В авиа- и машиностроении, при изготовлении строительных конструкций, используют значительно более твердые сплавы алюминия. Один из самых известных – сплав алюминия с медью и магнием (дуралюмин, или просто «дюраль»; название происходит от немецкого города Дюрена). Этот сплав после закалки приобретает особую твёрдость и становится примерно в 7 раз прочнее чистого алюминия. В то же время он почти втрое легче железа. Его получают, сплавляя алюминий с небольшими добавками меди, магния, марганца, кремния и железа. Широко распространены силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием. Производятся также высокопрочные, криогенные (устойчивые к морозам) и жаропрочные сплавы. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Легкость и прочность алюминиевых сплавов особенно пригодились в авиационной технике. Например, из сплава алюминия, магния и кремния делают винты вертолетов. Сравнительно дешевая алюминиевая бронза (до 11% Al) обладает высокими механическими свойствами, она устойчива в морской воде и даже в разбавленной соляной кислоте. Из алюминиевой бронзы в СССР с 1926 по 1957 чеканились монеты достоинством 1, 2, 3 и 5 копеек.
В настоящее время четвертая часть всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% – в электротехнике.
Алюминий содержат также многие горючие и взрывчатые смеси. Алюмотол, литая смесь тринитротолуола с порошком алюминия, – одно из самых мощных промышленных взрывчатых веществ. Аммонал – взрывчатое вещество, состоящее из аммиачной селитры, тринитротолуола и порошка алюминия. Зажигательные составы содержат алюминий и окислитель – нитрат, перхлорат. Пиротехнические составы «Звездочки» также содержат порошкообразный алюминий.
Смесь порошка алюминия с оксидами металлов (термит) применяют для получения некоторых металлов и сплавов, для сварки рельсов, в зажигательных боеприпасах.
Алюминий нашел также практическое применение в качестве ракетного топлива. Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сгорании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Идею использования алюминия в качестве горючего еще в 1924 предложил отечественный ученый и изобретатель Ф.А.Цандер. По его замыслу можно использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время твердых ракетных топлив содержат металлический алюминий в виде тонкоизмельченного порошка. Добавление 15% алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя – главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия.
Широкое применение находят и соединения алюминия. Оксид алюминия – огнеупорный и абразивный (наждак) материал, сырье для получения керамики. Из него также делают лазерные материалы, подшипники для часов, ювелирные камни (искусственные рубины). Прокаленный оксид алюминия – адсорбент для очистки газов и жидкостей и катализатор ряда органических реакций. Безводный хлорид алюминия – катализатор в органическом синтезе (реакция Фриделя – Крафтса), исходное вещество для получения алюминия высокой чистоты. Сульфат алюминия применяют для очистки воды; реагируя с содержащимся в ней гидрокарбонатом кальция:
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2AlO(OH) + 3CaSO4 + 6CO2 + 2H2O
Кроме того, сульфат алюминия применяют как протраву при крашении тканей, для дубления кожи, консервирования древесины, проклеивания бумаги. Алюминат кальция – компонент вяжущих материалов, в том числе портландцемента. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) YAlO3 – лазерный материал. Нитрид алюминия – огнеупорный материал для электропечей. Синтетические цеолиты (они относятся к алюмосиликатам) – адсорбенты в хроматографии и катализаторы. Алюминийорганические соединения (например, триэтилалюминий) – компоненты катализаторов Циглера – Натты, которые используются для синтеза полимеров, в т.ч. синтетического каучука высокого качества.
Основные минералы элемента (Al)
Алюминий входит в состав большего числа минералов, но промышленное значение для извлечения металлического алюминия и получения алюмокремниевых сплавов имеют несколько из них со следующим содержанием AL2O3 (%):
Наиболее важной рудой с технико-экономической точки зрения, из которой получают подавляющее количество алюминия, является боксит, представляющий собой тонкодисперсную породу, состоящую из гидратов окиси алюминия – диаспора, бёмита и гидраргиллита и подчиненного количества окислов и гидроокислов железа и марганца кварца, опала, окислов титана, лептохлоритов, каолинита, карбонатов кальция и магния и других примесей. По преобладанию тех или иных гидроокислов алюминия бокситы подразделяются на тригидратные (гидраргиллитовые), моногидратные (диаспоровые, бёмитовые и диаспор-бёмитовые) и смешанные. Бокситы в элювиальном залегании называют глиноземными латеритами или латеритными бокситами.
Качество бокситов определяется составом и содержанием гидроокислов алюминия, так и присутствием вредных примесей, главной из которых является кремнезем. К собственно бокситам относят глиноземные породы, содержащие не менее 28% Al2O3, при отношении кремнезема к глинозему в них (Al2O3 / SiO2) (кремневый модуль), большем 2,6.
Бокситы обычно встречаются совместно с другими глиноземистыми породами, близкими по внешнему виду, составу и происхождению. К ним относятся аллиты – бокситоподобные породы с кремневым модулем, меньшим 2,6 и сиаллиты – породы каолинитового состава, не содержащие свободного глинозема, с кремневым модулем, близким 1.
За рубежом алюминий получают только из бокситов. В России для этой цели используют также нефелин, алунит, каолинит и дистен. Требования к этим рудам весьма разнообразны и определяются особенностями технологической схемы, принятой на каждом перерабатывающем предприятии. В общем они сводятся к ограничению содержания вредных примесей, к числу которых относятся окислы железа и кремния, и определению минимальных уровней количества глинозема в руде.
Типы геолого-промышленных месторождений и их группировка
Бокситы являются главным промышленным видом минерального сырья, алюминия, представляя по условиям образования экзогенный тип руде но в последнее время в качестве источника алюминия все большее значение начинают приобретать нефелиновые, алунитовые и другие породы, образующиеся в эндогенных условиях.
Различными авторами были предложены разные классификации бокситовых месторождений как для территории всей России, так и для отдельных районов.
В последние годы на основании нового фактического материала с учетом особенностей геологического строения бокситовых месторождений зарубежных стран были предложены новые классификации.
При выделении различных групп, подгрупп и типов бокситовых месторождений, учитывают:
По условиям формирования месторождения бокситов нами разделяются на три группы:
Каждая группа в зависимости от приуроченности бокситовых месторождений к основным структурам земной коры делится также на подгруппы. Среди осадочных месторождений выделяют три подгруппы: