puțin active, fierul extrude aceste metale din sare, transformându-se într-un cation divalent: CuCl 2 + Fe \u003d FeCl 2 + Cu.

Proprietățile compușilor de fier.

Fe 2+   Raportul încărcării la raza acestui cation este apropiat de cel al Mg 2+, prin urmare, comportamentul chimic al oxidului, hidroxidului și sărurilor feroase este similar cu comportamentul compușilor de magneziu corespunzători. Într-o soluție apoasă, cationul feros formează un complex acvatic 2+ verde pal. Acest cation este oxidat cu ușurință chiar direct în soluție de oxigenul atmosferic. Soluția FeCl 2 conține particule complexe 0. Concentrația de încărcare a unui astfel de cation este scăzută, prin urmare, hidroliza sărurilor este moderată.

1. FeO - oxidul principal, negru, nu se dizolvă în apă. Ușor solubil în acizi. Când este încălzit peste 500 0 С disproporționate: 4FeO \u003d Fe + Fe 3 O 4. Poate fi obținut prin calcinarea cu atenție a hidroxidului, carbonatului și oxalatului corespunzător, în timp ce descompunerea termică a altor săruri de Fe 2+ duce la formarea oxidului feric: FeC2O4 \u003d FeO + CO + CO 2, dar 2 FeSO 4 \u003d Fe 2 O 3 + SO 2 + SO 3 4Fe (NO 3) 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8NO 2 + O 2 Oxidul de fier (II) poate acționa ca agent oxidant, de exemplu, atunci când este încălzit, reacția are loc: 3FeO + 2NH 3 \u003d 3Fe + N 2 + 3H2O

2. Fe (OH) 2 - hidroxid de fier (II) - bază insolubilă. Reacționează cu acizii. Interacțiunea acid-bază și oxidarea la fierul feric apar simultan cu acizii oxidanti: 2Fe (OH) 2 + 4H 2 SO 4 (conc) \u003d Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O. Se pot obține prin schimb reacții de sare solubile. Acesta este un compus alb care devine mai întâi verde în aer datorită interacțiunii cu umiditatea aerului, apoi devine maro din cauza oxidării prin oxigenul atmosferic: 4Fe (OH) 2 + 2H 2 O + O 2 \u003d 4Fe (OH) 3.

3. Săruri. După cum am menționat deja, majoritatea sărurilor Fe (II) sunt oxidate lent în aer sau în soluție. Cea mai rezistentă la oxidare este sarea Mohr - sulfat dublu de fier (II) și amoniu: (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2. 6H 2 O. Cationul Fe 2+ se oxidează cu ușurință la Fe 3+, prin urmare, majoritatea agenților de oxidare, în special agenți de oxidare a acidului, oxidează sărurile feroase. La arderea sulfurii și a disulfurii de fier, se obțin oxidul de fier (III) și oxidul de sulf (IV): 4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8SO2 Fier (II) sulfură se dizolvă și în acizi puternici: FeS + 2HCl \u003d FeCl 2 + 2H 2 S Carbonatul de fier (II) este insolubil, în timp ce hidrogenatul carbonat se dizolvă în apă.

Fe 3+În raport cu încărcarea la rază acest cation corespunde unui cation din aluminiu ,   prin urmare, proprietățile compușilor cationici ai fierului (III) sunt similare cu compușii corespunzători din aluminiu.

Fe 2 O 3 - hematit, oxid amfoteric, în care predomină principalele proprietăți. Amfotericitatea se manifestă în posibilitatea fuziunii cu alcaline solide și carbonați metale alcaline: Fe 2 O 3 + 2NaOH \u003d H 2 O + 2NaFeO 2 - galben sau roșu, Fe 2 O 3 + Na 2 CO 3 \u003d 2NaFeO 2 + CO 2. Ferratele (II) sunt descompuse de apă odată cu eliberarea de Fe 2 O 3. nH2 O.

Fe 3 O 4- magnetita, o substanta neagra care poate fi considerata fie ca un oxid mixt - FeO. Fe2O3, sau sub formă de oxometaferrat de fier (II) (III): Fe (FeO2) 2. Când interacționați cu acizii, se obține un amestec de săruri: Fe 3 O 4 + 8HCl \u003d FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O.

Fe (OH) 3 sau FeO (OH) este un precipitat gelatinos brun-roșiatic, hidroxid de amfoteric. În plus față de interacțiunile cu acizii, reacționează cu o soluție alcalină concentrată la cald și este contopită cu alcaline solide și carbonați: Fe (OH) 3 + 3KOH \u003d K3.

Sare.Majoritatea sărurilor din fierul feric sunt solubile. La fel ca sărurile de aluminiu, ele suferă hidroliză puternică prin cation, care în prezența anionilor acizilor slabi și instabili sau insolubili pot deveni ireversibili: 2FeCl 3 + 3Na 2 CO 3 + 3H 2 O \u003d 2Fe (OH) 3 + 3CO 2 + 6NaCl. Când se fierbe o soluție de clorură de fier (III), hidroliza poate fi, de asemenea, ireversibilă, deoarece solubilitatea clorurii de hidrogen ca orice gaz atunci când este încălzit scade și iese din sfera de reacție: FeCl 3 + 3H 2 O \u003d Fe (OH) 3 + 3HCl (când este încălzit).

Capacitatea de oxidare a acestui cation este foarte mare, în special în ceea ce privește conversia în Fe 2+: Fe 3+ + ē \u003d Fe 2+ φ o \u003d 0,77v. Drept urmare:

a) soluții de săruri de fier feric oxidează toate metalele până la cupru: 2Fe (NO 3) 3 + Cu \u003d 2Fe (NO 3) 2 + Cu (NO 3) 2,

b) reacțiile de schimb cu sărurile care conțin anioni ușor oxidabili apar simultan cu oxidarea lor: 2FeCl 3 + 2KJ \u003d FeCl 2 + J 2 + 2KCl 2FeCl 3 + 3Na 2 S \u003d 2FeS + S + 6NaCl

Ca și alți cationi trivalenți, fierul (III) este capabil să formeze sulfați de alumină dublă cu cationi de metale alcaline sau amoniu, de exemplu: NH 4 Fe (SO 4) 2. 12H 2 O.

Compuși complexi.   Ambii cationi de fier sunt predispuși la formarea complexelor anionice, în special a fierului (III). FeCl 3 + KCl \u003d K, FeCl 3 + Cl2 \u003d Cl + -. Această din urmă reacție reflectă efectul clorurii de fier (III) ca un catalizator electrofil de clorură. De interes sunt complexele de cianuri: 6KCN + FeSO 4 \u003d K 4 - hexacianoferrat de potasiu (II), sare galbenă de sânge. 2K 4 + Cl 2 \u003d 2K 3 + 2KCl - hexacianoferrat de potasiu (III), sare roșie de sânge. Complexul de fier feros oferă un precipitat sau o soluție albastră cu o sare ferică, în funcție de raportul dintre reactanți. Aceeași reacție are loc între sarea roșie din sânge și orice sare feroasă. În primul caz, precipitatul a fost numit albastru prusac, în al doilea - albastru turnbule. Ulterior, s-a dovedit că, cel puțin, soluțiile au aceeași compoziție: K - hexacianoferrat de fier de potasiu (II, III). Reacțiile descrise sunt calitative pentru prezența în soluția cationilor de fier corespunzători. O reacție calitativă la prezența cationului feric este apariția unei culori roșii din sânge atunci când interacționează cu tiocianatul de potasiu (tiocianat): 2FeCl 3 + 6KCNS \u003d 6KCl + Fe.

