Iš ko pagamintas aliuminis

Aliuminis, vienas gausiausių ir plačiausiai naudojamų metalų visame pasaulyje, nėra randama grynos formos gamtoje. Vietoj to, jis egzistuoja kartu su kitais mineralų elementais, todėl norint išskirti reikia specializuoto ekstrahavimo ir apdorojimo. Supratimas, koks aliuminis yra pagamintas iš - nuo jo natūralių šaltinių iki cheminių ir fizinių transformacijų, kurias jis patiria -, suteikia kritinę įžvalgą apie jo savybes, gamybą ir pramoninę reikšmę. Šiame straipsnyje nagrinėjamos kilmės, kompozicijos ir gamybos procesai, apibrėžiantys aliuminį kaip medžiagą.
Natūralus šaltinis: boksito rūda
Aliuminio kelionė prasideda nuo boksito, pirminės rūdos, iš kurios gaunamas aliuminis. Boksitas yra nuosėdinė uoliena, kurią suformuoja aliuminio - turtingos uolienos (tokios kaip granitas) atogrąžų ar subtropiniame klimate, kur aukštas kritulių ir šiltos temperatūros išplovimo silicio dioksidas ir kiti mineralai, paliekant koncentruotus aliuminio oksidus.
Boksito cheminėje kompozicijoje dominuoja aliuminio hidroksidai, tipiški komponentai, įskaitant:
• Gibbsite (Al (OH) ₃): Dažniausiai pasitaikantis aliuminio - su mineralu guli boksite, apskaičiuojant 50–70% jo sudėties esant aukštai - kokybės telkiniams.
• Boehmite (- alo (OH)) ir diaverstras ({- alo (OH)): Šie hidratuoti aliuminio oksidai yra labiau paplitę boksite iš vėsesnių ar sausesnių regionų, todėl reikia aukštesnės apdorojimo temperatūros, kad būtų galima išgauti aliuminį.
• Priemaišos: boksite dažnai yra geležies oksidų (suteikia jam rausvai - rudos spalvos), silicio dioksidą, titano dioksidą (TiO₂) ir nedidelius organinių medžiagų kiekius. Šios priemaišos turi būti pašalintos perdirbimo metu, nes jos gali pakenkti galutinio aliuminio kokybei.
Pasaulinės boksito atsargos yra sutelktos tokiose šalyse kaip Gvinėja, Australija ir Kinija, o indėliai skiriasi grynumu, atsižvelgiant į jų geologinį formavimąsi. Aukštoje - boksite yra 45–55% aliuminio oksido (Al₂o₃), todėl jis yra idealus efektyviam aliuminio gamybai.
Nuo boksito iki aliuminio oksido: „Bayer“ procesas
Prieš gaminant aliuminio metalą, boksitas yra rafinuotas į aliuminį oksidą (aliuminio oksidą, al₂o₃) - baltą, miltelinį tarpinį produktą. Ši transformacija pasiekiama per „Bayer“ procesą, sukurtą 1887 m. Ir vis dar šiandien pramonės standartą.
Pagrindiniai „Bayer“ proceso veiksmai:
1. Sceping ir šlifavimas: boksito rūda susmulkinama į mažas daleles (1–2 cm) ir sumalamas į smulkią srutą, kad padidėtų paviršiaus plotas cheminėms reakcijoms.
2.DIGESTION: Srutas sumaišomas su karštu, koncentruotu natrio hidroksido (NAOH) tirpalu aukštu - slėgio indais (virškinimo priemonėse) 140–280 laipsniais. Tai reaguoja su aliuminio oksidais boksite, sudarydamas tirpaus natrio aliuminato (Naalo₂), o geležies oksidai ir titano dioksidas išlieka netirpios kietos medžiagos:
Al (OH) ₃ + NaOH → Naalo₂ + 2 h₂o
(Gibbsite reaguoja su natrio hidroksidu, kad susidarytų natrio aliuminatas)
3.Clarifikacija: Mišinys filtruojamas, kad būtų atskirtas natrio aliuminato tirpalas (vadinamas „nėščios skysčio“) nuo netirpių priemaišų (žinomų kaip „raudonasis purvas“, pirmiausia geležies oksidai ir silicio dioksidas). Raudonasis purvas yra pašalintas, nors tęsiasi pastangos jį perdirbti (pvz., Statybinėms medžiagoms).
