окислення алюмінію
Алюміній і його оксид
Алюміній має негативний окислювально-відновний потенціал (-1,66 В), а магній, його важливий легуючий елемент, має навіть більш низький потенціал (-2,38 В). Тому, як і більшість інших металів, алюміній зустрічається в природі тільки як дуже стабільний оксид. Хімічно це означає найбільш стабільний стан на найнижчому енергетичному рівні. При електролізі метал змушують відокремитися від кисню шляхом підйому його енергетичного потенціалу. При контакті з киснем алюміній прагне повернутися до більш низького енергетичного рівня у вигляді оксиду алюмінію. Через його високого спорідненості до кисню ця реакція відбувається миттєво.
Реакція окислення алюмінію
Реакція окислення алюмінію слід реакції
Позитивна зміна ентальпії ΔH цієї реакції вказує на те, що окислення алюмінію є екзотермічним процесом, тобто йде з виділенням енергії. Це логічно, тому що алюміній при цьому переходить в стан з більш низьким енергетичним рівнем.
Товщина оксидної плівки на твердому алюмінії
Товщина природною оксидної плівки досить тонка - від 1 до 3 нм в залежності від сплаву і температурі освіти оксиду (до 300 ° С). На малюнку 1 показано поступове збільшення товщини оксидної плівки на чистому алюмінії при її утворенні при температурі від кімнатної до 400-500 ° С. Потім відбувається розрив в швидкості окислення і різке збільшення товщини оксидної плівки до 20 нм. Причиною цього вважається перехід від аморфної структури оксиду алюмінію до його кристалічній структурі. Саме тому при сушінні подрібненого алюмінієвого брухту і випалюванні з нього органічних покриттів його не нагрівається вище 400 °, щоб уникнути надмірного окислення.
У твердому стані алюмінію оксид алюмінію грає позитивну роль, так як оксидна плівка має форму γ-Al2 O3 і товщину кілька нанометрів. Вона надійно ізолює поверхню алюмінію і зупиняє подальше окислення. При постійній температурі товщина оксидної плівки зростає спочатку дуже швидко, але потім швидкість зростання сповільнюється і зводиться практично до нуля.
Окислення алюмінієвої стружки
З особливістю зростання оксидної плівки, яка показана на малюнку 1, пов'язаний цікавий феномен. Він відбувається при зберіганні алюмінієвих відходів у вигляді стружки. Цей вид алюмінієвого брухту виникає при механічній обробці алюмінію і надходить на переплав в основному у вигляді токарної і свердлильної стружки. Ця стружка має після механічної обробки свіжу, чисту поверхню, яка відразу ж починає окислюватися. Так як стружка перед переплавом зберігається в пресованих пакетах, то, здавалося б, окислюватися повинен тільки зовнішній їх шар, а внутрішні шари пакету зберігатися без окислення. Однак за зміною ваги пакета було встановлено, що окислення його в цілому триває протягом тривалого часу. Причина цього в тому, що в пакеті є щілини і порожнини, через які повітря повільно, але впевнено проникає у внутрішні його шари. Більшість окремих стружок дуже тонкі, і оксидний шар, хоча і ще більш тонкий, дає значну частку в загальній вазі пакета. Тому при тривалому зберіганні стружки втрати металу виникають просто нізвідки. Висновок з цього може бути тільки один - стружку необхідно переплавляти негайно після її надходження.
Питома поверхня алюмінієвого брухту
Втрата алюмінію через його окислення при переплаву в печі якийсь завантаження брухту пропорційна питомій площі цього брухту. Питома площа виражається співвідношенням
де m - загальна маса партії брухту, A - загальна площа поверхні всіх шматочків брухту, що складають цю завантаження.
Питома площа поверхні алюмінієвих відходів є критичним параметром. Її величина збільшується зі зменшенням розмірів частинок брухту. Так, у куба зі стороною 10 см площа поверхні дорівнює 600 кв. см. а у еквівалентних по масою 1000 кубиків зі стороною 1 см - в 10 разів більше. Тому швидкість окислення цих кубиків буде в 10 разів більше, ніж великого куба.
Оксидна плівка на рідкому алюмінії
За винятком операцій сушіння і випалу органічних покриттів все окислення алюмінієвого брухту відбувається в рідкому стані. В ході плавлення захисна оксидна плівка руйнується, і окислення алюмінію починається знову, але вже при більш високій температурі. На невозмущенной поверхні розплаву алюмінію встановлюється стабільна оксидна плівка, товщина якої повільно збільшується в часі.
Залежність інтенсивності окислення рідкого алюмінію від температури
З ростом температури розплаву швидкість окислення алюмінію зростає. Вона досить повільно зростає аж до інтервалу температури від 760 до 780 ° С, а потім слід різке збільшення швидкості окислення, як це показано на малюнку 2. Нагрівання алюмінієвого розплаву вище цих температур призводить до підвищених втрат алюмінію від його окислення. Ці втрати часто називають «чад алюмінію».
Оптимальна температура для розплаву алюмінію
З урахуванням різкого зростання окислення алюмінію при температурі розплаву вище 760-780 ° С, якщо немає особливих причин для високої температури розплаву (наприклад, велика довжина передавальних металлопровода), рідкий алюміній розігрівають якраз до температури, яка оптимальна для його розливання. У більшості випадків ця температура становить від 730 до 750 ° С.
Поділитися цією Записом