Fe +6. Starea de oxidare +6 pentru fier este instabilă. Este posibil să se obțină numai anionul FeO 4 2-, care există doar la pH\u003e 7-9, dar este un agent oxidant puternic.

Fe 2 O 3 + 4KOH + 3KNO 3 \u003d 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O

Fe (rumeguș) + H2 O + KOH + KNO 3 \u003d K 2 FeO 4 + KNO 2 + H 2

2Fe (OH) 3 + 3Cl 2 + 10KOH \u003d 2K2 FeO 4 + 6KCl + 6H 2 O

Fe2O3 + KClO3 + 4KOH \u003d 2K2 FeO4 + KCl + 2H2O

4K2 FeO 4 + 6H 2 O \u003d 4FeO (OH) ↓ + 8KOH + 3O 2

4BaFeO 4 (încălzire) \u003d 4BaO + 2Fe 2 O 3 + 3O 2

2K2 FeO 4 + 2CrCl 3 + 2HCl \u003d FeCl 3 + K 2 Cr 2 O 7 + 2KCl + H 2 O

Producția de fier în industrie:

A) proces de domeniu: Fe 2 O 3 + C \u003d 2FeO + CO

FeO + C \u003d Fe + CO

FeO + CO \u003d Fe + CO 2

B) aluminotermie: Fe 2 O 3 + Al \u003d Al 2 O 3 + Fe

CHROME - un element cu numărul de serie 24, cu o masă atomică relativă de 51,996. Aparține familiei 3d de elemente, are o configurație electronică de 3d 5 4s 1, iar în sistemul periodic se află în perioada IV, grupa VI, subgrupul lateral. Posibile stări de oxidare: +1, +2, +3, +4, +5, +6. Dintre acestea, cele mai stabile sunt +2, +3, +6 și +3 are energia minimă.

Prin proprietățile sale fizice, cromul este un metal dur alb-cenușiu, strălucitor, cu un punct de topire de 1890 ° C. Rezistența rețelelor sale de cristal se datorează prezenței a cinci electroni d neperecheți capabili de legare covalentă parțială.

Proprietăți chimice   substanță simplă.

La temperaturi scăzute, cromul este inert datorită prezenței unei pelicule de oxid, nu interacționează cu apa și aerul.

1. Interacționează cu oxigenul la temperaturi peste 600 aproximativ C. În acest caz, se formează oxid de crom (III) - Cr2O3.

2. Interacțiunea cu halogenii are loc în moduri diferite: Cr + 2F 2 \u003d CrF 4 (la temperatura camerei), 2Cr + 3Cl 2 (Br 2) \u003d 2CrCl 3 (Br 3), Cr + J 2 \u003d CrJ 2 (cu încălzire semnificativă ). Trebuie spus că iodura de crom (III) poate exista și se obține prin reacția de schimb sub formă de hidrat CrJ3 cristalin. 9H2 O, dar stabilitatea sa termică este mică, iar atunci când este încălzit, se descompune în CrJ2 și J2.

3. La temperaturi peste 120 ° C, cromul interacționează cu sulful topit, dând sulfură de crom (II) - CrS (negru).

4. La temperaturi peste 1000 ° C, cromul reacționează cu azotul și carbonul, obținând compuși inerte chimice nestoichiometrice. Printre ele se poate remarca carburul cu o compoziție aproximativă de CrC, care în duritate se apropie de diamant.

5. Cromul nu reacționează cu hidrogenul.

6. Reacția cu vaporii de apă se desfășoară după cum urmează: 2Cr + 3H 2 O \u003d Cr 2 O 3 + 3H 2

7. Reacția cu acizii neoxidanți este destul de ușoară, cu formarea unui complex 2+ aqua de culoare albastru-cer, care este stabilă numai în absența aerului sau într-o atmosferă de hidrogen. În prezența oxigenului, reacția se desfășoară diferit: 4Cr + 12HCl + 3O 2 \u003d 4CrCl 3 + 6H 2 O. Acizii diluați saturați de oxigen chiar pasivează crom, datorită formării unei pelicule de oxid puternic la suprafață.

8. Agenți oxidanți cu acizi: acid azotic de orice concentrație, acidul percloric sulfuric concentrat pasivează cromul astfel încât după tratamentul de suprafață cu acești acizi să nu mai reacționeze cu alți acizi. Pasivarea este îndepărtată atunci când este încălzită. În acest caz, se obțin săruri de crom (III) și sulf sau dioxid de azot (din acid clorhidric - clorură). Pasivitatea datorată formării unei pelicule de sare are loc în timpul interacțiunii cromului cu acidul fosforic.

9. Cromul nu reacționează direct cu alcali, dar reacționează cu topirea alcalină prin adăugarea de agenți de oxidare: 2Cr + 2Na 2 CO 3 (g) + 3O 2 \u003d 2Na 2 CrO 4 + 2CO 2

10. Cromul este capabil să reacționeze cu soluții de sare, deplasând metale mai puțin active (stând în dreapta acestuia în rândul de tensiune) din compoziția sării. În acest caz, cromul în sine se transformă într-un cation Cr2+.

Statul Federal autonom

instituție de învățământ

studii superioare profesionale

"UNIVERSITATEA FEDERALĂ SIBERIANĂ"

Institutul de metale neferoase și știința materialelor

REZUMAT

Formarea incluziunilor gazoase în aliajele de aluminiu

Krasnoyarsk - 2014

introducere

2.2 Interacțiunea cu azotul

2.3 Interacțiunea cu gazele complexe

2.4 Interacțiunea cu hidrogenul

Reacția aluminiului cu hidrogenul

3.1 Uzină de dezasamblare PAL FI 60R

3.2 Instalarea în două etape a SNIF P-140UHB de rafinare a cuptorului secundar

concluzie

introducere

Aluminiul și aliajele sale interacționează cu gazele atmosferei înconjurătoare în principal în timpul topirii și turnării lor. Elementele de aluminiu și aliere din aliați interacționează cu hidrogenul, oxigenul, azotul, carbonul, vaporii de apă, SO 2, CU 2, СО și diverse hidrocarburi, în urma cărora aluminiul și aliajele sale sunt poluate de gaze și produse de reacție. În ciuda posibilității interacțiunii aluminiului cu multe gaze în atmosfera unui cuptor de topire, mixer și în mediu în timpul turnării, numai hidrogenul, nitrurile, carburile și oxizii metalici trec în topitură în cantități suficiente pentru a afecta semnificativ structura și proprietățile produsului.

Interacțiunea metalelor lichide cu materialele utilizate pentru căptușirea cuptoarelor de topire și a burlelor, precum și pentru fabricarea creuzetelor și matrițelor este diversă și complexă. Materialul rezervorului de topire trebuie să reziste în primul rând la eforturi mecanice la temperaturi adecvate. Această interacțiune mecanică este agravată de fenomene fizico-chimice complexe dintre topitură și materialul solid în contact cu aceasta. În același timp, sunt posibile procedee de reducere-oxidare, dizolvare reciprocă, este posibilă și impregnarea căptușelii cu o topire.

degazaj gazos din aliaj de aluminiu

1. Formarea incluziunilor gazoase. Procese fizico-chimice în timpul topirii aluminiului

Dacă metalul lichid pur intră în contact cu mediul gazos pentru o perioadă suficient de lungă și se dezvoltă procese care vizează realizarea echilibrului în sistem, sunt posibile următoarele trei tipuri de modificări ale compoziției și stării topiturii:

Mediul gazos este inert față de metalul lichid și, prin urmare, nu se produce nici dizolvarea gazului în topitură, nici formarea niciunui compus. Absența dizolvării gazelor este evaluată din punct de vedere practic. Aceasta include cazuri cu o solubilitate suficient de scăzută, care nu este semnificativă pentru procesul de topire a metalelor. Absența interacțiunii poate fi observată între orice metal și orice gaz inert din grupa zero a sistemului periodic Mendeleev, precum și în unele sisteme metal-hidrogen (metal - staniu, plumb etc.), metal-azot (metal - cupru, argint, zinc, etc.).

