GOSPODARKA

SUROWCAMI

MINERALNYMI

Tom 24

2008

Zeszyt 3/3

MA£GORZATA LITWIÑCZYK-KWAŒNICKA*

Aluminium. Metody otrzymywania oraz

odzysku z materia³ów odpadowych

Wprowadzenie

Aluminium to metal nale¿¹cy do grupy metali nie¿elaznych o temperaturze topienia

933 K, a wrzenia 2767 K. Jego gêstoœæ w temperaturze 293 K wynosi 2,6989 g/cm

3

.

Aluminium jest metalem, który mo¿na obrabiaæ plastycznie zarówno na zimno jak i na
gor¹co (Dziubak 2003). Dziêki tym walorom jest obecnie jednym z najwa¿niejszych me-
tali rynkowych. Znalaz³ szerokie zastosowanie w budownictwie, przemyœle spo¿ywczym
i opakowaniowym, elektronice i elektrotechnice, energetyce, motoryzacji (Summer 2004).
Jego g³ówn¹ rud¹ jest boksyt, z którego wytwarza siê czysty Al

2

O

3

, a nastêpnie przez

elektrolizê otrzymuje siê aluminium hutnicze. Aluminium takie zanieczyszczone jest tlen-
kami, azotkami, borkami, wapniem oraz sodem, dlatego te¿ jednym z celów przemys³u
aluminiowego s¹ liczne prace nad popraw¹ jakoœci ciek³ego metalu. Usuniêcie wszelkich
zbêdnych zanieczyszczeñ uzyskuje siê w procesie rafinacji (Saternus, Botor 2003). Alu-
minium wytwarza siê w 17 gatunkach, o stopniu czystoœci od 99,99 do 99,0% (Dobrzañski
2002).

Przemys³ aluminium jest najm³odszym i najwiêkszym z przemys³ów metali nie¿elaznych.

Oko³o 43% produkcji pochodzi z przetwarzania z³omu zawracanego do obiegu, którego iloœæ
stale wzrasta.

* Mgr in¿., Wydzia³ In¿ynierii Procesowej, Materia³owej i Fizyki Stosowanej, Katedra Ekstrakcji i Recyrku-

lacji Metali, Politechnika Czêstochowska, Czêstochowa; e-mail: [e-mail]

1. Otrzymywanie aluminium pierwotnego

Aluminium otrzymywane jest z rudy – boksytu, w której sk³ad wchodz¹ g³ównie:

hydraragilit, bemit, diaspor oraz zanieczyszczenia w postaci krzemionki i tlenków ¿elaza.
Górnictwo boksytów najlepiej jest rozwiniête w Australii, Brazylii, Chinach, Ameryce
Œrodkowej (Jamajka, Surinam), Afryce, Francji, Rosji, Jugos³awii i Grecji.

Z produkcj¹ aluminium pierwotnego zwi¹zane s¹ dwa podstawowe procesy (rys. 1).

Pierwszy z nich to wydzielenie z rudy tlenku glinowego, który jest materia³em wyjœciowym
dla procesu wytwarzania metalicznego aluminium czyli redukcji elektrolitycznej tlenku
glinowego w stopionym kriolicie w temperaturze oko³o 1233 K.

Metody otrzymywania tlenku glinowego mo¿emy podzieliæ na nastêpuj¹ce grupy:
— sposoby alkaliczne,
— sposoby kwasowe.
Rozró¿nia siê dwie podstawowe metody alkaliczne:

1) metoda Bayera,
2) metoda spiekania boksytu z sod¹ i wapieniem.

Sposoby te wykorzystuj¹ oddzia³ywanie zwi¹zków alkalicznych np. NaOH, Na

2

CO

3

, na

rudê boksytow¹.

Wytwarzanie tlenku glinowego metodami kwasowymi polega na ³ugowaniu rudy alu-

minium roztworami kwasów, np. H

2

SO

4

, HCl, HNO

3

, H

2

SO

3

. W wyniku ³ugowania otrzy-

muje siê sole glinowe i ¿elazowe, a po oczyszczeniu soli glinowych z ¿elaza poprzez

180

Rys. 1. Schemat otrzymywania Al z surowców pierwotnych (Najlepsze Dostêpne techniki BAT... 2006)

Fig. 1. Scheme receiving of Al from the natural materials (Najlepsze Dostêpne techniki BAT... 2006)

kalcynacjê i rozk³ad cieplny otrzymuje siê bezwodny tlenek glinowy (Adamski, Piwo-
warczyk 1998).

