De què està fet alumini

L’alumini, un dels metalls més abundants i àmpliament utilitzats a nivell mundial, no es troba en la seva forma pura a la natura. En canvi, existeix en combinació amb altres elements en minerals, que requereixen extracció i processament especialitzats per aïllar -los. Comprendre què es fa alumini de - des de les seves fonts naturals fins a les transformacions químiques i físiques que pateix - proporciona una visió crítica de les seves propietats, producció i significació industrial. Aquest article explora els processos d’origen, composició i fabricació que defineixen l’alumini com a material.
La font natural: mineral de bauxita
El viatge d’alumini comença amb la bauxita, el mineral principal del qual es deriva l’alumini. La bauxita és una roca sedimentària formada per la meteorització de les roques riques d’alumini- (com el granit) en climes tropicals o subtropicals, on les precipitacions elevades i les temperatures càlides allunyen la sílice i altres minerals, deixant òxids d’alumini concentrats.
La composició química de Bauxite està dominada per hidròxids d'alumini, amb components típics que inclouen:
• Gibbsite (al (OH) ₃): l’alumini més comú - que porta el mineral en bauxita, representant el 50–70% de la seva composició en dipòsits de qualitat alts -.
• Boehmite (- Alo (OH)) i Diaspore (- ALO (OH)): Aquests òxids d'alumini hidratats són més freqüents en bauxita de regions més fredes o més seques, que requereixen temperatures de processament més elevades per extreure alumini.
• Impureses: la bauxita sovint conté òxids de ferro (donant -li un color vermellós - color marró), sílice, diòxid de titani (tio₂) i petites quantitats de matèria orgànica. Aquestes impureses s’han d’eliminar durant el processament, ja que poden comprometre la qualitat de l’alumini final.
Les reserves mundials de bauxita es concentren en països com Guinea, Austràlia i la Xina, amb dipòsits que varien en puresa en funció de la seva formació geològica. La bauxita de grau alt - conté un 45-55% d'òxid d'alumini (al₂o₃), cosa que el fa ideal per a una producció eficient d'alumini.
De bauxita a alúmina: el procés de Bayer
Abans que es produeixi metall d'alumini, la bauxita es perfecciona en alumina (òxid d'alumini, al₂o₃) - un producte intermedi blanc i en pols. Aquesta transformació s’aconsegueix mitjançant el procés de Bayer, desenvolupat el 1887 i encara l’estàndard de la indústria actual.
Passos clau del procés de Bayer:
1. Redament i trituració: el mineral de bauxita es tritura en partícules petites (1-2 cm) i es posen a terra en una purina fina per augmentar la superfície de les reaccions químiques.
2.Digestió: la purina es barreja amb solució de pressió de hidròxid de sodi (NaOH) calent i en calent - de pressió (digestors) a 140-280 graus. Això reacciona amb òxids d’alumini en bauxita per formar aluminat de sodi soluble (Naalo₂), mentre que els òxids de ferro i el diòxid de titani es mantenen com a sòlids insolubles:
Al (OH) ₃ + NaOH → Naalo₂ + 2 H₂o
(Gibbsite reacciona amb hidròxid de sodi per formar aluminat de sodi)
3.Clarificació: la barreja es filtra per separar la solució d'alumini de sodi (anomenada "licor embarassada") de les impureses insolubles (conegudes com "fang vermell", principalment òxids de ferro i sílice). El fang vermell es disposa, tot i que els esforços per reciclar -lo (per exemple, per a materials de construcció) estan en curs.
4. Precipitació: el licor embarassada es refreda i s’afegeixen llavors d’hidròxid d’alumini per desencadenar la cristal·lització d’hidròxid d’alumini pur (AL (OH) ₃) partícules:
Naalo₂ + 2 H₂o → al (OH) ₃ ↓ + NaOH
(L’aluminat de sodi reacciona amb l’aigua per formar hidròxid d’alumini i regenerar hidròxid de sodi)
5.Calcinació: l’hidròxid d’alumini s’escalfa fins a 1000–1200 graus en forns rotatius, conduint l’aigua per formar alumina pura (al₂o₃):
2al (oh) ₃ → al₂o₃ + 3 h₂o
L’alumina resultant és del 99,5% pur, amb un punt de fusió elevat (2072 graus), fent -lo adequat per a la producció de metalls d’alumini.
From Alumina a Aluminum Metal: The Hall - Héroult Process
L’alumina en si és un aïllant elèctric, de manera que l’extreure alumini pur requereix fusió i electròlisi. Això s’aconsegueix a través del procés Hall - Héroult, desenvolupat independentment per Charles Hall i Paul Héroult el 1886, que segueix sent l’únic mètode industrial per produir alumini primari.
Passos clau de la sala - Héroult Process:
1. Elaboració d’electrolits: l’alúmina es dissol en criolita fos (Na₃alf₆), un mineral que actua com a dissolvent. La criolita disminueix el punt de fusió de l’alúmina des del 2072 grau fins al 960 grau, reduint els requeriments d’energia. S’afegeixen petites quantitats de fluorur d’alumini (alf₃) i fluorur de calci (CAF₂) per ajustar la viscositat i la conductivitat de l’electròlit.