În interacțiunea unui metal lichid cu gazul, se observă o solubilitate semnificativă a gazului în topitură. De asemenea, se referă la solubilitatea practic semnificativă, care afectează în mod semnificativ calitatea aliajului și determină tehnologia de topire. În sistemele în care are loc această interacțiune, în final vor exista o soluție lichidă saturată cu gaz și o fază de gaz. De asemenea, este posibil ca la atingerea conținutului maxim de gaz în topitură, să înceapă formarea unui compus chimic între gaz și metal. Pentru procesul de topire, circumstanța determinantă este tocmai formarea unei soluții de gaz într-un metal lichid. Acest tip de interacțiune este observată în multe sisteme metal-hidrogen.

Interacțiunea metalului lichid cu gazul este exprimată prin formarea de compuși chimici stabili metal - gaz. Solubilitatea gazului într-un metal lichid în aceste cazuri este atât de mică încât se observă în multe sisteme de metal-oxigen (A1-O 2, Mg-O 2   și altele).

Tipul de interacțiune a metalului lichid cu gazul este determinat de natura metalului și a gazului, de temperatura și presiunea gazului peste topitură. Pentru un sistem binar metal-gaz, natura interacțiunii și fazele formate pot fi determinate destul de ușor din diagramele de stare existente.

Procesul de interacțiune a metalului lichid cu gazele constă în mai multe etape. Intrarea moleculelor de gaz pe suprafața unui metal lichid este asigurată prin difuzia moleculară și transferul de masă convectivă în acesta. La o presiune de 10 4   Pa și mai mult, transferul de masă în gaze se realizează în principal prin convecție.

Următorul pas este tranziția moleculelor de gaz la suprafața topiturii. Acest proces se numește adsorbție. La temperaturi ridicate, rolul principal îl joacă adsorbția activă sau chemisorbția, care se exprimă nu numai în depunerea moleculelor de gaz pe suprafața topiturii, ci și în disocierea parțială a acestora în atomi. Acest lucru este demonstrat de valoarea mare a căldurii de chemisorbție, aproape de căldura de disociere a gazelor diatomice.

Atomii de gaz adsorbiți pe suprafața topiturii sunt pregătiți atât pentru formarea moleculelor compusului chimic metal-gaz, cât și pentru difuzia adâncă în topitură. Dacă interacțiunea este apariția insolubilului în. topirea unui compus, un strat din acest compus începe să crească pe suprafața topiturii. Rata de interacțiune este determinată, printre alte circumstanțe, de continuitatea acestui strat, care poate fi estimată prin compararea volumelor compusului rezultat și a metalului consumabil, ținând cont de stoechiometria compusului și de densitățile metalului și compusului.

Dacă volumul compusului rezultat este mult mai mic decât volumul metalului uzat, stratul compusului trebuie să aibă inevitabil lacrimi și fisuri în care gazul pătrunde liber. În aceste cazuri, interacțiunea are loc la o viteză constantă. Dacă volumele indicate sunt apropiate unul de celălalt, gazul ar trebui să difuzeze prin stratul de conectare. Pe măsură ce grosimea stratului crește continuu, rata de interacțiune va scădea. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, în interacțiunea aluminiului lichid cu oxigenul, ceea ce duce la formarea unui film de oxid de aluminiu pe suprafața topiturii.

În timpul procesului exotermic de formare a compusului metal-gaz, se poate produce o creștere locală a temperaturii, ceea ce duce la aprinderea topiturii. Acest lucru este observat, de exemplu, atunci când se supraîncălzește magneziu lichid și aliajele sale în aer peste 700 despre C, precum și cu supraîncălzirea zincului peste 600 despre S.

Dacă topita este capabilă să dizolve gazul, atomii de gaz adsorbiți difuzează adânc în topitură. În topirea metalelor, gazele se pot dizolva numai în stare atomică.

Procesul de dizolvare a gazului în stratul de suprafață este determinat în întregime prin difuzie. În profunzimea topiturii, propagarea atomilor de gaz se realizează în principal prin transfer de masă convectivă.

Adesea, datorită transferului limitat de masă în faza lichidă, un strat compus apare pe suprafața topiturii, deși concentrația maximă de gaz din soluție nu a fost încă atinsă în întreaga masă topită.

Solubilitatea echilibrului [ D] gazul diatomic dintr-un metal este descris în general de dependență

(1)

pr 2   - presiunea gazului deasupra topiturii; A despre   - factor constant; Δ N este căldura de dizolvare a gazului, menționată la 1 mol de gaz dizolvat; R este constanta gazului; T este temperatura, K.

Logaritmul formulei (1) oferă următoarea expresie:

(2)

La o temperatură constantă, dependența (1) devine legea rădăcinii pătrate (legea Sieverts): de la care rezultă cu o claritate că soluțiile de gaze din metale sunt monatomice ( k   este un factor constant).

În multe sisteme de gaze metalice, gazul se dizolvă prin absorbție de căldură. Prin urmare, valoarea ΔН\u003e 0 și, prin urmare, o creștere a temperaturii determină o creștere a solubilității gazului. Există, de asemenea, un număr mare de metale în care dizolvarea gazelor este însoțită de căldură (ΔН)<0). В таких металлах повышение температуры сопровождается снижением растворимости газа в расплаве.

O modificare a solubilității gazelor în metale în funcție de temperatură și presiune corespunde valorilor de echilibru numai cu modificări suficient de lente în condiții externe. Dacă aceste modificări apar rapid, solubilitatea începe să rămână în urmă valorile determinate de formulele de mai sus, datorită faptului că unele dintre etapele procesului general de dizolvare nu asigură transferul cantității necesare de gaz. De obicei, un astfel de gât este o difuzie. Drept urmare, se obțin valori supraestimate sau subestimate ale conținutului de gaz dizolvat în metal.

Fenomenele sunt îndeosebi complicate atunci când temperatura și presiunea gazului de deasupra topirii scad, dacă se reduce solubilitatea gazului. În cele mai multe cazuri, gazul eliberat din soluție nu are timp să treacă prin suprafața liberă a topiturii. Supersaturarea crescândă a topiturii duce la apariția unor bule de gaz în interiorul acesteia. Aparent imposibilă nuclearea omogenă a bulelor de gaz în topitură. Ele pot apărea numai pe nucleele gata, care sunt pori și fisuri în particule insolubile de impuritate din topitură. Astfel de întreruperi sunt umplute cu gaze inerte pentru un metal dat. În aceste cavități terminate, atomii gazelor eliberate din soluție se grăbesc, iar aici bula de gaz începe să crească.