Tlenek aluminium uzyskany jedn¹ z wymienionych metod poddawany jest nastêpnie pro-

cesowi elektrolizy. W procesie tym Al

2

O

3

dysocjuje na jony aluminium i tlenu. Aluminium

pod wp³ywem przyci¹gania do katody oraz pod wp³ywem ciê¿aru w³asnego gromadzi siê na
dnie wanny elektrolitycznej, sk¹d co jakiœ czas jest odprowadzane (spuszczane), natomiast
tlen ³¹czy siê z wêglem anody i odprowadzany jest z procesu pod postaci¹ CO i CO

2

.

Uzyskane w ten sposób aluminium hutnicze (czystoœæ 99,7–99,5%) zanieczyszczone jest Fe,
Si, Cu, Ti, Mg, Mn oraz H

2

i stosowane jest jako surowiec na odlewy oraz stopy aluminiowe.

Zanieczyszczenia usuwa siê z aluminium metod¹ rafinacji elektrolitycznej.

Usuwanie domieszek aluminium hutniczego mo¿e odbywaæ siê tak¿e przez wprowa-

dzanie gazu do ciek³ego metalu, obróbkê solami, filtrowanie, obróbkê zwi¹zkami rozk³a-
daj¹cymi siê z wydzieleniem chloru.

Zastosowany gaz oczyszczaj¹cy ró¿ni siê w zale¿noœci od zanieczyszczeñ; argon lub azot

u¿ywany jest do usuwania wodoru, a mieszanina chloru i argonu lub azotu u¿ywana jest do
usuwania zanieczyszczeñ metalicznych. Do usuwania magnezu stosowany jest równie¿
fluorek aluminium. Metal przed odlaniem jest filtrowany (Cholewa i in. 2004). Poprzez
proces rafinacji mo¿na uzyskaæ metal o zawartoœci 99,9999% Al.

2. Metody odzysku aluminium z materia³ów odpadowych

Typowymi Ÿród³ami z³omu aluminiowego s¹: z³om technologiczny, zu¿yte puszki po

napojach (UBC), folie, z³om po wyciskaniu, z³om przemys³owy, wióry oraz stary wal-
cowany i odlewany metal. Ponadto, aluminium odzyskuje siê równie¿ z zu¿li solnych
i zgarów. Wystêpowaæ tu mog¹ ró¿ne zanieczyszczenia, które nale¿y wzi¹æ pod uwagê przy
dobieraniu wstêpnego przetwarzania oraz przy projektowaniu pieca.

Podstawow¹ w³aœciwoœci¹ produkcji aluminium wtórnego jest ró¿norodnoœæ spotyka-

nych surowców. Pozyskanie tego metalu z surowców wtórnych wymaga stosowania wielu
skomplikowanych operacji metalurgicznych (Ob³¹kowski i in. 2006). Dobór technologii
przetwarzania ró¿ni siê w zale¿noœci od instalacji.

Proces produkcji aluminium oraz jego stopów z surowców wtórnych dzieli siê na kilka

faz (Smorawiñski):
1. Mechaniczne przygotowanie z³omu, obejmuj¹ce:

a) identyfikacjê zanieczyszczeñ,
b) oddzielenie zanieczyszczeñ obcych (piasek, wilgoæ),
c) sortowanie materia³u.

2. Termiczne usuwanie pow³ok lakierowych i zanieczyszczeñ organicznych.
3. Topienie wraz z korekt¹ wsadu.
4. Rafinowanie i odlewanie.

Na rysunku 2 przedstawiono schemat otrzymywania aluminium z surowców wtórnych.

