, ongeacht hoe veel lettergrepen u gebruikt om het te zeggen, aluminium is een van de meest gunstige industriële metalen die we hebben. Lichtgewicht, sterk, gemakkelijk gelegeerd, zeer geleidend en gemakkelijk te maken met machine, gegoten en extruderen, aluminium heeft zijn weg gevonden in hoofdzaak elk industrie en commercieel product denkbaar.
Het moderne leven zou onmogelijk zijn zonder aluminium, en toch is het zilvermetaal alleen in wijdverbreid gebruik voor ongeveer de laatste 100 jaar. Er was een tijd niet al zo lang geleden dat aluminium servies een statussymbool was en het was eenmaal letterlijk veel meer waard dan het gewicht in goud. De reden achter de eenmalige zeldzaamheid ligt in de inspanning die nodig is om het overvloedige element uit de rotsen te extraheren die het dragen, evenals de energie om dit te doen. De krachten die aluminium weggesloten van menselijk gebruik tot voor kort zijn overwonnen en de chemie en engineering moesten doen die de moeite waard zijn om in onze volgende aflevering van “mijnbouw en raffinage” te kijken.
Betaal vuil
Aluminium is de enige veel overvloedige metalen element in de aardkorst. Maar voor iets dat in het gemiddelde van de grond met 8% bestaat, onder je voeten, is het heel moeilijk om langs te komen in zijn elementaire vorm. Er zijn geen ontkoppelingen of aderen van metaalaluminium tot mij; Aluminium wordt bijna altijd gevonden in zijn verschillende oxidevormen en moet chemisch worden vrijgemaakt om van elk gebruik als industrieel metaal te zijn.
Hoewel aluminium-lager rotsen op grote schaal worden verdeeld, zijn er slechts enkele economisch significante afzettingen van de primaire erts van aluminium: bauxiet. Het exacte gehalte aan bauxiet varieert, maar het is normaal gesproken samengesteld uit aluminiumoxide-mineralen in verband met aluminiumhydroxiden, kleien, kwarts en ijzeren mineralen. Sommige van de grootste en rijkste afzettingen van bauxiet bevinden zich in de tropen, waar alternatieve perioden van hoge temperaturen en overvloedige regenval worden gevolgd door lange droge periodes.
De chemische verwering die deze voorwaarden gunst is, is echt de eerste stap in aluminium verwerking – het breekt de bauxiet, wat al een zeer zachte rots is, in hapklare stukken die gemakkelijk zijn opgescheppen. Veel bauxiet wordt gedolven met behulp van open giettechnieken. De huidige wereldleider in Bauxite-productie is Australië, dat ongeveer een kwart van de wereldproductie produceert. China komt in de tweede plaats, met de West-Afrikaanse natie van Guinea die in de derde komt. Er zijn ook grote afzettingen van bauxiet in Brazilië en het Caribisch gebied, in het algemeen in Jamaica.
Omdat er slechts een paar plaatsen in de wereld zijn waar bauxiet wordt gedolven, wordt de erts vaak lange afstanden verzenden voor bovendien verwerking. Dit kan uiteindelijk een gevaarlijke propositie zijn wanneer het erts over de oceaan wordt verzonden vanwege vloeibaarmaking en dynamische scheiding. Bauxiet bestaat typisch uit veel klei, en bij blootstelling aan regenwater kan het een drijfzand-achtige suspensie vormen die zich als een vloeistof gedraagt. Bij geladen in de houders van een bulkdragerschip, kan overdreven natte bauxiet ronddraaien en, indien gekoppeld aan de neiging voor het water in de suspensie om naar boven te migreren, het zwaartepunt van het schip met vreselijke resultaten.
Zo dicht bij maar toch zo ver weg
Ruwe bauxieterts moeten chemisch worden behandeld om de onzuiverheden te verwijderen en het klaar te maken voor het smelten van het aluminium dat het bevat. Het Bayer-proces is bijna altijd gebruikt om dit te bereiken, en bestaat uit het koken van grote batches verpletterde bauxiet in een drukvat met een optie van bijtende frisdrank of natriumhydroxide. Bij 150 ° tot 200 ° C reageren de aluminiumoxiden en hydroxiden, die gewoonlijk onoplosbaar zijn in water, reageren met het natrium in het natriumhydroxide om natriumaluminaat te vormen:
Dit solubiliseert het aluminium in de bauxiet, maar niet de onzuiverheden, die in het algemeen ijzeroxiden zijn. De onoplosbare materialen, samen met overtollig natriumhydroxide, worden afgefiltreerd in een afvalproduct genaamd “rode modder”. Enorme hoeveelheden rode modder worden geproduceerd bij bauxiet verwerkingsinstallaties en opgeslagen in lagunes, vaak gevormd door overstromingen gespeeld bauxiet putten wanneer het erts dicht bij waar het werd verwerkt waar het werd gedolven. De oxiden in rode modder hebben economische waarde, en kunnen worden teruggevorderd voor gebruik in industriële processen die het herstel van sporenhoeveelheden van zeldzame aardelementen omvatten die in de residuen kunnen aanwezig zijn. Rode modder kan ook een ramp veroorzaken als het niet op de juiste manier wordt behandeld.