Particularitatea existenței unei bule de gaz în topitură este că presiunea din ea este determinată de pn \u003d pbv + ρgh + 2σ / g, unde pp este presiunea externă deasupra topiturii; ρgh - presiunea metalostatică, în funcție de densitatea topiturii ρ, accelerația gravitației g, distanța de oglinda metalică (adâncimea) h; 2σ / g - presiune capilară, în funcție de energia interfațială la interfața topitură - gaz și raza bule g.

Când temperatura scade cu o viteză mai mare de mai multe grade pe secundă, se observă o evoluție incompletă a gazului din soluția din metal. Gazul poate rămâne aproape complet în soluție în cazul unor rate de răcire și mai mari. Cu alte cuvinte, soluția de gaz este stinsă mai întâi în metalul lichid, apoi în solid. Acest fenomen este utilizat pe scară largă în eșantionarea topiturii pentru a determina conținutul de gaz.

Gazele rămase într-o soluție suprasaturată într-un metal solid nu pot fi considerate inofensive. Pot afecta proprietățile de rezistență, reduc ductilitatea metalului, pot modifica proprietățile de coroziune. Descompunerea treptată a soluției duce la eliberarea de gaz liber, care se acumulează la granițele de cereale, în microcreuri, în apropierea incluziunilor nemetalice, formând pori. Încălzirea accelerează descompunerea soluției și crește riscul de distrugere a metalelor. Astfel de tipuri de defecte precum delaminarea în aliajele neferoase deformabile sunt explicate tocmai prin evoluția gazelor din soluție.

2. Interacțiunea aliajelor de aluminiu cu gazele

2.1 Interacțiunea cu oxigenul

Interacțiunea aluminiului cu oxigenul produce trei compuși: suboxizi de aluminiu Al 2O, AlO și Alumina Al 2oh 3. Suboxizii de aluminiu pot fi obținuți numai artificial la temperaturi ridicate în vid ridicat. Compus Al comun 2oh 3, este un compus chimic foarte puternic, cu elasticitate neglijabilă a disocierii de vapori chiar și la temperaturi foarte ridicate. Alumina are mai multe modificări polimorfe, a căror formare și trecerea de la una la alta depind de temperatură, timp de expunere și compoziția mediului. Ideile existente despre modificările polimorfe ale aluminei libere sunt contradictorii și vin în două direcții: discrete și evolutive.

Susținătorii direcției discrete recunosc existența unui număr mare de modificări polimorfe discrete independente ale oxidului de aluminiu. modificare α   - Al 203   reprezintă cea mai stabilă formă de alumină. În natură, a-A1303 se găsește sub formă de corindon - un mineral cu duritate ridicată. Corundul se cristalizează în rombohedra hexagonală. Distanța dintre atomii de aluminiu este de 0,136 nm. alumină α   - Al 2oh 3   este o modificare la temperatură ridicată, care, în final, odată cu creșterea temperaturii, toate celelalte modificări menționate mai sus trec. La o temperatură de 2050 ° C α   - Al 203   se topește și la o temperatură de 3000 ° C fierbe. Luați în considerare structura și proprietățile oxidului de aluminiu format pe suprafața aluminiului și a aliajelor sale. Se știe că o suprafață de aluminiu proaspăt deschisă chiar și la temperatura camerei este acoperită rapid de o peliculă de oxid, a cărei grosime în primele ore de oxidare atinge 1,7-2,1 nm. Odată cu expunerea suplimentară a aluminiului la aer, o creștere lentă a filmului de oxid are loc peste 70-80 de zile, iar grosimea acestuia la 25 ° C și umiditatea relativă de 45-55% ating 3 nm. Apoi, creșterea filmului se oprește practic. Pelicula naturală de oxid de pe suprafața aluminiului constă în principal dintr-un amestec amorf cu un amestec mic de cristalin γ   - Al 2oh 3. Când aluminiul este încălzit la 450-500 ° C, pelicula de oxid de pe suprafața de aluminiu dobândește o structură cristalină fină, iar atunci când este încălzită la o temperatură de 500 ° C, liniile corespunzătoare structurii cristaline de tip spinel apar pe modelele de difracție de raze X. Odată cu creșterea temperaturii, grosimea peliculei de oxid de pe suprafața aluminiului crește, iar la temperaturi apropiate de punctul de topire, ajunge la 100 nm. Folia naturală de oxid din aluminiu este transparentă, invizibilă, compactă și are proprietăți bune de adeziv.

.2 Interacțiunea cu azotul

Azotul diferă de oxigen prin activitate chimică mai mică și de hidrogen - prin dimensiuni atomice semnificativ mai mari. La temperaturi obișnuite, azotul aproape că nu se dizolvă în metale, deoarece gradul de disociere a moleculelor sale în atomi este foarte mic.

În condiții reale de topire, azotul nu formează soluții și nici nitruri cu cupru, argint, aur, staniu, zinc, cadmiu, plumb, antimoniu și bismut. Nitrogenul nu se dizolvă și în aluminiu, ci la o temperatură de aproximativ 900 despre C formează cu acesta un compus chimic stabil - nitrura de aluminiu (AlN), care poate fi în topitură sub formă de incluziuni solide. La temperaturi mai mici de 750 despre Deoarece azotul pentru aluminiu este considerat un gaz neutru și este adesea folosit ca degazator al topiturilor.

Magneziul formează o nitrură de magneziu (Mg 3N 2), care se descompune la temperatura camerei cu apă pentru a forma amoniac. În acest sens, prezența nitrurii de magneziu în metal reduce rezistența la coroziune a magneziului și a aliajelor sale.

La topirea într-o atmosferă de azot, cupru, argint, aur, zinc, cadmiu, magneziu, aluminiu, staniu, plumb, bismut, antimoniu și aliajele lor, calitatea produselor turnate nu se deteriorează.

Metalele alcaline și alcaline de pământ absoarbe activ azotul, formând mai întâi o soluție saturată, apoi nitruri stabile termic. Prin urmare, atunci când sunt topiți, azotul din atmosferă nu este admis.

Metalele refractare din grupele a patra, a cincea și a șasea din tabelul periodic Mendeleev (titan, zirconiu, hafnium, vanadiu, niobiu, tantal, crom, molibden și tungsten) și aliajele lor dizolvă azotul în cantități mari și formează nitruri. Saturația acestor metale cu azot determină o creștere accentuată a fragilității. Astfel, azotul pentru aceste metale refractare este un gaz nociv și este inacceptabil în atmosfera cuptorului.

Azotul pur este utilizat pe scară largă în degazarea aliajelor de aluminiu, este introdus sub formă de bule mici pe tot volumul topiturii. În practică, topiturile aliajelor cu un conținut mai mare de 1,5% Mg nu sunt tratate cu azot datorită formării nitrurii de magneziu, ceea ce reduce brusc proprietățile tehnologice ale aliajelor.

.3 Interacțiunea cu gazele complexe

În toate cazurile interacțiunii gazelor complexe cu metalele lichide, distrugerea moleculelor de gaz are loc, însoțită de formarea de noi compuși, apariția de elemente libere care alcătuiesc gazul complex, apariția soluțiilor unuia sau ambelor elemente dintr-un metal lichid.

Datorită faptului că compoziția gazelor complexe include carbon și sulf, este necesar să se țină seama de interacțiunea metalelor lichide cu aceste elemente. Acestea sunt de obicei numite gazoformare.