181

Z³om i odpady czêsto s¹ zanieczyszczone lakierami i tworzywami sztucznymi, a tak¿e

charakteryzuj¹ siê du¿¹ wilgotnoœci¹ (np. wióry z obróbki mechanicznej), co powoduje
koniecznoœæ poddania ich obróbce termicznej przed przetopieniem. Po tym etapie odzysku
nale¿y usun¹æ sta³e produkty spalania z powierzchni, co pozwala na zmniejszenie za-
nieczyszczenia ciek³ego metalu. W aluminium wtórnym mo¿e wystêpowaæ magnez, który
mo¿e wymagaæ redukcji. Do usuwania magnezu stosowane jest wprowadzanie do ciek³ego
aluminium mieszanin chloru gazowego; u¿ywany jest tu równie¿ fluorek glinowo-sodowy
(Na

3

AlF

6

) i fluorek glinowo-potasowy (AlKF

2

lub KF*AlF

3

). Drugi z tych materia³ów jest

produktem ubocznym w produkcji niektórych stopów poœrednich.

Proces topienia z³omów i odpadów z aluminium oraz jego stopów mo¿e byæ prowadzony

w piecach obrotowych, komorowych, indukcyjnych.

W piecach obrotowych (rys. 3) korzystne jest stosowanie mechanizmu przechylania

(piece obrotowo-przechylne), który pozwala na obni¿enie iloœci potrzebnego topnika.

Przetapiane aluminium wtórne zawiera domieszki dodatków stopowych oraz wtr¹cenia

metaliczne (Na, K, Ca), które obni¿aj¹ w³aœciwoœci u¿ytkowe aluminium.

Z pieców do wytapiania i z pieców do przetwarzania mog¹ pochodziæ potencjalne emisje

do atmosfery takich substancji jak py³y, zwi¹zki metali, chlorki, HCl i produkty z³ego
spalania, takie jak dioksyny i inne zwi¹zki organiczne.

182

Rys. 2. Schemat otrzymywania Al z surowców wtórnych (Chmielarz i in. 2007)

Fig. 2. Scheme of receiving Al from the recycling materials (Chmielarz i in. 2007)

Ostatnim etapem obróbki ciek³ego metalu jest proces odgazowania, który prowadzony

jest w urz¹dzeniach do rafinacji gazowej. Obecnie w przemyœle aluminiowym stosuje siê
wiele ró¿nych sposobów rafinacji, jednak najczêœciej jest to rafinacja metod¹ barbota¿u,
a gaz rafinuj¹cy wprowadzany jest poprzez porowate kszta³tki oraz ró¿nego typu rotory
(wiruj¹ce dysze) – procesy GIFS, ASV, GBF, RDU, SNIF, ALPUR, ALCOA 622, AFD,
HYCAST, URO-200 (Litwiñczyk 2007).

Proces rafinacji ciek³ego metalu koñczy siê filtracj¹.
Wiêkszoœæ z³omu aluminium wtórnego przerabia siê we wlewki do produkcji odlewów

dodaj¹c zwykle takie dodatki stopowe jak krzem, miedŸ czy magnez. Produkowany
jest równie¿ odtleniacz aluminiowy dla przemys³u stalowniczego. Niektóre zak³ady do-
starczaj¹ do le¿¹cych w pobli¿u odlewni metal p³ynny, co pozwala zaoszczêdziæ na
kosztach przetopu.

Wartoœæ aluminium metalicznego jest tak du¿a, ¿e op³acalna jest nawet przeróbka zgarów

tworz¹cych siê na powierzchni ciek³ego metalu. Technologia recyklingu aluminium osi¹g-
nê³a taki etap rozwoju, ¿e z wybranych partii z³omu mo¿na uzyskaæ metal wtórny, który nie
ró¿ni siê jakoœci¹ od metalu pierwotnego (Gripenberg 2002).

Podsumowanie

Dla wyprodukowania 1 Mg Al

2

O

3

potrzeba oko³o 2 Mg boksytu; z tlenku glinu wytwarza

siê oko³o 0,530 Mg aluminium. Na 1 Mg wytwarzanego aluminium zu¿ywa siê oko³o

183

Rys. 3. Schemat pieca obrotowego do przetopu aluminium wtórnego (Chmielarz i in. 2007)

Fig. 3. Scheme of rotary furnace to melting the secondary aluminium (Chmielarz i in. 2007)

0,4–0,55 Mg wêgla (anody wêglowe). Koszty energii stanowi¹ oko³o 30% kosztów pro-
dukcji, natomiast odzyskuj¹c aluminium ze z³omu oszczêdzamy 95% energii potrzebnej do
wyprodukowania aluminium z rudy. Ponadto dziêki recyklingowi aluminium unikamy
zanieczyszczenia powietrza o 95% oraz wody o 97% w porównaniu z produkcj¹ aluminium
z rudy.

