Алуминият достига до пазара чрез верига от четири много различни операции: рафиниране на рудата в чист алуминиев оксид, редуциране на този алуминиев оксид до разтопен метал, отливане на метала в полу{0}}обработен материал и оформяне на този материал в завършени части. Всеки етап има собствен материален баланс, потребление на енергия и контрол на качеството, а параметрите, зададени в ранните етапи, определят какво е постижимо надолу по веригата.
Рафиниране на боксит в двуалуминиев оксид
Веригата започва с боксит, латеритна руда, богата на хидратирани алуминиеви оксиди. Процесът на Байер разтваря рудата в горещ натриев хидроксид под налягане, превръщайки минералите, съдържащи алуминий, в разтворим натриев алуминат, докато съединенията, съдържащи желязо, титан и силициев диоксид, остават неразтворими. Този остатък, известен като червена кал, се филтрира и съхранява в проектирани водоеми поради алкалността и големия си обем.
Избистрената течност от натриев алуминат се охлажда и се засява в резервоари за утаяване, където алуминиевият хидроксид кристализира в продължение на няколко дни. Кристалите се промиват и след това се калцинират в ротационни пещи при около 1000 C, за да се отстрани химически свързаната вода, като се получава безводен двуалуминиев оксид (Al2O3).
Материалният баланс е най-ясният начин да се прецени мащабът на тази стъпка. Приблизително 4 до 5 тона боксит се изразходват за производството на 2 тона двуалуминиев оксид, а рафинирането е един от най-енергоемките етапи от цялата верига. Съдържанието на силициев диоксид в рудата е основният двигател на разходите, тъй като реактивният силициев диоксид консумира сода каустик и увеличава потреблението както на алкали, така и на енергия.
Топене в Hall-Heroult Cells
Двуалуминиевият оксид се превръща в метален алуминий чрез електролитна редукция в облицовани с въглерод клетки. Двуалуминиевият оксид се разтваря в разтопен криолит при около 950 C, което понижава работната температура до ниво, което е практично за продължителна работа, като същевременно поддържа проводимостта на електролита.
Въглеродните аноди се потапят във ваната и се консумират непрекъснато, освобождавайки въглероден диоксид, докато кислородът от алуминиевия оксид се комбинира с въглерода. Правият ток в диапазона от 150 000 до 300 000 ампера на клетъчна линия разделя алуминиевата кислородна връзка и разтопеният алуминий, тъй като е по-плътен от ваната, се събира на дъното на клетката. Металът се изцежда на всеки 24 до 48 часа и се прехвърля в кофи в леярската къща.
Консумацията на енергия е доминиращият експлоатационен разход. Една модерна клетка консумира приблизително 13 до 15 kWh на килограм произведен алуминий, а анодите и облицовката на клетката са консумативи, които трябва да се сменят при планиран цикъл. Ето защо топилните заводи се намират там, където електричеството е едновременно евтино и стабилно, и защо допълнителните печалби в текущата ефективност се превръщат директно в разходи и въглеродни показатели.
Леене и валцоване в полу{0}}завършени продукти
Течният метал се превръща в полу{0}}готов материал в леярската къща. Леенето с директно охлаждане (DC) произвежда валцувани плочи до около 30 тона за плоски продукти, заедно с екструдирани заготовки за дълги продукти. Параметрите на леене, по-специално скоростта на охлаждане, контролират структурата на блока и количеството сегрегация, което трябва да бъде отстранено по-късно.
Хомогенизиране:плочите се държат при 500 до 600 C за цикли от 8 до 24 часа, за да се разтворят и преразпределят отделените елементи и да се направи структурата еднородна за валцуване.
Горещо валцуване:дебелината се намалява от около 600 mm до 2 до 10 mm в реверсивна мелница чрез множество преминавания при повишена температура.
Студено валцуване:горещо валцуваната рулона е допълнително намалена до точни габарити, до около 0,006 mm за фолио, с толеранс на дебелината, поддържан в рамките на около плюс или минус 3 процента.
Междинно отгряване:между етапите на студено валцуване се прилага отгряване при 350 C, за да се възстанови пластичността, така че да е възможно по-нататъшно намаляване без напукване на ръба.
Контролът на габарита, плоскостта и чистотата на повърхността се наблюдават непрекъснато на този етап, тъй като дефектът при валцоване не може да бъде коригиран по-късно във веригата на процеса.