Interacțiunea metalelor lichide cu vaporii de apă. Așa cum se arată în calculele termodinamice, aproape toate metalele la temperaturile respective, când sunt în stare lichidă în timpul topirii, interacționează cu vaporii de apă. Hidrogenul eliberat va intra în atmosferă. Aluminiul lichid va fi de asemenea acoperit cu un strat de oxid insolubil din metal, dar hidrogenul eliberat se va dizolva în topitură. Astfel, topirea acestor metale într-o atmosferă care conține vapori de apă va provoca nu numai contaminarea topiturii cu incluziuni nemetalice de natură de oxid, dar va duce și la saturația sa cu hidrogen dizolvat. Pentru aceste două metale, datorită afinității lor ridicate pentru oxigen, reacția cu vaporii de apă este aproape deplasată spre formarea oxidului metalic și a hidrogenului.

Prin urmare, atunci când sunt topite într-o atmosferă care conține vapori de apă, acestea vor fi poluate atât de oxigen cât și de hidrogen.

.4 Interacțiunea cu hidrogenul

Hidrogenul este singurul gaz care se dizolvă vizibil în aluminiu și aliajele sale. Solubilitatea sa variază proporțional cu temperatura și rădăcina pătrată a presiunii. După cum se arată în figură, solubilitatea hidrogenului în aluminiu lichid este semnificativ mai mare decât în \u200b\u200baluminiu solid: 0,65 și respectiv 0,034 ml / 100 g. Aceste valori variază ușor în funcție de compoziția chimică a aliajelor. Când răcirea și solidificarea aluminiului topit cu un conținut de hidrogen este semnificativ mai mare decât solubilitatea sa în stare solidă, acesta (hidrogen) poate fi eliberat în formă moleculară, ceea ce va duce la formarea porilor primari sau secundari.

<#"center">Porozitatea hidrogenului din aluminiu

Formarea bulelor de hidrogen în aluminiu depinde în mare măsură de rata de răcire și de solidificare, precum și de prezența centrelor de nucleare pentru evoluția hidrogenului, cum ar fi oxizii prinși în topitură. Prin urmare, formarea de porozitate necesită un exces semnificativ din conținutul de hidrogen dizolvat în comparație cu solubilitatea hidrogenului în aluminiu solid. În absența centrelor de nucleare, evoluția hidrogenului necesită o concentrație relativ ridicată de hidrogen - aproximativ 0,30 ml / 100 g. În multe aliaje industriale, porozitatea nu este detectată chiar și cu un conținut destul de ridicat de hidrogen ca 0,15 ml / 100 g.

Hidrogen în turnările din aluminiu

Locația hidrogenului în aluminiu întărit depinde de nivelul său de aluminiu lichid și de condițiile în care s-a produs întărirea. Întrucât prezența porozității hidrogenului este rezultatul mecanismelor de nucleare și creștere care sunt controlate prin difuzie, o scădere a concentrației de hidrogen și o creștere a vitezei de solidificare au un efect copleșitor asupra nucleării și creșterii porilor. Din acest motiv, turnările realizate în metoda demontabilă de turnare a răcitorului sunt mai predispuse la defectele asociate hidrogenului decât la turnările realizate, de exemplu, prin metode de turnare prin injecție.

Surse de hidrogen în aluminiu

Hidrogenul intră în aluminiu din multe surse, inclusiv atmosfera cuptorului, materiale de încărcare, fluxuri, unelte de topire și reacții între aluminiul topit și matrița.

Atmosfera cuptorului. Dacă topitorul rulează cu gaz natural sau, să zicem, combustibil, atunci este posibilă o combustie incompletă a combustibilului cu formarea de hidrogen liber.

Materiale de încărcare. Lingourile, resturile și resturile de turnătorie pot conține oxizi, produse de coroziune, nisip și alte contururi de turnătorie, precum și lubrifianți folosiți la prelucrare. Toți acești poluanți sunt surse potențiale de hidrogen, care se formează în timpul restaurării substanțelor organice sau descompunerii chimice a vaporilor de apă.

Agenți de curgere. Majoritatea fluxurilor sunt săruri și, la fel ca toate sărurile, sunt higroscopice, adică gata să „absoarbă” apa cu plăcere. Prin urmare, fluxul umed introduce inevitabil hidrogenul în topitură, care este format prin descompunerea chimică a apei.

Instrumente de topire. Uneltele de topire precum vârfurile, răzuitoarele și lopatele pot fi, de asemenea, o sursă de hidrogen, dacă nu sunt păstrate curate. Oxizii și reziduurile de flux de pe astfel de instrumente sunt în special surse complicate de contaminare, deoarece absorb umezeala direct din aerul din jur. Refractarele cuptorului, jgheaburile și canalele de distribuție, mortarele de var și de ciment, mănușele de prelevare sunt surse potențiale de hidrogen, mai ales dacă nu sunt suficient de uscate.

Interacțiunea dintre aluminiu lichid și matriță. Dacă în timpul umplerii matriței, metalul lichid curge excesiv de turbulent, atunci poate capta aer în volumul său intern. Dacă aerul nu poate sau nu are timp să iasă înainte de începerea solidificării, atunci hidrogenul va intra în metal. De asemenea, alimentatoarele de mucegai realizate incorect pot provoca capcarea aerului. O altă sursă de hidrogen sunt formele de nisip excesiv de umede.

Reacția aluminiului cu hidrogenul

Se crede că aluminiul, la fel ca majoritatea metalelor, nu reacționează direct cu hidrogenul. De obicei, metalele formează compuși prin pierderea electronilor, care sunt acceptate de alte elemente. Hidrogenul formează de asemenea compuși, pierzând electroni (sau împărțind electroni). Prin urmare, de obicei, atomii de hidrogen nu acceptă electroni care dau metale pentru a forma compuși. Doar unele metale foarte reactive precum sodiu, potasiu, calciu și magneziu pot „forța” atomii de hidrogen să-și accepte electronii pentru a forma compuși ionici solizi numiți hidruri ale acestor metale.

Sinteza directă a hidrurii de aluminiu din hidrogen și aluminiu necesită o presiune nebună de aproximativ 2.000.000.000 atmosfere și o temperatură peste 800 K. Între timp, există un astfel de compus precum hidrura de aluminiu. Hidrura de aluminiu este un compus instabil care se descompune ușor la temperaturi peste 100 ° C. Nu este obținut direct, ci ca urmare a reacțiilor altor compuși.

1.Determinarea porozității gazelor prin exemplul aliajelor turnate din aluminiu

· Atunci când se determină porozitatea din aliajele turnate din aluminiu, este exclusă friabilitatea contracției sau porozitatea centrală.

· Pentru a determina porozitatea gazelor, șabloanele tăiate din lingouri, piese turnate sau eșantioane tăiate din fontă sunt prelucrate până la o rugozitate Ra de cel mult 1,6 μm.

· Pentru a determina porozitatea gazului, secțiunea macro este gravată fără a dezvălui macrostructura, apoi este spălată cu apă curentă și uscată cu hârtie de filtru.

· Pentru a determina porozitatea gazelor, este necesară utilizarea scării prezentate în figură. Gradul de porozitate al secțiunilor macro în puncte este stabilit prin compararea lor cu standardele scării.

· Porozitatea gazelor a șabloanelor de lingouri este determinată pe trei pătrate cu o suprafață de 1 cm 2   fiecare. Numărul de pori și dimensiunea porilor este determinat ca media aritmetică a trei măsurători.

· Dacă există abateri în cantitatea medie, dimensiunea sau procentul porilor față de latura creșterii, indicii de porozitate sunt referiți la un scor de porozitate mai mare.

