توليد آلومينيوم

تولید آلومینیوم: سنگ معدن آلومینیوم را بوکسیت می نامند. بوکسیت در طبیعت به سه شکل اصلی گیبسیت (هیدروکسید آلومینیوم)، بوهمیت و دیاسپور (هیدروکسید و اکسید آلومینیوم) یافت می شود. بهترین شکل بوکسیت که از معادن استخراج می شود، گیبسیت می باشد. بوکسیت با درجات کیفی متفاوتی از معادن استخراج شده و از آن آلومینیوم تولید می شود.

98 درصد بوکسیت استخراجی صرف تولید آلومینا و مابقی در تهیه نسوزها، سیمان و مصارف شیمیایی استفاده می شود.

مراحل و روش های تولید آلومینیوم در ایران

آلومینیوم اولیه طی سه مرحله تولید می شود:

• استخراج سنگ معدن بوکسیت از معادن
• استحصال آلومینا از سنگ معدن بوکسیت
• فرایند الکترولیز  

فرایندهای مختلف الکترولیز آلومینیوم

1- روش الكتروليز كلريد آلومينيوم : در سال 1829 میلادی وهلر آلومينيوم خالص را به وسيله الكتروليز كلريد آلومينيوم در مجاورت پتاسیم توليد نمود . دويل سديم را جانشين پتاسيم نمود كه نتيجه آن ساخت نخستین كارخانه توليد آلومينيوم با ظرفيت بسيار کم بود. اين دو روش بسيار پر هزينه بودند و همين امر باعث شده بود كه آلومينيوم همانند طلا و نقره ارزش پيداكند.

2- روش الكتروترميك : در اين روش اكسيد آلومينيوم توسط كربن در دماي بالاتري از نقطة ذوب  Al2O3 احيا مي گردد. آلومينيومي كه به اين روش توليد مي شود، حاويمقادیری كربن مي باشد. اين عمليات معمولاً در كوره قوسي صورت مي گيرد.                                                                                                                                                                                  Al2O3 + C = Al2 + CO3

 3- روش هال - هرولت : در سال 1886 ميلادي پال هرولت و چارلز هال  بطور مستقل و بدون اطلاع از فعالیت یکدیگر  فرآيندي را كه طي آن آلومينا در كريوليت مذاب حل و به طور الكترو شيميايي تجزيه شده و در نتيجه آلومينيوم مذاب توليد مي گردد را ارائه کردند. تاكنون هيچ راه مناسب تري نتوانسته جايگزين اين فرآيند گردد و امروزه اين روش تنها روش توليد آلومينيوم مي باشد.  این روش ، فرایندی زمان بر بوده و انرژی برق زیادی را مصرف می کند. از همین حیث فلز آلومینیوم تولید شده با این روش گران قیمت تر خواهد بود.

قدم اول در تولید آلومینیوم

جدا از اين سه روش ذكر شده قدم اول در توليد آلومينيوم ، ذوب مجدد است. ابتدا كوره ها را با آلومينيوم مذابي كه مستقيماً از سلول هاي احيا مي آيد و يا با شمشي كه بايد ذوب شود پر مي كنند. عناصر آلياژي اصلي شمش و قراضه آلومینوم افزوده مي شود. فلز مذاب در كوره ذوب مجدد با برداشت سرباره تميز مي شود. همچنين مذاب به منظور حذف هيدروژن گازي حل شده، با گاز كلر گاز زدايي مي شود. پس از گاز زدايي و تميز كردن فلز، با گذاشتن توری سیمی ريخته گري انجام مي شود. انواع شمش ها مثل شمش ورق و شمشال آهنگري معمولاً از طريق ريخته گري مستقيم در قالب فلزي ريخته مي شوند و در اين فرآيند، فلز مذاب را در قالبي كه با آب سرد مي شود مي ريزند. بلافاصله بعد از اينكه انجماد فلز شروع شد انتهاي قالب را پايين مي آورند به طوري كه فلز به صورت مداوم در شمش هايي با حدود 14 فوت طول ريخته شود. محصولات توليد شده در کارخانه های بزرگ آلومينيوم سازی (مثل شرکت آلومینیوم ایران (ایرالکو ) و شرکت آلومینیوم هرمزگان (هرمزال) ) به کمک عمليات شکل دهی نظير: اکستروژن ١، آهنگری ٢ و … به صورت محصولات نيم ساخته به بازار عرضه می شوند.