Методи за оформяне и оформяне
Полу{0}}заготовката се преобразува в завършена геометрия по един от няколко маршрута, всеки съобразен с размера на частта, толеранса и производствения обем:
Екструдиране:заготовките, загряти до около 500 C, се избутват през матрица при налягания до приблизително 100 MPa, произвеждайки дълги профили с постоянно напречно сечение за строителство, транспорт и електрическа употреба.
Коване в затворена матрица:горещ метал се оформя между съвпадащи матрици, така че потокът на зърното да следва пътя на натоварването, поради което кованите компоненти на окачването и кормилното управление носят високи натоварвания на умора.
Леене под високо налягане:стопеният метал се инжектира в стоманени матрици при налягания над около 70 MPa, като се получават части с тънки стени, почти чиста форма за корпуси и скоби при високи скорости на цикъла.
Дълбоко изтегляне:листът се изтегля в чаши и след това се преначертава, за да се направят безшевни кутии за напитки и подобни контейнери с тънки стени.
Адитивно производство:селективното лазерно топене изгражда сложни скоби и ядра на топлообменника слой по слой, път, използван там, където конвенционалните инструменти биха били непрактични.
Повърхностна обработка и довършителни работи
Довършителната обработка определя как частта се представя в експлоатация и колко дълго запазва външния си вид.
Анодиране:електролитен процес, при който се образува порест оксиден слой с дебелина около 25 микрона, използван за архитектурни профили и потребителски продукти, където твърдостта и устойчивостта на атмосферни влияния имат значение.
Прахово боядисване:електростатично нанесен полимерен слой, втвърден при около 200 C, придаващ траен цвят и устойчивост на външни атмосферни влияния.
Конверсионно покритие:тънък химически филм, който подобрява адхезията на боята и добавя защита от корозия без промяна на размерите, широко използван за аерокосмически и автомобилни компоненти.
Механично полиране и четкане:произвеждат декоративни повърхности с ниско триене за архитектурни и уредни приложения.
Лазерно текстуриране:създава контролирани микро канали, които подобряват задържането на смазка върху плъзгащи се повърхности и инструменти за формоване.
Често задавани въпроси
Въпрос: Колко боксит е необходим за производството на двуалуминиев оксид?
Като работна цифра, 4 до 5 тона боксит се консумират за производството на 2 тона алуминиев оксид. Точното съотношение зависи от наличното съдържание на алуминиев оксид в рудата и от това колко реактивен силициев диоксид трябва да бъде отхвърлен по време на смилането.
Въпрос: Какво е червена кал и защо се съхранява в езера?
Червената кал е неразтворимият остатък, останал след смилането на боксит, съставен от съединения, съдържащи желязо, титан и силициев диоксид, заедно с остатъчни алкали. Неговата алкалност и обем изискват инженерно задържане и това е основният елемент за управление на околната среда на етапа на рафиниране.
Въпрос: Защо криолитът се използва при топенето на алуминий?
Криолитът разтваря алуминиевия оксид и позволява редукцията да протича при около 950 C, доста под точката на топене на чистия алуминиев оксид. Тази по-ниска температура е това, което прави непрекъснатата промишлена електролиза практична.
Въпрос: Колко електричество изисква топенето?
Една модерна редуцираща клетка консумира около 13 до 15 kWh на килограм алуминий, което прави цената на електроенергията и стабилността на мощността решаващи фактори при местоположението на топилната фабрика.
В: Каква е разликата между горещо и студено валцуване?
Горещото валцуване намалява дебелината на плочата от около 600 mm до 2 до 10 mm при повишена температура, където металът е мек и намаленията на един проход могат да бъдат големи. След това студеното валцуване довежда намотката до крайния размер, до около 0,006 mm, с много по-строг толеранс на дебелината и по-добро покритие на повърхността.
Въпрос: Кой процес на оформяне трябва да бъде избран за дадена част?
Екструзията е подходяща за профили с постоянно напречно сечение, коването е подходящо за носещи части, които се нуждаят от благоприятен поток на зърното, леенето е подходящо за корпуси с тънки стени в голям обем, дълбокото изтегляне е подходящо за безшевни контейнери, а адитивното производство е подходящо за сложни геометрии с малък обем.