· Pe turnările mici, porozitatea gazelor poate fi determinată pe un număr mai mic de pătrate.

· Scorul de porozitate, determinat de trei pătrate pe două secțiuni macro ale șabloanelor de lingouri, este distribuit pe întreaga căldură.

· Controlul porozității se realizează vizual cu ochiul liber. Pentru a determina diametrul porilor, puteți utiliza dispozitive optice cu o creștere de până la 10 ori.

· O secțiune este formată din cinci standarde:

o punctul 1 - porozitate fină;

o punctul 2 - porozitate redusă;

o punctul 3 - porozitate medie;

o punctul 4 - porozitate crescută;

o punctul 5 - porozitate ridicată.

· Standardele pentru gradul de porozitate pot fi utilizate indiferent de gradul de aliaj.

Figura 2 - Scara porozității aliajelor de aluminiu

Figura 3 - Dispunerea pătratelor pe o secțiune macro

3. Degazarea aliajelor de aluminiu

La instalațiile metalurgice se folosesc cinci scheme pentru prelucrarea unui jet de metal topit cu gaze:

în jgheab (sau rezervor încălzit) cu introducerea gazului prin diafragme poroase montate în fund;

într-un recipient încălzit în combinație cu filtrarea printr-un filtru ceramic în vrac sau cu spumă;

într-un recipient cu introducerea gazului folosind un rotor care se rotește cu o viteză de 400-600 rpm;

în jgheab la turnarea lingourilor;

flux în combinație cu gaz.

În fiecare dintre aceste procese, metalul topit este rafinat prin preaplin. Aceasta, pe de o parte, mărește productivitatea unității de topire și turnare, deoarece elimină din ciclul de producție timpul necesar pentru rafinarea topiturii din cuptor sau mixer, iar pe de altă parte, asigură cea mai bună prelucrare a topiturii cu un reactiv de rafinare.

Aceste metode de prelucrare a topiturilor au devenit răspândite în practica de preparare a aliajelor de aluminiu turnate și forjate. Conținutul de hidrogen din topitură după purjare este determinat de o serie de factori și depinde în principal de volumul gazului purjat. Odată cu creșterea volumului, gradul de degazare este de obicei. crește. O excepție este cazul când, împreună cu curățarea topiturii, se dezvoltă un proces de poluare secundară ca urmare a interacțiunii cu oxigenul și umiditatea atmosferică în timpul forajului intens al metalului lichid.

La NKaZ se folosesc următoarele scheme de prelucrare a unui jet de metal topit prin gaze:

flux în combinație cu gaz (instalație de degazare PAL FI 60R);

într-un rezervor cu introducerea de gaz folosind un rotor care se rotește cu o viteză de 400-600 rpm (Instalarea în două etape a cuptorului secundar de rafinare SNIF P-140UHB).

.1 Uzină de dezasamblare PAL FI 60R

Unitatea de degazare PAL FI 60R este proiectată pentru a curăța topirea hidrogenului într-un mixer. Prelucrarea topiturii se realizează prin suflarea topiturii într-un amestecător cu argon, cu posibilitatea injectării fluxului. Caracteristicile tehnice ale instalației sunt prezentate în tabelul 9.

Tabelul 1 - Caracteristicile tehnice ale instalației PAL FI 60R

Parametri Valoare Tensiune electrică, B220 Consum de flux, kg / min 1 până la 46 Consum de gaz, l / min 180 până la 250 Volum buncăr de flux, l / kg 38/45 Greutate instalare, kg 400

INSTALARE "PAL FI60R" - un sistem automat de injecție rotativă a fluxului, asigură o injecție continuă de flux sub nivelul metalului pentru lipirea eficientă a oxizilor. Tratamentul prin flux în combinație cu capacitatea de a elimina hidrogenul prin degazarea gazelor inerte poate îmbunătăți calitatea aliajelor de aluminiu, reducând în același timp costurile de producție.

Figura 4 - Instalație de dezasamblare PAL FI 60R

Sistemul PAL FI 60R mărește efectul injecției de flux prin introducerea unui flux de flux constant sub linia de suprafață a topiturii. Introducerea fluxului ajută la îmbunătățirea calității aliajelor de aluminiu, reducând în același timp și costurile de exploatare. Injectoarele de flux pot fi utilizate fie în cuptoare mari de transfer de aluminiu, împreună cu o lungă

un tub de injecție cu flux, sau într-un mic cuptor cu creuzet, în combinație cu un tub de grafit. Unitatea PAL FI60R poate fi utilizată și în combinație cu una dintre cele mai populare unități de degazare Pirotka cu o duză rotativă.

Caracteristici și beneficii:

Un rezervor de 10 litri (38 L) conține până la ~ 45 kg de flux.

Proiectarea avansată a sigiliului ajută la menținerea materialului de flux uscat.

Designul nou și îmbunătățit al alimentării cu flux rotativ permite injectarea atât a fluxurilor de pulbere cât și a granulelor.

Injectorul de flux este montat pe un cadru solid pe patru roți, care facilitează transportul ușor între diferitele cuptoare ale instalației.

Îmbunătățește calitatea metalului topit prin eliminarea incluziunilor și a hidrogenului.

Reduce cantitatea de formare a zgurii

Reduce aspectul depozitelor de oxid pe pereții cuptorului.

Aplicație:

Cuptoare pentru lot

Distribuitoare cu găleată

Cuptoare de distribuție

Cuptoare de topire

.2 Instalație de rafinare secundară în două etape SNIF P-140UHB

Unitatea de rafinare a cuptorului secundar SNIF P-140UHB în două etape este proiectată pentru curățarea elementelor metalice dizolvate și a pământului alcalin din metalul topit

Tabelul 2 - Specificații pentru instalarea în două etape a SNIF P-140UHB de rafinare a cuptorului secundar

Valoare indicator Valoare Capacitate cameră, t 1,76 Putere nominală, kW 45 Tensiune electrică, V 380 Număr de încălzitoare, buc. 6 Temperatura maximă a unității, ° C 800 Temperatura maximă a metalului lichid, ° C 760 Productivitatea unității, t / h 63,5 Număr de rotori, buc 2 Consumul de gaz pe rotor (argon), m 3/ ora3.6-4.2 Viteza rotorului: ralanti, rpm; modul de operare, rpm150 455-480

Sistemul SNIF® SHEER P-60U cu două rotoare asigură o capacitate nominală de rafinare continuă de 63.500 kg pe oră. Sistemul constă dintr-un cuptor de rafinare, două rotoare SNIF rotative, controale automate de procesare PLC și control al încălzirii cuptorului. Pentru o eficiență optimă, cuptorul este împărțit în două camere de rafinare separate, fiecare fiind echipată cu un rotor rotativ montat pe capacul cuptorului. Fiecare cameră este proiectată astfel încât să asigure saturația completă a topiturii cu bule ale gazului de lucru și să obțină gradul maxim de rafinare folosind ambele duze rotative. Un sistem integrat de defecțiuni reglează fluxul de metal, asigurând rafinarea eficientă a aluminiului topit pe măsură ce trece prin cuptorul de rafinare. Cea mai importantă caracteristică de proiectare este capacitatea de a înlocui rapid și ușor căptușeala refractară pre-coaptă a cartușului cuptorului. Când este necesar un înlocuitor refractar al cuptorului, cartușul vechi este pur și simplu îndepărtat și înlocuit cu unul nou. Refractarul poate fi înlocuit într-una sau două zile, eventual fără a scoate carcasa de oțel de pe linia de turnare. Sistemul poate fi readus la service după 30 de ore de la preîncălzire.

