Zpracování hliníku

Tavení

Ačkoli existuje několik způsobů výroby hliníku, pouze jeden se používá komerčně. Devilleův proces, který zahrnuje přímou reakci kovového sodíku s chloridem hlinitým, byl základem výroby hliníku na konci 19. století, ale byl upuštěn ve prospěch úspornějšího elektrolytického procesu. Karbotermický přístup, klasická metoda pro redukci (odstraňování kyslíku z) oxidů kovů, byl po léta předmětem intenzivního výzkumu. To zahrnuje zahřívání oxidu spolu s uhlíkem za vzniku oxidu uhelnatého a hliníku. Velkou lákadlem karbotermického tavení je možnost obejít rafinaci aluminy a začít s rudami nižšího stupně než bauxit a uhlíkem nižším než ropný koks. Přes mnoho let intenzivního výzkumu však nebyl u přístupu Bayer-Hall-Héroult nalezen žádný ekonomický konkurent.

Hall-Héroultova tavení se dnes v zásadě nemění, pokud jde o rozsah a detail od původního procesu. Moderní technologie přinesla podstatná vylepšení vybavení a materiálů a snížila konečné náklady.

V moderní huti je alumina rozpuštěna v redukčních nádobách - hlubokých, pravoúhlých ocelových pláštích obložených uhlíkem - které jsou naplněny roztaveným elektrolytem sestávajícím převážně ze sloučeniny sodíku, hliníku a fluoru nazývaného kryolit.

Prostřednictvím uhlíkových anod je stejnosměrný proud veden elektrolytem do uhlíkové katodové vyzdívky ve spodní části článku. Na povrchu roztavené lázně se tvoří kůra. Alumina se přidává na vrchol této kůry, kde se předehřívá teplem z buňky (asi 950 ° C [1750 ° F]) a její adsorbovaná vlhkost se odvádí. Pravidelně se kůra láme a oxid hlinitý se přivádí do lázně. V novějších buňkách se alumina přivádí přímo do roztavené lázně pomocí automatických dávkovačů.

Výsledkem elektrolýzy je ukládání roztaveného hliníku na dno článku a vývoj oxidu uhličitého na uhlíkové anodě. Asi 450 gramů (1 libra) uhlíku je spotřebováno na každý kilogram (2,2 libry) vyrobeného hliníku. Na každý vyrobený kilogram hliníku se spotřebuje asi 2 kg aluminy.

Proces tavení je nepřetržitý. Periodicky se do lázně přidává další oxid hlinitý, aby se nahradilo spotřebované redukcí. Teplo generované elektrickým proudem udržuje lázeň v roztaveném stavu, takže se čerstvý oxid hlinitý rozpustí. Tavený hliník se periodicky sifonuje.

Protože se během procesu ztrácí nějaký fluorid z kryolitového elektrolytu, přidává se podle potřeby fluorid hlinitý, aby se obnovilo chemické složení lázně. Vana s přebytkem fluoridu hlinitého poskytuje maximální účinnost.

Ve skutečné praxi jsou dlouhé řady redukčních nádob, nazývané Potlines, elektricky zapojeny do série. Normální napětí pro hrnce se pohybuje od 4 do 6 voltů a proudová zátěž se pohybuje od 30 000 do 300 000 ampér. Od 50 do 250 hrnců může tvořit jeden Potline s celkovým síťovým napětím vyšším než 1 000 voltů. Síla je jednou z nejdražších přísad hliníku. Od roku 1900 hledali výrobci hliníku zdroje levné vodní energie, ale museli také postavit mnoho zařízení, která využívají energii z fosilních paliv. Technologický pokrok snížil množství elektrické energie potřebné k výrobě jednoho kilogramu hliníku. V roce 1940 to bylo 19 kilowatthodin. Do roku 1990 množství elektrické energie spotřebované na každý kilogram vyrobeného hliníku kleslo na asi 13 kilowatthodin pro nejúčinnější články.

Roztavený hliník je z buněk sifonován do velkých kelímků. Odtud může být kov nalit přímo do forem pro výrobu slévárenského ingotu, může být převeden do udržovacích pecí pro další rafinaci nebo pro legování s jinými kovy, nebo obojí, za vytvoření ingotu pro výrobu. Jak vyplývá z článku, primární hliník má čistotu 99,8%.

Automatizace a ovládání počítače měly výrazný vliv na operace tavírny. Nejmodernější redukční zařízení využívají plně mechanizované uhlíkové elektrárny a počítačové řízení pro monitorování a automatizaci operací s linkami.

Recyklace

Protože přetavování hliníkového šrotu spotřebuje pouze 5 procent energie potřebné k výrobě primárního hliníku z bauxitu, kovový šrot z výroby plechů, výkovků a výlisků našel cestu zpět do tavicí pece od začátku výroby. Kromě toho, krátce před první světovou válkou, „nový“ šrot vyrobený při výrobě komerčních a domácích výrobků z hliníku shromáždili podnikatelé, kteří zahájili tzv. Sekundární hliníkový průmysl. Chemické složení nového šrotu je obvykle dobře definováno; v důsledku toho se často prodává výrobcům primárního hliníku, aby se přepracovali na stejnou slitinu. „Nový“ šrot je nyní do značné míry doplněn „starým“ šrotem, který vzniká recyklací vyřazených spotřebních výrobků, jako jsou automobily nebo zahradní židle. Protože starý šrot je často špinavý a směs mnoha slitin, obvykle končí litím slitin, které mají vyšší úrovně legujících prvků.

Použité hliníkové nápojové nádoby představují jedinečný typ starého šrotu. Ačkoli těla a víka těchto plechovek jsou vyrobeny z různých hliníkových slitin, obě obsahují hořčík a mangan. V důsledku toho mohou být recyklované nádoby na nápoje použity k přepracování zásob u obou produktů. Energie potřebná k výrobě nápojové plechovky ze šrotu je asi 30 procent energie potřebné k výrobě plechovky z primárního kovu. Z tohoto důvodu představuje recyklace použitých nápojových nádob stále větší zdroj kovů pro výrobce primárních kovů.