Hutnictwo aluminium. W jaki sposób otrzymuje się glin o wysokiej czystości?

Metal ten znany jest powszechnie od ponad 2 tysięcy lat i charakteryzuje się szerokim zastosowaniem technicznym. Do czego zatem możemy go wykorzystać?

W przemyśle glin, znany również pod inną nazwą – aluminium, jest stosowany głównie w postaci stopów z innymi pierwiastkami, co poprawia jego właściwości użytkowe. W takiej formie stanowi uniwersalne tworzywo konstrukcyjne o bardzo wszechstronnym zastosowaniu. Wśród stopów aluminium można wyróżnić między innymi stopy odlewnicze oraz stopy wykorzystywane do obróbki plastycznej. W ich skład oprócz glinu wchodzą takie pierwiastki jak miedź, magnez, krzem oraz mangan. Stopy aluminium stosowane są między innymi w lotnictwie, przemyśle chemicznym, motoryzacyjnym, a nawet przy budowie okrętów.

Aluminium jest również szeroko wykorzystywane w przemyśle w postaci czystej. W takiej formie służy do wytwarzania różnych przedmiotów użytku codziennego, jak np. lustra, puszki na napoje i żywność, naczynia kuchenne lub powszechnie znana folia aluminiowa. Stosowany jest także do produkcji aparatury chemicznej, przewodów elektrycznych, a nawet materiałów wybuchowych. Aby wyizolować ten pierwiastek z rudy boksytu, konieczne jest przeprowadzanie dwóch następujących po sobie etapów. Pierwszy z nich to proces Bayera, który pozwala otrzymać z minerału tlenek glinu. Następnie związek ten jest poddawany elektrolizie, w wyniku czego wytwarzane jest aluminium o czystości technicznej.

Z czego produkuje się aluminium?

Czysty glin nie występuje naturalnie w przyrodzie ze względu na jego zdolność do pasywacji. Zjawisko to polega na utlenianiu się metalu w obecności powietrza, w wyniku czego powstaje pasywna warstwa ochronna na jego powierzchni. W przypadku glinu w pierwszej kolejności pokrywa się on warstwą tlenku glinu (Al₂O₃) o grubości sięgającej kilka nm. Następnie pod wpływem wilgoci zewnętrzna warstwa ulega częściowej hydrolizie, przez co powstaje dodatkowo wodorotlenek, czyli Al(OH)₃.

Glin wchodzi w skład różnych skał mineralnych występujących w przyrodzie w postaci rud. Do produkcji czystego aluminium wykorzystywane są przede wszystkim ilaste rudy boksytu. Powstają one głównie w miejscach wietrzenia skał glinokrzemianowych w gorącym klimacie i zawierają także związki żelaza. Są to skały o charakterystycznym czerwonym lub brunatnym kolorze, które występują w dwóch odmianach: krzemianowej i węglanowej.

Produkcja glinu o czystości technicznej

Glin o czystości technicznej (powyżej 99%) przemysłowo otrzymywany jest w wyniku dwóch następujących po sobie procesów. W pierwszym z nich otrzymywany jest tlenek glinu (proces Bayera), a w kolejnym etapie przeprowadzany jest proces redukcji elektrolitycznej (elektroliza metodą Halla-Heroulta), dzięki której uzyskuje się czyste aluminium. Ze względu na ograniczenie kosztów związanych z transportem rud boksytu, większość zakładów przetwórczych budowanych jest w pobliżu kopalń.

Proces Bayera

Pierwszy etap po wydobyciu rudy to przemywanie za pomocą wody. W ten sposób usuwana jest większość zanieczyszczeń, które są w niej rozpuszczalne. Następnie do tak przygotowanego surowca dodawany jest CaO, czyli tlenek wapnia. Całość kruszona jest za pomocą specjalnych młynów rurowych aż do uzyskania ziaren o bardzo małej średnicy, tj. poniżej 300 μm. Drobne zmielenie surowca jest niezwykle istotne, gdyż zapewnia odpowiednio dużą powierzchnię właściwą ziaren, co z kolei przekłada się na efektywniejsze zachodzenie procesu ekstrakcji.