Figura 5 - Instalarea în două etape a cuptorului secundar de rafinare SNIF P-140UHB

Căptușeala cartușului constă dintr-un refractar și o izolare densă multistrat Toate refractarele nu sunt umede și termorezistente. Cartușul este încapsulat în folie pentru a preveni absorbția umidității în timpul depozitării și pentru a minimiza contactul cu izolația în timpul instalării. Încuietorile de aer brevetat (încuietori) ale orificiilor de intrare și de ieșire asigură mișcarea liberă a aluminiului topit prin cameră și împiedică infiltrarea aerului, ceea ce duce la formarea excesivă a zgurii. Porturile de intrare / ieșire profunde ale cuptoarelor sunt proiectate pentru aplicații care necesită un nivel ridicat de metal pentru a iniția sisteme de filtrare ulterioare. Cuptorul poate fi instalat de-a lungul liniei de mișcare a metalului, într-o configurație în formă de U, cu o schimbare a direcției de mișcare a metalului spre opus și într-o configurație în formă de L, cu o schimbare a direcției de mișcare a metalului cu 90 °. Cuptoarele au un mecanism de ridicare a capacului hidraulic de sine stătător care ridică partea de sus a cuptorului pentru a oferi acces la întreaga suprafață a căzii pentru curățare și întreținere. În poziție închisă, capacul cuptorului asigură o etanșare perimetrală excelentă, ceea ce împiedică infiltrarea aerului și formarea zgurii. P-60U este disponibil cu două sisteme de încălzire diferite. Unitatea este echipată cu elemente de încălzire amovibile instalate într-un bloc de grafit. avantaje:

eliminarea îmbunătățită a hidrogenului;

eliminarea microoxidului;

randament ridicat de metale;

durată de viață lungă a rotorului;

performanță înaltă;

dezavantaj:

durată limitată de viață a rotorului (nu mai mult de 4 luni);

costuri de gaz;

cererea ridicată de metal pentru spălare la schimbarea aliajului

concluzie

În interacțiunea aliajului cu gazele (H, O 2, N) sunt posibile următoarele defecte: porozitate de gaz, învelișuri de gaz, incluziuni nemetalice.

Interacțiunea cu gazul poate avea loc prin reacții endotermice și exoterme. Interacțiunea hidrogenului cu aliajul are loc prin reacții exotermice și endoterme. În acest caz, hidrogenul interacționează printr-o reacție endotermică. Acest lucru duce la formarea unei soluții de hidrogen în aliaj, iar ulterior în timpul cristalizării, este posibilă formarea de porozitate de gaz sau de cochilii de gaz.

Cu oxigenul, toate metalele interacționează printr-o reacție exotermă și se formează oxizi. Oxizii formează defecte la turnare sub formă de pelicule de oxid și particule de oxid.

Defectele enumerate formate în turnare reduc brusc proprietățile operaționale ale piesei (proprietăți mecanice, etanșeitate).

Aceste defecte de turnare pot fi evitate prin: topirea metalului în vid, topirea sub un strat de flux protector sau topirea într-un mediu neutru.

Sursa de saturație de hidrogen din aliaje este umiditatea, care poate fi:

în văzduh

pe suprafața unei topitori sau topitori prost uscate

pe suprafața amestecului

Pentru a preveni saturația de hidrogen a aliajului, se utilizează următoarele măsuri. Deoarece cantitatea principală de hidrogen în timpul procesului de topire, aliajul primește din umiditatea conținută în încărcare, instrumentul de topire și atmosfera cuptorului. Este necesar să se usuce materialul de încărcare, de asemenea, este necesar să se usuce instrumentul de topire, cuptorul și creuzetul. Pentru ca topirea să nu interacționeze cu atmosfera cuptorului în timpul procesului de topire, topirea trebuie efectuată sub acoperirea unui flux protector.

Tratamentul topiturii prin purjarea gazelor cu ajutorul unui rotor cu rotire rapidă este cea mai bună perspectivă în ceea ce privește dispersarea fazei de rafinare și îmbunătățirea capacității de a elimina hidrogenul și incluziunile nemetalice din topita de aluminiu. Acestea se străduiesc să obțină cât mai multe bule mici și distribuția lor omogenă în topitură, cu convecție simultană ridicată în întreaga baie, ceea ce este obținut folosind diferite modele de rotor.

În comparație cu suflarea topirii cu gaz prin tuburi și diafragme poroase, utilizarea rotorilor are următoarele avantaje:

divizarea gazelor în bule foarte mici;

distribuție uniformă a gazului în topitură;

amestecând întreaga topire.

Lista surselor utilizate

1. Kurdyumov, A.V. Producția de piese turnate din aliaje metalice neferoase / A.V. Kurdyumov [și colab.]. - M.: MISiS, 1996.

Levy, L.I. Fundamentele teoriei proceselor metalurgice și a tehnologiei de topire a aliajelor de turnare / L.I. Levi. - M.: Inginerie mecanică, 1970.

Nepomnyashchy, V.N. Fundamente ale producției de aliaje metalice neferoase / V.N. Nu-mi amintesc. - Krasnoyarsk: GACMiZ, 2002.

Turnarea culorilor: Manual / N. M Galdin. - M.: Inginerie mecanică, 1989.

Aliajele de aluminiu. Topirea și turnarea aliajelor de aluminiu: Carte de referință / V.I. Dobatkin. - M.: Metalurgie, 1983.

Napalkov, V.I. Turnarea continuă a aliajelor de aluminiu / V.I. Napalkov și colab. - M .: Intermet, 2005.

Hosen, Ri. Proprietățile aliajelor de aluminiu în stări lichide și solide / Ri Hosen. - Vladivostok: Da, 2002.

Topirea și turnarea aliajelor de aluminiu: Carte de referință / M.B. Altman [și colab.]. - M.: Metalurgie, 1983.

Hidrogenul, spre deosebire de alte gaze, are capacitatea de a se dizolva în aluminiu și, în anumite condiții, formează pori în metalul sudat. În condiții reale de sudare, presiunea parțială a hidrogenului molecular în faza gazoasă a arcului este neglijabilă. Prin urmare, principala sursă de dizolvare a hidrogenului în bazinul de sudură este reacția interacțiunii directe a umidității cu metalul

ca urmare a acestei reacții, concentrația de hidrogen atomic în suprafața stratului atmosferic în contact cu metalul atinge valori mari și poate corespunde valorilor uriașe de presiune ale hidrogenului molecular în echilibru cu metalul. În acest sens, în interacțiunea directă a umidității și a vaporilor de apă cu un metal, concentrația de hidrogen dizolvat în ea poate atinge valori mari. Hidrogenul dizolvat într-un metal lichid, datorită scăderii solubilității, tinde să fie eliberat din acesta la răcire. Bulele de hidrogen eliberate, neavând timp să iasă din baie, rămân în metalul sudat, formând pori. Pentru ca balonul să apară și să existe într-un metal lichid, este necesar ca presiunea hidrogenului conținut în ea să fie mai mare sau egală cu presiunea externă exercitată asupra bulei. Dacă neglijăm influența presiunii metalostatice datorată adâncimii mici a bazinului de sudură și considerăm procesul de sudare la o presiune externă normală de 100 kPa, atunci pentru existența unei bule în metalul topit al bazinului de sudură trebuie îndeplinite următoarele condiții:

unde se află presiunea hidrogenului molecular în bulă; este tensiunea de suprafață la interfața gaz - metal, r este raza bulei. În aliajul de aluminiu industrial 1420, particulele de oxid sunt întotdeauna prezente pentru a forma suspensii insolubile, care nu sunt umezite. Prin urmare, formarea de bule de hidrogen a evoluat în condiții de sudare din aluminiu la presiune externă normală () devine posibilă atunci când

Fig. Nr. 4 Schimbarea solubilității hidrogenului în aluminiu în funcție de temperatură.

