Technologia aluminium

Wprowadzenie

Aluminium jest metalem mającym duże zastosowanie techniczne. Ten sam pierwiastek nazywany jest w chemii glinem. Mimo po­wszechności występowania w przyrodzie aluminium otrzymano w po­staci metalicznej dopiero w pierwszej połowie XIX wieku (w Danii, w 1825 r.).

Podstawowym surowcem do produkcji aluminium jest minerał zwany boksytem. Zawiera on do 60% wodorotlenku glinu Al(OH)₃,oraz zanieczyszczenia takimi tlenkami, jak Fe₂0₃, CaO, Si0₂. Jakość boksytu jest oceniana na podstawie składu chemicznego. Im więcej A1₂0₃ znajduje się w boksycie, a mniej Si0₂, tym lepszym jest on surowcem do produkcji aluminium. .

Produkcja aluminium przebiega w dwu odrębnych procesach. Pierwszym z nich jest otrzymywanie czystego tlenku glinu, drugim - otrzymywanie aluminium metodą elektrolityczną.

Metalurgia

Wytwarzanie tlenku glinu

Tlenek glinu przeznaczony do produkcji aluminium metodą elektro­lizy powinien odznaczać się dużą czystością oraz drobnoziarnistością. Istnieje wiele sposobów otrzymywania tlenku glinu. Najbardziej roz­powszechniony jest sposób K. J. Bayera. Jest on szeroko stosowany w przemyśle światowym w przypadku surowców nie zawierających większych ilości krzemionki.

Metoda Bayera polega na oddziaływaniu roztworem wodorotlenku sodu na rozdrobniony boksyt. Zawarty w surowcu wodorotlenek glinu rozpuszcza się w wodorotlenku sodu, tworząc glinian sodowy wg reakcji

2A1(OH)₃ +2NaOH = A1₂0₃Na₂0 +4H2O

Proces rozpuszczania wodorotlenku glinu w wodorotlenku sodu odbywa się, w zamkniętych naczyniach, zwanych autoklawami, pod ciśnieniem kilkuset kPa, w podwyższonej temperaturze. Tworzący się w czasie tej reakcji glinian sodowy rozpuszcza się w roztworze, zanieczyszczenia zaś, jako nierozpuszczalne, pozostają ,w osadzie. W celu oddzielenia osadu od roztworu przepuszcza się go przez filtry pracujące pod ciśnieniem.

Z oczyszczonego roztworu można strącić, czyli wydzielić przez krystalizację, czysty wodorotlenek glinu. W tym celu doprowadza się do roztworu krystaliczny wodorotlenek glinu, który zapoczątkowuje dal­szą krystalizację. Strącony na dno kadzi wodorotlenek glinu po odsączeniu i ponownym przemyciu wodą jest poddawany prażeniu w temperaturze około 1200°C. Proces prażenia można przedstawić równaniem

2A1(OH)₃ =A1₂0₃+3H₂0

Uzyskany czysty tlenek glinu jest materiałem wyjściowym do produkcji aluminium metodą elektrolizy stopionego tlenku glinu z krio­litem.

Elektroliza tlenku glinu

Metaliczne aluminium otrzymuje się metodą elektrolizy stopionego tlenku glinu (Al₂0₃) z kriolitem (AlF₃ • 3 NaF) w urządzeniach zwanych elektrolizerami.

Elektrolizer jest zbudowany w postaci metalowej wanny wyłożonej materiałem ogniotrwałym. Wyłożenie to jest dwuwarstwowe. Warstwa stykająca się z płaszczem metalowym jest wykonana z cegieł szamotowych. Na warstwie szamotowej wspiera się druga - węglowa, stanowiąca jednocześnie elektrodę ujemną, Czyli katodę 2. Prąd jest doprowadzany do tej elektrody prętami metalowymi wprasowanymi w masę węglową. Nad elektrolizerem znajduje się kilkanaście węglo­wych elektrod dodatnich zasilanych prądem przez metalowe pręty, zwykle miedziane lub aluminiowe, niekiedy stalowe. Elektrody węglowe nad wanną stanowią anodę l elektrolizera.

Elektrolitem w procesie wydzielania aluminium jest stopiony wraz z kriolitem tlenek glinu. Częstość elektrolitu jest mniejsza od gęstości właściwej aluminium i z tego powodu wydzielające się na katodzie aluminium jest przykryte stale elektrolitem. Od czasu do czasu jest ono spuszczane z wanny. Na anodzie wydziela się tlen, który utlenia materiał anody. Proces elektrolizy odbywa się w temperaturze 950°C, pod napięciem około 4,5V. Do wytworzenia 1 t aluminium zużywa się ok. 18 000 kW • h energii elektrycznej.