2. Electròlisi: l'electròlit fos es manté en el gran carboni - poques d'acer folrades (cèl·lules). Un ànode de carboni (elèctrode positiu) es submergeix en l'electròlit i el revestiment de carboni actua com el càtode (elèctrode negatiu). Quan un corrent elèctric (200-500 ka) passa per la cel·la:
◦At el càtode: els ions d'alumini (al³⁺) guanyen electrons i es redueixen al metall d'alumini fos, que s'enfonsa fins a la part inferior de la cèl·lula:
Al³⁺ + 3 e⁻ → al (l)
◦At l’ànode: Els ions d’òxid (o²⁻) perden electrons i reaccionen amb carboni per formar diòxid de carboni:
2O²⁻ + C → Co₂ (g) + 4 e⁻
3. Col·lecció ALUMINUM: Alumini fos (99,7-99,9% pur) es sifona de la cèl·lula periòdicament i es transfereix als forns de retenció.
4. Allotjament (opcional): l’alumini pur s’alien sovint amb altres elements (per exemple, coure, magnesi, silici) per millorar la resistència, la resistència a la corrosió o altres propietats. Per exemple, afegir un 4-5% de coure crea 2024 alumini, utilitzat en aeroespacial.
El procés Hall - héroult és energia - intensiu - produir una tona d'alumini requereix ~ 13 mWh d'electricitat - fent accés a baix - cost, baix {{6} potència de carboni (per exemple, hidroelèctrica) crítica per a una producció sostenible.
Alumini reciclat: un sistema de bucle tancat -
Si bé l’alumini primari deriva de la bauxita, l’alumini reciclat és una altra font important, que representa el ~ 30% del subministrament global d’alumini. L’alumini reciclat està “fabricat a partir d’alumini de ferralla (per exemple, llaunes de begudes, peces d’automòbils, residus de construcció) mitjançant un procés més senzill:
1. Sortir i netejar: la ferralla es ordena per tipus d’aliatge (per evitar la contaminació) i netejar per eliminar pintures, olis o plàstics.
2. Melting: la ferralla neta es fon en forns a ~ 660 graus (molt inferior a la Sala - Héroult Temperatura del procés). Els fluxos o gas inert s’utilitzen per eliminar les impureses com el magnesi o l’hidrogen.
3.Casting: L’alumini reciclat fos es fixa en lingots, llençols o varetes, a punt per a la fabricació.
El reciclatge d’alumini utilitza només el 5% de l’energia necessària per produir alumini primari, sense pèrdua de qualitat. Això fa que l’alumini reciclat sigui un component clau de la producció de metalls sostenible, alineant -se amb els objectius de descarbonització global.
Composició química del metall d'alumini
L’alumini pur (99,9%+ AL) és un metall suau i dúctil, però l’alumini industrial gairebé sempre s’alien per millorar el rendiment. Els elements comuns d’aliatge inclouen:
• Coure (CU): afegit a aliatges de la sèrie 2000 (per exemple, 2024) per augmentar la força mitjançant el tractament tèrmic.
• Magnesi (Mg): utilitzat en aliatges de la sèrie 5000 (per exemple, 5052) per millorar la resistència a la corrosió i la soldabilitat.
• Silici (SI): combinat amb magnesi en aliatges de 6.000 sèries (per exemple, 6061) per formar precipitacions MG₂SI, millorant la força.
• Zinc (Zn): afegit a 7.000 aliatges de la sèrie (per exemple, 7075) amb coure i magnesi per crear els aliatges d’alumini més forts, utilitzats en aeroespacial.
• liti (Li): redueix la densitat en alumini - aliatges de liti (per exemple, 2195), utilitzats en components de coets.
Fins i tot en aliatges, l’alumini continua sent l’element dominant - normalment del 85–99% en pes - amb altres elements presents en proporcions controlades a les propietats de la mida.
Per què la composició importa
La composició d'alumini - ja sigui com a metall pur, aliatge o material reciclat - determina directament el seu rendiment. Per exemple:
• Alt - Purity Alumini (99,99% AL) s'utilitza en conductors elèctrics per a la seva conductivitat.
• 5083 alumini (4,5% de magnesi, 0,7% manganès) resisteix a la corrosió d’aigua salada, cosa que la fa ideal per a aplicacions marines.
• El 3004 reciclat d'alumini (1,2-1,8% de manganès) s'utilitza en llaunes de begudes per a la seva formabilitat i força.
Comprendre què es fa alumini de - de bauxita a aliatges a ferralla reciclada - permet als fabricants seleccionar el material adequat per a les seves necessitats mentre optimitzen la sostenibilitat.
En resum, l'alumini es fa fonamentalment a partir de mineral de bauxita, transformat en alumina mitjançant el procés de Bayer, i després en metall mitjançant el procés Hall - héRoult. L’alumini reciclat, derivat de la ferralla, té un paper cada cop més crític, aprofitant un sistema de bucle baix -, tancat -. La seva composició - ja sigui pura o aliat - dictades les seves propietats, convertint -lo en un material versàtil a través de les indústries. A mesura que la demanda de baixa - materials de carboni creixen, els avenços en el processament de bauxita, l'eficiència de l'electròlisi i el reciclatge perfeccionaran encara més com es fa "l'alumini", garantint el seu paper com a metall sostenible per al futur.