4.precipitacija: Nėščiųjų gėrimų aušinimas ir aliuminio hidroksido sėklos pridedamos prie gryno aliuminio hidroksido (Al (OH) ₃) dalelių kristalizacijos:
Naalo₂ + 2 h₂o → al (OH) ₃ ↓ + NaOH
(Natrio aliuminatas reaguoja su vandeniu, kad susidarytų aliuminio hidroksidas ir regeneruotų natrio hidroksidą)
5. Kalcinacija: Aliuminio hidroksidas kaitinamas iki 1000–1200 laipsnių sukamosiose krosnyse, nuo vandens, kad susidarytų gryno aliuminio oksido (Al₂o₃):
2Al (OH) ₃ → al₂o₃ + 3 h₂o
Gautas aliuminio oksidas yra 99,5% grynas, o aukštas lydymosi taškas (2072 laipsnis), todėl jis tinka aliuminio metalo gamybai.
Nuo aliuminio oksido iki aliuminio metalo: salė - héroult procesas
Pats aliuminio oksidas yra elektrinis izoliatorius, todėl norint išgauti gryną aliuminį reikia lydymosi ir elektrolizės. Tai pasiekiama per Hall - Héroult procesą, kurį nepriklausomai sukūrė Charles Hall ir Paul Héroult 1886 m., Kuris išlieka vienintelis pramoninis metodas gaminti pirminį aliuminį.
Pagrindiniai salės žingsniai - héroult procesas:
1.elektrolitų paruošimas: aliuminio oksidas ištirpinamas išlydytame kriolite (Na₃alf₆) - minerale, kuris veikia kaip tirpiklis. Kriolitas sumažina aliuminio oksido lydymosi tašką nuo 2072 laipsnio iki ~ 960 laipsnių, sumažindamas energijos poreikį. Pridedami nedideli aliuminio fluoro (ALF₃) ir kalcio fluorido (CAF₂) kiekiai, kad būtų galima sureguliuoti elektrolito klampumą ir laidumą.
2.elektrolizė: Išlydytas elektrolitas laikomas didelėje anglies - išklotuose plieniniame puoduose (ląstelėse). Anglies anodas (teigiamas elektrodas) yra panardintas į elektrolitą, o anglies pamušalas veikia kaip katodas (neigiamas elektrodas). Kai per langelį praeina elektros srovė (200–500 ka):
◦AT KATODAS: Aliuminio jonai (al³⁺) įgyja elektronų ir yra sumažinami iki išlydyto aliuminio metalo, kuris nuskendo iki ląstelės dugno:
Al³⁺ + 3 e⁻ → al (l)
◦AT anodas: oksido jonai (O²⁻) praranda elektronus ir reaguoja su anglies kiekiu, kad susidarytų anglies dioksidas:
2O²⁻ + C → CO₂ (G) + 4 e⁻
3.Aluminio surinkimas: Išlydytas aliuminis (99,7–99,9% grynas) yra periodiškai gurkšnojamas iš ląstelės ir perkeltas į laikančias krosnius.
4.Pleidimas (pasirenkamas): Grynas aliuminis dažnai legiruotas su kitais elementais (pvz. Pavyzdžiui, pridėjus 4–5% vario, sukuriamas 2024 aliuminio, naudojamas aviacijos ir kosmoso srityje.
Salė - héroult procesas yra energija - intensyvus -, gaminant vieną toną aliuminio, reikia ~ 13 MWh elektros energijos -, suteikiant prieigą prie žemo - išlaidų, mažos - anglies galios (EG).