توليد آلياژ كارپذير آلومينيوم از طريق ريخته گري در فرآيند تبريد مستقيم (DC) :

معمولاً شمش ها را از طريق فرآيند عمودي، كه در آن آلياژ مذاب به داخل يك تا چند قالب ثابت آب سرد شونده كه داراي مقاطع چهار گوش هستند ريخته مي شوند، توليد مي كنند فرآيند انجماد در دو مرحله صورت می گیرد. تشكيل فلز جامد در ديواره سرد شده قالب و انجماد باقي مانده مقطع بيلت از طريق جذب حرارت توسط سرد كننده هاي پاششي. مقطع شمش توليدي مورد نياز براي نورد يا آهنگري بعدي ممكن است به صورت چهارگوش و براي اكستروژن به شكل گرد باشد و در هر دو مورد ممكن است وزن آن ها به چند تن برسد.

همگن كردن شمش ها:

قبل از تبديل شمش هاي DC به محصولات مدنظر و یا شكل هاي واسطه اي، لازم است اين شمش ها را در دماهاي بالا همگن نمود تا جدايش را كاهش داد و مقدار يوتكتيک هاي غير تعادلی نقطه ذوب پايين را كه ممكن است باعث ترك خوردن شمش درحین عمليات های بعدي شود كم كرد. در اين ارتباط مشخص شده است كه مدت زمان همگن كردن در هر دماي معين نسبت معكوس با مجذور فاصله شاخه هاي دندريتي در شمش دارد. عمل همگن كردن مخصوصا در مورد آلياژهاي پر استحكام اهميت زيادي دارد . زيرا اين فرآيند به عنوان عمل رسوب گذاری و توزيع مجدد تركيب های بين فلزي بسيار ريز فلزات واسطه ای نيز به حساب می آید. اين فلزات واسطه در خلال سريع سرد شدن شمش ريختگي DC ممكن است در آلومينيوم به صورت فوق اشباع در آيند كه در آن صورت لازم است به صورت تركيبات ريزي كه يكنواخت توزيع شده اند در آيند تا ساختار دانه اي را كنترل كنند. بعلاوه امروزه مشخص شده است كه اين ذرات ممكن است از طريق تاثير بر روي عكس العمل آلياژ به عمليات پيرسخت كردن و نيز تاثير بر روي ريز ساختار نابجايي هاي تشكيل شده در خلال تغيير شكل تاثير قابل توجهي بر خواص مكانيكي بگذارد.

تنظيم انواع ذرات فوق الذكر، انتخاب دقيق شرايط براي همگن كردن شمش ها در آلياژهاي مختلف را ايجاب مي كند. وقتي كه رسوب اين تركيبات نقش بازي مي كنند در آن صورت هم زمان و هم دما مهم بوده و نرخ گرمايش تا دماي همگن كردن نيز تاثير حياتي دارد. براي انجام جوانه زني و توزيع ريز و يکنواخت اين تركيبات نياز به نرخ گرم كردن نسبتا کم، مثلا 75 درجه سانتیگراد در ساعت است . مشاهده شده است كه اين تركيبات در واقع بر روی سطوح ذرات رسوبي تشكيل شده جوانه زنی كرده و سپس در خلال گرم كردن آهسته تا اندازه هاي نسبتا درشت رشد مي نمايند. وقتي كه اين تركيبات كوچكتر از ميكرون تشكيل شدند در دماي همگن كردن پايدار مي مانند در حالي كه رسوبات حل مي شوند.