عنصر فلزی آلومینیوم سومین عنصر فراوان در پوسته زمین است که 8٪ خاک و سنگهای کره زمین را تشکیل میدهد (اکسیژن و سیلیسیم به ترتیب 47٪ و 28٪ پوسته زمین را تشکیل میدهند). در طبیعت، آلومینیوم فقط در ترکیب شیمیایی با عناصر دیگر مانند گوگرد، سیلیکون و اکسیژن یافت میشود. آلومینیوم خالص و فلزی از نظر اقتصادی فقط از سنگ معدن اکسید آلومینیوم تولید میشود.
از مصارف آلومینیوم میتوان استفاده در ساخت انواع قالب های پت آلومینیومی اشاره نمود.
خصوصیات آلومینیوم
آلومینیوم فلزی دارای خواص زیادی است که آن را در طیف وسیعی از کاربردها مفید میکند. این ماده سبک، قوی، غیر مغناطیسی و غیر سمی است. گرما و برق را هدایت کرده و گرما و نور را منعکس میکند. آلومینیوم در سرمای شدید بدون شکنندگی قدرت خود را حفظ میکند. سطح آلومینیوم به سرعت اکسید شده و مانعی نامرئی در برابر خوردگی ایجاد میکند. علاوه بر این، آلومینیوم به راحتی و از نظر اقتصادی میتواند در محصولات جدید بازیافت شود.
بوکسیت آلومینیوم
ترکیبات آلومینیوم در انواع رس وجود دارد اما سنگ معدنی که بیشترین کاربرد را برای تولید آلومینیوم خالص دارد بوکسیت است. بوکسیت از 45-60٪ اکسید آلومینیوم همراه با ناخالصیهای مختلف مانند شن و ماسه، آهن و سایر فلزات تشکیل شده است. اگرچه برخی از کانسارهای بوکسیت سنگ سخت است، اما بیشتر آنها از خاک نسبتاً نرم تشکیل شدهاند که به راحتی از معادن روباز استخراج میشوند. استرالیا بیش از یک سوم کل بوکسیت جهان را تولید میکند. برای تولید 1 پوند (0.5 کیلوگرم) فلز آلومینیوم حدود 4 پوند (2 کیلوگرم) بوکسیت لازم است.
فرآیند تولید فلز آلومینیوم
تولید آلومینیوم در دو مرحله انجام میشود: فرآیند بایر در تصفیه سنگ معدن بوکسیت برای به دست آوردن اکسید آلومینیوم و فرآیند ذوب اکسید آلومینیوم برای آزاد سازی آلومینیوم خالص.
فرآیند بایر
- ابتدا سنگ معدن بوکسیت به صورت مکانیکی خرد میشود. سپس، سنگ خرد شده با سود سوز آور مخلوط شده و در آسیاب فرآوری می شود تا دوغاب (سوسپانسیون آبکی) حاوی ذرات بسیار ریز سنگ تولید شود.
- دوغاب به مخزنی که مانند اجاق گاز تحت فشار کار میکند، پمپ میشود. دوغاب تحت فشار 50 پوند در اینچ (340 کیلو پاسکال) تا 230-520 درجه فارنهایت (110-270 درجه سانتیگراد) گرم میشود. این شرایط به مدت نیم ساعت تا چند ساعت حفظ میشود.
- دوغاب گرم، که اکنون محلول سدیم آلومینات است، از طریق یک سری مخازن عبور میکند که سبب کاهش فشار شده و گرمای قابل استفاده مجدد در فرآیند تصفیه را بازیابی میکند.
- دوغاب به درون مخزن ته نشینی پمپ میشود. با قرارگیری دوغاب در این مخزن، ناخالصیهایی که در سود سوز آور حل نمیشوند، در ته این مخزن قرار میگیرند.
- پس از حل شدن ناخالصیها، مایع باقی مانده که تا حدی شبیه قهوه است، از طریق یک سری فیلترهای پارچه ای پمپ میشود. هر ذره ریز ناخالصی که در محلول باقی مانده توسط فیلترها به دام میافتد.
- مایع فیلتر شده از طریق یک سری مخازن شش طبقه بلند بارگیری میشود. بلورهای هیدرات آلومینا (آلومینای چسبیده به مولکولهای آب) از بالای هر مخزن اضافه میشوند. کریستالها با نشستن در مایع و اتصال آلومینای محلول به آنها رشد میکنند.
- کریستالها رسوب کرده (به ته مخزن میرسند) و برداشت میشوند. پس از شستشو، برای حرارت دادن به کوره منتقل میشوند (گرم میشوند تا مولکولهای آب که از نظر شیمیایی با مولکولهای آلومینا پیوند دارند) آزاد شوند. دمای 2000 درجه فارنهایت (1100 درجه سانتیگراد) باعث بیرون راندن مولکولهای آب میشود و بلورهای آلومینای بدون آب باقی میماند. بعد از خروج از کوره، کریستالها از یک کولر عبور میکنند.
فرآیند ذوب آلومینیوم
ذوب آلومینا به آلومینیوم فلزی در یک گلدان فولادی به نام گلدان احیا انجام میشود. پایین گلدان با کربن پوشانده شده است که به عنوان یک الکترود (هادی جریان الکتریکی) سیستم عمل میکند. الکترودهای مخالف از مجموعهای از میلههای کربن معلق در بالای گلدان تشکیل شده اند. آنها در محلول الکترولیت پایین آمده و در حدود 1.5/3 (3.8 سانتی متر) بالاتر از سطح آلومینیوم مذاب جمع شده در کف گلدان نگه داشته میشوند. گلدانهای احیا به صورت ردیفی متشکل از 50-200 گلدان چیده میشوند که به صورت سری به هم متصل شده و مدار الکتریکی را تشکیل میدهند. هر گلدان میتواند 66000-110،000 تن (60،000-100،000 متریک تن) آلومینیوم در سال تولید کند.