Recykling aluminium zwiêksza niezale¿noœæ surowcow¹ kraju, tworzy dodatkowe

miejsca pracy w skupie i przetwórstwie, generuje kolejne dochody. Koszty produkcji
wtórnego aluminium s¹ o 60% mniejsze ni¿ produkcja aluminium z boksytów (Fundacja
Recal...).

Podczas przetopu aluminium wtórnego powstaj¹ zwi¹zki oa³abiaj¹ce w³aœciwoœci metalu,

dlatego celem podniesienia efektywnoœci wytopu korzystne by³oby wczeœniejsze usuniêcie
pow³ok organicznych z powierzchni z³omu w oddzielnym procesie. By³o to przes³ank¹ do
realizacji w Katedrze Ekstrakcji i Recyrkulacji Metali Politechniki Czêstochowskiej projektu
badawczego, maj¹cego na celu wyznaczenie kinetycznej charakterystyki procesu termicznej
degradacji pokryæ organicznych z³omu recyklingowanego aluminium (Rozpondek i in. 2007).
W wyniku dotychczasowych badañ (rurowy piec obrotowy) okreœlono warunki procesu
rozk³adu termicznego lakieru na aluminiowych puszkach po napojach dla uzyskania czystej
powierzchni metalu.

Badania realizowane s¹ w ramach projektu badawczego MEN nr 3T08B00130.

LITERATURA

A d a m s k i C., P i w o w a r c z y k T., 1998 – Metalurgia i odlewnictwo metali nie¿elaznych. Cz. 1 Stopy alu-

minium i magnezu. Kraków, Skrypty Uczelniane.

C h m i e l a r z A., W ê ¿ y k W., K a m i ñ s k i K., B r a t e k £., M a l e c W., 2007 – Najlepsze Dostêpne Techniki

(BAT) wytyczne dla produkcji i przetwórstwa metali nie¿elaznych. Ministerstwo Œrodowiska Warszawa,
maj 2007, s. 49–52.

C h o l e w a M., G a w r o ñ s k i J., P r z y b y ³ M., 2004 – Podstawy procesów metalurgicznych. Gliwice, s. 185.
D o b r z a ñ s k i L., 2002 – Podstawy nauki o materia³ach i metaloznawstwo – materia³y in¿ynierskie z podstawami

projektowania materia³owego. Wydawnictwo naukowo-techniczne, Gliwice-Warszawa, s. 686–688.

D z i u b a k E., 2003 – Aluminium w architekturze polskiej – od metropolisty do lidera. Rudy i Metale Nie¿elazne

9, s. 426.

Fundacja RECAL – www.recal.pl. 12.06.2008.
G r i p e n b e r g H., 2002 – New tools for melting of secondary aluminium in rotary furnaces. Aluminium vol. 78,

no 9, s. 642–646.

L i t w i ñ c z y k M., 2007 – Proces rafinacji ciek³ego aluminium. IX Miêdzynarodowa Studencka Sesja Naukowa –

sekcja doktoranci ,,Materia³y i technologie XXI wieku”, 17–18 maja, Katowice, s. 62–65.

Najlepsze Dostepne techniki BAT – Technologie produkcji aluminium z surowców pierwotnych i wtórnych.

Rozdzia³ 4, 2006, s. 355–400.

O b ³ ¹ k o w s k i R., P i e t r z y k S., P a l i m ¹ k a P., 2006 – Brykietowanie rafinatorów do eliminacji wapnia

i magnezu ze stopów Al-Si otrzymywanych w procesie recyklingu. VIII Miêdzynarodowa Konferencja
Naukowa „Teoretyczne i Praktyczne Problemy Zagospodarowania Odpadów Hutniczych i Przemys³owych”
Zakopane, 17–19 maja, s. 81.

