Aluminiumindustrin. Hur erhålls högrent aluminium?

Denna metall har varit känd i över 2000 år och kännetecknas av en bred teknisk tillämpning. Så vad kan vi använda det till? Aluminium används inom industrin främst i form av legeringar, vilket förbättrar dess användbara egenskaper. I en sådan form blir det ett universellt konstruktionsmaterial med en mycket mångsidig tillämpning. Bland aluminiumlegeringarna kan gjutlegeringar och legeringar som används för plastformning urskiljas. Förutom aluminium ingår element som koppar, magnesium, kisel och mangan i deras sammansättning. Aluminiumlegeringar används bland annat inom flyg, kemisk industri, fordonsindustri och även inom varvsindustrin. Aluminium används flitigt i industrin även i sin rena form. I sådan form används den för tillverkning av olika föremål för vardagsbruk, såsom speglar, burkar för drycker och mat, köksredskap eller allmänt känd aluminiumfolie. Det används också för tillverkning av kemisk utrustning, elektriska ledningar och till och med sprängämnen. För att isolera detta element från bauxitmalm är det nödvändigt att utföra två steg. Den första av dessa är Bayer-processen, som gör att aluminiumoxid från mineralet kan erhållas. Blandningen utsätts sedan för elektrolys, vilket resulterar i produktion av högrent aluminium.

Vad är aluminium gjort av?

Rent aluminium förekommer inte naturligt i naturen på grund av dess passiveringsförmåga. Detta fenomen involverar oxidation av metall i närvaro av luft, vilket resulterar i ett passivt skyddande skikt på dess yta. När det gäller aluminium beläggs det först med ett lager av aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) med en tjocklek på några nm. Sedan under påverkan av fukt genomgår det yttre skiktet partiell hydrolys, vilket dessutom bildar hydroxid, dvs Al(OH) ₃ . Aluminium är en del av olika mineralbergarter som finns i naturen i form av malmer. För att framställa rent aluminium används främst lerhaltiga bauxitmalmer. De uppträder oftast på platser för vittring av aluminosilikatstenar i ett varmt klimat och innehåller även järnföreningar. De är stenar med en karakteristisk röd eller brun färg, som förekommer i två varianter: silikat och karbonat.

Tillverkning av högrent aluminium

Högrent aluminium (över 99%) erhålls industriellt som ett resultat av två på varandra följande processer. I den första erhålls aluminiumoxid (Bayer-processen), och i nästa steg genomförs en elektrolytisk reduktionsprocess (Hall–Héroult-processen), tack vare vilken ren aluminium erhålls. På grund av minskningen av kostnaderna för transport av bauxitmalm byggs de flesta bearbetningsanläggningar i närheten av gruvorna.

Bayerprocessen

Det första steget efter utvinning av malmen är att tvätta den med vatten. På så sätt avlägsnas de flesta av de vattenlösliga föroreningarna. Sedan tillsätts CaO, eller kalciumoxid, till sådan beredd råvara. Därefter krossas den med speciella rörkvarnar tills kornen har en mycket liten diameter, dvs under 300 μm. Det är extremt viktigt att finmala råmaterialet, eftersom det ger en tillräckligt stor specifik yta av spannmål, vilket i sin tur leder till en mer effektiv utvinningsprocess. Nästa steg i produktionen av aluminiumoxid är upplösningen av korn med en vattenlösning av kaustiksoda. I PCC-gruppen produceras natriumhydroxid genom membranelektrolys. Produkten som erhålls på detta sätt kännetecknas av ovanligt hög kvalitet och renhet, samtidigt som den uppfyller kraven i den senaste upplagan av European Pharmacopoeia. Blandningen som innehåller malda korn och natriumhydroxid lagras i flera timmar i speciella reaktorer som kallas autoklaver. Under fällningsprocessen upprätthålls högt tryck och förhöjd temperatur i reaktorerna. På så sätt erhålls natriumaluminat som sedan renas med olika filter. I nästa steg sönderdelas den renade lösningen av natriumaluminat. Som ett resultat erhålls sodalut (det är en vattenlösning av kaustiksoda) och kristaller av aluminiumhydroxid med hög renhetsgrad. Fällningen erhållen genom kristallisation filtreras sedan och tvättas med vatten. I sin tur värms den kvarvarande sodaluten upp och återvinns för återanvändning i processen. Det sista steget i produktionen av aluminiumoxid är kalcinering. Den består i att värma aluminiumhydroxid till en temperatur över 1000 ^o C, vilket resulterar i dess sönderdelning till Al ₂ O ₃ , som erhålls i form av ett rent vitt pulver. Aluminiumoxid framställd på detta sätt transporteras till ugnar för att erhålla metalliskt aluminium i den elektrolytiska reduktionsprocessen.

Elektrolys av aluminiumoxid

Nästa steg för att erhålla rent aluminium är att genomföra elektrolysprocessen med Hall–Héroult-metoden. Först smälts Al ₂ O ₃ som erhålls i Bayer-processen med kryolit och genomgår sedan elektrolys vid en temperatur som inte överstiger 900°C. Det på detta sätt erhållna flytande aluminiumet separeras från elektrolyten och avlägsnas från elektrolytbaden med hjälp av de så kallade vakuumhävertarna. Råmaterialet skickas sedan till ett gjuteri, där det sedan förs in i uppvärmda ugnar där raffineringsprocessen äger rum. Den består av att rena aluminium för att få maximal renhet. Aluminium kan renas industriellt med två metoder. Den första består av att smälta aluminium och leda klor genom det, tack vare vilket föroreningar binds i form av klorider och avlägsnas från processen. Den andra metoden involverar elektrolytisk reduktion av aluminium – kopparlegering. Slutprodukten som erhålls på detta sätt kännetecknas av mycket hög renhet.

Aluminium – framtidens material

Utvecklingen av en metod för framställning av rent aluminium från bauxit med Bayer-processen och Hall-Héroult-elektrolys har utökat användningen av detta element. Dessutom, på grund av kombinationen av hög hållfasthet och lätthet hos aluminium, kan det i vissa applikationer ersätta dyrare stål. Dessutom används aluminium för att tillverka fönster- och dörrprofiler på grund av dess motståndskraft mot väderförhållanden. En annan fördel är möjligheten att det kan återvinnas upprepade gånger, vilket gör det till ett relativt miljövänligt material. Sammanfattningsvis är aluminium ett extremt mångsidigt material som används i stor utsträckning inom livsmedels-, energi-, kemi-, transport-, bygg-, fordons- och flygindustrin. På grund av dess många fördelar har omfattningen av dess användning förmodligen inte uttömts ännu och aluminium kommer att fortsätta att vinna i popularitet inom en snar framtid.