Perdirbtas aliuminis: uždaras - kilpos sistema
Nors pirminis aliuminis yra gaunamas iš boksito, perdirbtas aliuminis yra dar vienas pagrindinis šaltinis, sudarantis ~ 30% visuotinio aliuminio tiekimo. Perdirbtas aliuminis yra „pagamintas iš“ aliuminio laužo (pvz., Gėrimų skardinės, automobilių dalys, statybinės atliekos) per paprastesnį procesą:
1.Sortavimas ir valymas: Laužą rūšiuojama pagal lydinio tipą (kad būtų išvengta užteršimo) ir išvaloma, kad būtų pašalintos dažai, aliejai ar plastikai.
2.Melavimas: Švarus laužas ištirpsta krosnyse esant ~ 660 laipsnių (daug žemesnis už salę - héroult proceso temperatūra). Srautai ar inertinės dujos yra naudojamos priemaišoms pašalinti, pavyzdžiui, magnį ar vandenilį.
3. FASTAVIMAS: Išlydytas perdirbtas aliuminis išmetamas į luitų, paklodes ar strypus, paruoštus gamybai.
Aliuminio perdirbimas sunaudoja tik 5% energijos, reikalingos pirminiam aliuminiui gaminti, neprarandant kokybės. Dėl to perdirbtas aliuminis yra pagrindinis tvarios metalo gamybos komponentas, suderintas su globaliais dekarbonizacijos tikslais.
Aliuminio metalo cheminė sudėtis
Grynas aliuminis (99,9%+ Al) yra minkštas, kaliojo metalo, tačiau pramoninis aliuminis beveik visada yra legiruotas, kad pagerintų našumą. Įprasti legiruoti elementai apima:
• Varis (Cu): pridedamas prie 2000 serijos lydinių (pvz., 2024), kad padidėtų stiprumas atliekant terminį apdorojimą.
• Magnis (Mg): naudojamas 5000 serijos lydiniuose (pvz., 5052), siekiant padidinti atsparumą korozijai ir suvirinamumui.
• Silicis (SI): kartu su magniu 6000 serijos lydiniuose (pvz.
• Cinkas (Zn): pridedami prie 7000 serijos lydinių (pvz.
• Ličio (Li): sumažina aliuminio tankį - ličio lydiniai (pvz., 2195), naudojami raketų komponentuose.
Net lydiniuose aliuminis išlieka dominuojančiu elementu -, paprastai 85–99% pagal svorį - su kitais elementais, esančiais kontroliuojamomis proporcijomis, kad būtų pritaikytos savybės.
Kodėl svarbu kompozicija
Aliuminio kompozicija - ar kaip gryno metalo, lydinio ar perdirbtos medžiagos - tiesiogiai nustato jo veikimą. Pavyzdžiui:
• Aukštas - grynumo aliuminis (99,99% Al) naudojamas elektriniams laidininkams jo laidumui.
• 5083 aliuminis (4,5% magnio, 0,7% mangano) priešinasi sūraus vandens korozijai, todėl jis idealiai tinka jūrinėms reikmėms.
• Perdirbtas 3004 aliuminis (1,2–1,8% mangano) naudojamas gėrimų skardinėse dėl jo formavimo ir stiprumo.
Supratimas, koks aliuminis yra pagamintas iš - nuo boksito iki lydinių iki perdirbto laužo -, suteikia gamintojams galimybę pasirinkti tinkamą medžiagą jų poreikiams, tuo pačiu optimizuojant tvarumą.
Apibendrinant galima pasakyti, kad aliuminis iš esmės yra pagamintas iš boksito rūdos, per „Bayer“ procesą paverčiamas aliuminiu oksidu, o po to per metalą per salę - héroult procesą. Perdirbtas aliuminis, gautas iš laužo, vaidina vis kritiškesnį vaidmenį, panaudodamas žemą - energiją, uždaryta - kilpos sistema. Jo sudėtis -, nesvarbu, ar gryna, ar legiruota - diktuoja jo savybes, todėl ji tampa universalia medžiaga įvairiose pramonės šakose. Augant mažos - anglies medžiagų paklausai, padidėja boksito perdirbimo, elektrolizės efektyvumo ir perdirbimo pažanga dar labiau patiks, kaip aliuminis yra „pagamintas“, užtikrinant jo, kaip tvarios metalo ateičiai, vaidmenį.