W wyniku elektrolizy tlenku glinu otrzymuje się tzw. aluminium hutnicze zawierające do 1% zanieczyszczeń Zanieczyszczenia występu­jące w tej ilości w aluminium wpływają niekorzystnie na jego własność i z tego powodu aluminium hutnicze poddaje się niekiedy oczyszczaniu, czyli rafinacji.

Rafinacja aluminium

Obecnie są stosowane dwie metody rafinowania aluminium. Jedna polega na przepuszczaniu chloru przez stopiony metal. Powstające w tym czasie chlorki zanieczyszczeń wypływają na powierzchnię metalu w postaci żużla. Druga_. metoda to elektroliza aluminium stopionego z miedzią. Elektrolit w tej metodzie składa się z chlorku baru (BaCl₂), fluorku glinu (A1F3) i fluorku sodu (NaF). Gęstość elektrolitu jest mniejsza od ,gęstości właściwego stopu aluminium z miedzią, a większa od gęstości aluminium. Z tego powodu w elektrolizerze tworzą się trzy warstwy. - •

W elektrolizerze do rafinacji dno wanny jest anodą. Katoda, na której wydziela się oczyszczone aluminium, jest umieszczona u góry wanny lub z boku, w specjalnym kanale. Rafinacja aluminium metodą-elektrolityczną zmniejsza ilość zanieczyszczeń do 0,1 %, niekiedy nawet do 0,01 %.

Zarówno aluminium hutnicze, jak i, rafinowane odlewa się w płyty lub bloki przeznaczone do obróbki plastycznej.

Stopy techniczne

Stopy aluminium

Aluminium odznacza się małym ciężarem właściwym, dobrą przewodnością elektryczną, dobrym przewodnictwem cieplnym. Ponadto z niektórymi metalami tworzy stopy o dobrych własnościach odlewniczych oraz stopy o dobrych^-własnościach plastycznych. Zależnie od stopnia czystości rozróżnia się wiele rodzajów alumi­nium. Aluminium hutnicze, otrzymywane zwykle metodą elektro metalurgiczną, zawiera zazwyczaj zanieczyszczenia przekraczając w sumie 0,5%. Po rafinacji elektrolitycznej ilość zanieczyszczeń w aluminium można zmniejszyć do 0,1 %, niekiedy nawet^-do 0,02%. Głównymi zanieczyszczeniami aluminium są: żelazo, krzem i miedź.

Poprawę własności wytrzymałościowych aluminium można uzyskać , przez zastosowanie zgniotu na zimno lub dodanie odpowiednich składników stopowych. Miedź wprawdzie poprawia znacznie wytrzymałość aluminium na rozciąganie, lecz równocześnie zmniejsza jego zdolność do wydłużania się. Podobnie na własności stopów aluminium wpływa krzem.­

Jako główne składniki stopów aluminiowych należy wymienić miedź i krzem oraz magnez, mangan i cynk. W stopach aluminium spotyka się , również i inne domieszki. Do rzadziej stosowanych w stopach aluminium domieszek zalicza się nikiel, żelazo oraz chrom, kobalt i tytan.

W celu zwiększenia odporności na korozję stopów aluminium stosuje się pokrywanie przedmiotów warstwą tlenków wytwarzanych na ich powierzchni metodą elektrolitycznego utleniania anodowego (eloksalacja). Ponadto stosuje się często platerowanie stopów alumi­nium czystym aluminium, które jest bardziej odporne na korozję niż, jego stopy.

Stopy aluminium z miedzią dają się obrabiać cieplnie, dzięki czemu wzrasta ich wytrzymałość.

Obróbka cieplno chemiczna stali

Aluminiowanie

Aluminiowanie, zwane inaczej aliterowaniem lub kaloryzowaniem, polega na wprowadzeniu glinu do stali. Proces nasycania glinem odbywa się w mieszaninie sproszkowanego aluminium, tlenku alumi­nium i chlorku amonu w temperaturze około 900°C. Grubość warstwy wzbogaconej w glin zależy od czasu trwania procesu. Po 24 godzinach osiąga się warstwę grubości 1 mm, zawierającą około 50% Al.

Aluminiowaniu poddaje się przedmioty przeznaczone do pracy w podwyższonej temperaturze w atmosferze utleniającej. Utworzona na warstwie aluminium warstwa tlenków chroni metal podłoża przed dalszym utlenianiem.

---