De laatste stap in Bauxite-verwerking houdt in dat het aluminium in het filtraat neergeslagen en het zuiveren. Dit wordt bereikt door de optie te zaaien die bestaat uit het natriumaluminaat met sterk gezuiverde kristallen van aluminiumhydroxide. Dit veroorzaakt aluminiumhydroxidekristallen om te vormen en uit de supersaturateerde oplossing te vallen:
De kristallen van aluminiumhydroxide worden verzameld en behandeld in een roterende oven met hoge temperatuur. In een proces dat calcinering wordt genoemd, wordt het aluminiumhydroxide thermisch afgebroken in zuivere witte kristallen van aluminiumoxide:
Beter smelten door chemie
De volgende stap van verwerking is eigenlijk sSmelt het elementaire aluminium uit het alumina. Het proces gebruikt om dit te bereiken is het proces van Hall-Héroult, vernoemd naar American Chemist Charles Martin Hall en Franse wetenschapper en innovator Paul Héroult, die onafhankelijk en bijna gelijktijdig het proces in 1886 ontwikkelden. Het proces probeert over het algemeen de oxidatieve processen van de natuur te ongedaan te maken die oorspronkelijk elementair aluminium in zijn oxiden heeft vergrendeld om bauxiet te vormen. Het is zo elektrolytisch en vereist als gevolg een toegang tot enorme hoeveelheden goedkope elektrische energie om economisch haalbaar te zijn; Dit is de reden waarom aluminium smelters zich vaak dicht bij hydro-elektrische dammen bevinden.
Om het alumina-poeder te elektrolyze, moet het eerst vloeibaar worden. Simpelweg het smelten is niet haalbaar, gezien het feit dat het een buitensporig hoog smeltpunt heeft (2.072 ° C). Het cruciale voor het proces van Hall-Héroult was de ontdekking van cryoliet, een zout van natrium, aluminium en fluor. CRYOLITE verlaagt het smeltpunt van alumina tot ongeveer 900 ° C, waardoor elektrolyse mogelijk is. Cryolite komt natuurlijk voor, maar is zeer zeldzaam, wordt op slechts een paar plaatsen op aarde gevonden. Bijna alle cryoliet die wordt gebruikt voor aluminium smelten wordt nu synthetisch geproduceerd.
Op industriële schaal wordt het proces van Hall-Héroult uitgevoerd bij bijna belachelijke niveaus, met smeltende planten die zo groot zijn, ze zijn vanuit de ruimte te zien. Elke stalen reactiecel, genaamd een pot, is bekleed met keramiek en heeft een grafietkathode aan de onderkant. De pot wordt beschuldigd van aluminiumoxide poeder en cryoliet, en een enorme composiet-anode wordt in de mix verlaagd. De anode wordt voornamelijk gemaakt van gefuseerd cokes met een koper of stalen frame om de benodigde huidige – honderdduizenden versterker – naar elektrolyze de oplossing te voeren.
De elektrolyserreactie zorgt ervoor dat metaal aluminium zich in de anode van elke cel vormt. Het gesmolten metaal is dichter dan de elektrolyt, dus druppels zinken naar de bodem van de pot waar ze zich ophopen op de kathode. Potten worden voortdurend uitgevoerd en het duurt ergens van één tot drie dagen voor voldoende gesmolten aluminium om te accumuleren. Het vloeibare metaal wordt afgetapt door een sifon, de verbruikbare anodes worden indien nodig verwisseld en een andere lading wordt aan de pot toegevoegd.
Het aluminium dat uit de pot komt, is ongeveer 99% zuiver aluminium en wordt normaal gesproken in ingots of staven gegoten voor bovendien verwerking. Aluminium op dit zuiverheidsniveau wordt meestal gebruikt voor voedselcontainers of als elektrische geleiders, zoals bovengrondse hoogspanningslijnen. Als het metaal van een hoger zuiverheid gewenst is, kan een ander elektrolytisch proces bekend als het hoepelsproces de zuiverheid tot “vier-negen” niveau (99,99%) brengen. Alle metalen van 99% puur en hoger staan bekend als aluminium “1000-serie”.
Zuiver aluminium is normaal gesproken niet dat gunstige industrieel, dus veel aluminium is gelegeerd met andere metalen om andere kenmerken te bereiken. De 2000-serie aluminium is bijvoorbeeld meestal gelegeerd met koper voor kracht en taaiheid en vindt zijn weg naar de productie van vliegtuigen. 3000-serie metalen, zoals de 3003-legering die in ductorkon en kookgerei wordt aangetroffen, zijn gelegeerd met mangaan voor de werkbaarheid. Silicium is gelegeerd met aluminium om de 4000-serie metalen te vormen; Het toevoegen van magnesium resulteert in de 6000-serie metalen zoals de populaire 6061 en 6063 die verschijnen in alles van aluminium extrusies tot motorblokken.