184

R o z p o n d e k M., L i t w i ñ c z y k M., S i w k a J., 2007 – Badania nad usuwaniem pow³ok lakierniczych.

XV Miêdz. Konf. Nauk.-Techn. Produkcja i Zarz¹dzanie w Hutnictwie, 27–30 czerwca, Zakopane, s. 288.

S a t e r n u s M., B o t o r J., 2003 – Dyspersja pêcherzyków gazowych w procesie rafinacji aluminium. Iron and

Steelmaking. Malenovice, s. 42.

S m o r a w i ñ s k i Z. – Zrozumieæ recykling odpadów opakowaniowych. Aluminium Recykling Organizacja

Odzysku S.A. – prywatny komunikat.

S u m m e r R., 2004 – Proces Alumonte – Nowa metoda recyklingu aluminium i z³omu aluminiowego. Przegl¹d

odlewnictwa nr 7–8, s. 666.

ALUMINIUM. METODY OTRZYMYWANIA ORAZ ODZYSKU Z MATERIA£ÓW ODPADOWYCH

S ³ o w a k l u c z o w e

Aluminium, otrzymywanie aluminium, proces Bayera, odzysk aluminium

S t r e s z c z e n i e

Aluminium nale¿y do grupy metali nie¿elaznych, które nie wystêpuj¹ w przyrodzie w stanie rodzimym.

G³ówn¹ rud¹ jest boksyt, z którego wytwarza siê czysty tlenek Al

2

O

3

, a po elektrolizie aluminium hutnicze.

Aluminium i jego stopy ze wzglêdu na dobre w³aœciwoœci fizykochemiczne oraz mechaniczne, a tak¿e nisk¹
gêstoœæ znalaz³y zastosowanie w wielu wspó³czesnych dziedzinach techniki np.: przemyœle motoryzacyjnym,
spo¿ywczym, opakowaniowym, elektronicznym, elektrotechnicznym, budowlanym oraz kosmicznym.

Aluminium pierwotne wytwarzane jest z rudy – boksytu. Metod¹ najczêœciej stosowan¹ do produkcji Al

2

O

3

jest proces Bayera. Natomiast typowymi Ÿród³ami aluminium wtórnego s¹: z³om technologiczny, zu¿yte puszki po
napojach (UBC), folie, z³om przemys³owy, wióry oraz stary walcowany i odlewany metal. Celem procesu przerobu
odpadów jest otrzymanie jak najczystszego metalu, dlatego nale¿y w pierwszej kolejnoœci oczyœciæ z³om. W tym
celu przeprowadza siê procesy mechanicznego oczyszczania, a w przypadku pokryæ organicznych ich termiczne
usuwanie. Procesy rafinacji ciek³ego metalu oraz odlewania przy produkcji aluminium ze z³ó¿ naturalnych jak
i odzysku ze Ÿróde³ wtórnych przebiegaj¹ w podobny sposób.

ALUMINIUM. THE METHODS OF RECEIVING AND RECOVERING FROM THE WASTE MATERIALS

K e y w o r d s

Aluminium, receiving of aluminium, Bayer process, recovery of aluminium

A b s t r a c t

Aluminum belongs to the group of non-ferrous metals which he does not occur in the nature in the native state.

The main ore is bauxite, which that is produced the pure oxide Al

2

O

3

, and after electrolysis aluminum to

metallurgic. Aluminum and his alloys from the regard a good physics-chemical and mechanical properties, and also
low density found the use in many present fields of the technique e.g.: the automotive industry, food, packaging,
electronic, electro technical, building and space.

Primary aluminum is produced from the ore – bauxite. The method which is the most often applied to

production Al

2

O

3

is the Bayer process. However the typical sources of the secondary aluminium are: circulating

scrap, beverage container scrap (UBC), foils, the industrial scrap, shavings and old rolled and cast metal.

In this aim the recovery process is receipt the cleanest metal, and in first order you should clean the scrap. On

this destination leads processes mechanical cleaning and also in the case organics coats their thermal removing.
The processes of the refinement the of liquid metal and casting in the production of aluminum from natural deposits
as that as they salvage from secondary sources runs in the similarly way.

185