Kolejny etap produkcji tlenku glinu polega na rozpuszczeniu ziaren za pomocą wodnego roztworu sody kaustycznej. W Grupie PCC wodorotlenek sodu wytwarzany jest metodą elektrolizy membranowej. Tak uzyskany produkt charakteryzuje się niezwykle wysoką jakością i czystością, spełniając przy tym wymagania najnowszego wydania Farmakopei Europejskiej. Mieszanina zawierająca zmielone ziarna oraz wodorotlenek sodu jest przechowywana przez kilka godzin w specjalnych reaktorach zwanych autoklawami. Podczas zachodzącego procesu wytrącania w reaktorach utrzymywane jest wysokie ciśnienie oraz podwyższona temperatura. W ten sposób otrzymywany jest glinian sodowy, który następnie oczyszczany jest przy pomocą różnych filtrów.

W następnym kroku oczyszczony roztwór glinianu sodu ulega rozkładowi. W efekcie otrzymywany jest ług sodowy (jest to roztwór wodny sody kaustycznej) oraz kryształy wodorotlenku glinu o wysokim stopniu czystości. Otrzymany w wyniku krystalizacji osad jest odsączany i przemywany wodą. Z kolei pozostały ług sodowy jest ogrzewany i zawracany do ponownego wykorzystania w procesie.

Ostatnim etapem produkcji tlenku glinu jest kalcynacja. Polega na ogrzewaniu wodorotlenku glinu w temperaturze powyżej 1000^oC, w wyniku czego następuje jego rozkład do Al₂O₃, który otrzymywany jest w postaci czystego białego proszku. Tak przygotowany tlenek glinu transportowany jest do pieców w celu otrzymania metalicznego aluminium w procesie redukcji elektrolitycznej.

Elektroliza tlenku glinu

Kolejnym krokiem w otrzymywaniu czystego glinu jest przeprowadzenie procesu elektrolizy metodą Halla-Heroulta. W pierwszej kolejności otrzymany w procesie Bayera Al₂O₃ jest roztapiany z kriolitem i  tak przygotowany roztwór poddawany jest procesowi elektrolizy w temperaturze nie przekraczającej 900^oC. Uzyskane w ten sposób ciekłe aluminium oddzielane jest od elektrolitu i usuwane z wanien elektrolitycznych za pomocą tzw. syfonów próżniowych. Surowiec trafia następnie do urządzenia odlewniczego, gdzie w dalszym etapie wprowadzany jest do rozgrzanych pieców, w których zachodzi proces rafinacji. Polega on na oczyszczaniu aluminium w celu uzyskania jego jak największej czystości. Glin przemysłowo może być oczyszczany dwiema metodami. Pierwsza z nich polega na roztopieniu aluminium i przepuszczaniu przez nie chloru, dzięki czemu zanieczyszczenia wiązane są w postaci chlorków i usuwane z procesu. Druga metoda polega na elektrolitycznej redukcji aluminium stopionego z miedzią. Otrzymany w ten sposób produkt końcowy charakteryzuje się bardzo wysoką czystością.

Aluminium materiałem przyszłości

Opracowanie metody wytwarzania czystego glinu z boksytu z wykorzystaniem procesu Bayera oraz elektrolizy Halla-Heroulta rozszerzyło zastosowania tego pierwiastka o kolejne możliwości. Ponadto, połączenie wysokiej wytrzymałości z jego lekkością sprawia, że w niektórych aplikacjach może zastępować stal, od której jest tańszy. Odporność na działanie czynników atmosferycznych sprawia, że aluminium jest stosowane do produkcji profili do okien i drzwi. Kolejną zaletą jest możliwość wielokrotnego poddawania go recyklingowi, dzięki czemu jest materiałem stosunkowo przyjaznym środowisku.

Podsumowując, aluminium to niezwykle uniwersalny materiał, szeroko wykorzystywany w branży spożywczej, energetycznej, chemicznej, transportowej, budowlanej, motoryzacyjnej i lotniczej. Z uwagi na jego liczne zalety, zapewne nie jest to koniec możliwości jego wykorzystania i w najbliższej przyszłości będzie nadal zyskiwał na popularności.