În procesul de cristalizare a unui metal, este probabil o redistribuire a hidrogenului între metalul cristalizat și lichid. O astfel de redistribuire ar trebui să contribuie la creșterea treptată a concentrației de hidrogen în partea necristalizată a băii și la apariția unor bule la un moment în care aceasta devine mai mare. Prin urmare, concentrația inițială de hidrogen dizolvat în metal, la care apar bule, poate varia semnificativ în funcție de condițiile de cristalizare și de masa metalului cristalizat. Experiența acumulată în prezent arată că, în condiții de sudare din aluminiu, datorită vitezei mari de mișcare a frontului dendritei, redistribuirea hidrogenului între metalul solid și lichid în timpul cristalizării poate fi neglijată și se poate presupune că concentrația de hidrogen din baie în timpul cristalizării sale nu se modifică. Valoarea scade la răcire și atinge valoarea sa minimă în metal lichid la o temperatură de 660 ° C (0,69 cm ^ 3/100 g de metal). Nuclearea bulelor în timpul sudării cu aluminiu are loc în timpul răcirii metalului în părțile cele mai reci ale băii, în care valoarea este mai mare. Datorită ritmului ridicat de creștere a dendritelor, plutirea bulelor din baie este dificilă, iar influența condițiilor de cristalizare, care variază doar ușor odată cu schimbarea condițiilor de sudare, afectează gradul de porozitate al sudurilor în timpul sudării din aluminiu relativ interacțiune slabă a aluminiului și a aliajelor sale cu hidrogenul

Hidrogenul este singurul gaz care se dizolvă vizibil în aluminiu și aliajele sale. Solubilitatea sa variază proporțional cu temperatura și rădăcina pătrată a presiunii. După cum se arată în figură, solubilitatea hidrogenului în aluminiu lichid este semnificativ mai mare decât în \u200b\u200baluminiu solid: 0,65 și respectiv 0,034 ml / 100 g. Aceste valori variază ușor în funcție de compoziția chimică a aliajelor. Când răcirea și solidificarea aluminiului topit cu un conținut de hidrogen este semnificativ mai mare decât solubilitatea sa în stare solidă, acesta (hidrogen) poate fi eliberat în formă moleculară, ceea ce va duce la formarea porilor primari sau secundari.

Porozitatea hidrogenului din aluminiu

Formarea bulelor de hidrogen în aluminiu depinde în mare măsură de rata de răcire și de solidificare, precum și de prezența centrelor de nucleare pentru evoluția hidrogenului, cum ar fi oxizii prinși în topitură. Prin urmare, formarea de porozitate necesită un exces semnificativ din conținutul de hidrogen dizolvat în comparație cu solubilitatea hidrogenului în aluminiu solid. În absența centrelor de nucleare, pentru evoluția hidrogenului este necesară o concentrație relativ ridicată de hidrogen - aproximativ 0,30 ml / 100 g. Multe aliaje industriale nu prezintă porozitate chiar și cu un conținut de hidrogen destul de ridicat ca 0,15 ml / 100 g.

Hidrogen în turnările din aluminiu

Locația hidrogenului în aluminiu întărit depinde de nivelul său de aluminiu lichid și de condițiile în care s-a produs întărirea. Întrucât prezența porozității hidrogenului este rezultatul mecanismelor de nucleare și creștere care sunt controlate prin difuzie, o scădere a concentrației de hidrogen și o creștere a vitezei de solidificare au un efect copleșitor asupra nucleării și creșterii porilor. Din acest motiv, turnările făcute în interior sunt mai susceptibile la defectele asociate cu hidrogenul decât turnările care se fac, de exemplu.

Surse de hidrogen în aluminiu

Hidrogenul intră în aluminiu din multe surse, inclusiv atmosfera cuptorului, materiale de încărcare, fluxuri, unelte de topire și reacții între aluminiul topit și matrița.

Atmosfera cuptorului. Dacă topitorul rulează cu gaz natural sau, să zicem, combustibil, atunci este posibilă o combustie incompletă a combustibilului cu formarea de hidrogen liber.

Materiale de încărcare. Lingourile, resturile și resturile de turnătorie pot conține oxizi, produse de coroziune, nisip și alte contururi de turnătorie, precum și lubrifianți folosiți la prelucrare. Toți acești poluanți sunt surse potențiale de hidrogen, care se formează în timpul restaurării substanțelor organice sau descompunerii chimice a vaporilor de apă.

Agenți de curgere.   Majoritatea fluxurilor sunt sărurile și modul în care toate sărurile sunt higroscopice, adică gata să „absoarbă” apa cu plăcere. Prin urmare, fluxul umed introduce inevitabil hidrogenul în topitură, care este format prin descompunerea chimică a apei.

Instrumente de topire.   Uneltele de topire precum vârfurile, răzuitoarele și lopatele pot fi, de asemenea, o sursă de hidrogen, dacă nu sunt păstrate curate. Oxizii și reziduurile de flux de pe astfel de unelte sunt în special surse complicate de contaminare, deoarece absorb umezeala direct din aerul din jur. Refractarele cuptorului, jgheaburile și canalele de distribuție, mortarele de var și de ciment, mănușele de prelevare sunt surse potențiale de hidrogen, mai ales dacă nu sunt suficient de uscate.

Interacțiunea dintre aluminiu lichid și matriță. Dacă în timpul umplerii matriței, metalul lichid curge excesiv de turbulent, atunci poate capta aer în volumul său intern. Dacă aerul nu poate sau nu are timp să iasă înainte de începerea solidificării, atunci hidrogenul va intra în metal. De asemenea, alimentatoarele de mucegai realizate incorect pot provoca capcarea aerului. O altă sursă de hidrogen sunt formele de nisip excesiv de umede.

Reacția aluminiului cu hidrogenul

Se crede că aluminiul, la fel ca majoritatea metalelor, nu reacționează direct cu hidrogenul. De obicei, metalele formează compuși prin pierderea electronilor, care sunt acceptate de alte elemente. Hidrogenul formează de asemenea compuși, pierzând electroni (sau împărțind electroni). Prin urmare, de obicei, atomii de hidrogen nu acceptă electroni care dau metale pentru a forma compuși. Doar unele metale foarte reactive, precum sodiu, potasiu, calciu și magneziu pot „forța” atomii de hidrogen să accepte electronii lor pentru a forma compuși ionici solizi numiți hidruri ale acestor metale.

Sinteza directă a hidrurii de aluminiu din hidrogen și aluminiu necesită o presiune nebună de aproximativ 2.000.000.000 atmosfere și o temperatură peste 800 K. Între timp, există un astfel de compus precum hidrura de aluminiu. Hidrura de aluminiu este un compus instabil care se descompune ușor la temperaturi peste 100 ° C. Nu este obținut direct, ci ca urmare a reacțiilor altor compuși.