Aluminiul ajunge pe piață printr-un lanț de patru operațiuni foarte diferite: rafinarea minereului în alumină pură, reducerea aluminei la metal topit, turnarea metalului în material semi-fabricat și modelarea acelui stoc în piese finite. Fiecare etapă are propriul său bilant de materiale, cererea de energie și controale de calitate, iar parametrii stabiliți în etapele incipiente determină ceea ce este realizabil în aval.
Rafinarea bauxitei în alumină
Lanțul începe cu bauxită, un minereu lateritic bogat în oxizi de aluminiu hidratați. Procesul Bayer dizolvă minereul în hidroxid de sodiu fierbinte sub presiune, transformând mineralele purtătoare de aluminiu în aluminat de sodiu solubil, în timp ce compușii purtători de fier, titan și silice rămân insolubili. Acest reziduu, cunoscut sub numele de noroi roșu, este filtrat și depozitat în iazuri de izolare proiectate datorită alcalinității și volumului său ridicat.
Lichiorul de aluminat de sodiu limpezit este răcit și însămânțat în rezervoare de precipitare, unde hidroxidul de aluminiu cristalizează în decurs de câteva zile. Cristalele sunt spălate și apoi calcinate în cuptoare rotative la aproximativ 1.000 C pentru a îndepărta apa legată chimic, producând alumină anhidră (Al2O3).
Echilibrul material este cel mai clar mod de a aprecia amploarea acestui pas. Aproximativ 4 până la 5 tone de bauxită sunt consumate pentru a produce 2 tone de alumină, iar rafinarea este una dintre etapele cele mai consumatoare de energie ale întregului lanț. Conținutul de silice din minereu este principalul factor de cost, deoarece siliciul reactiv consumă sodă caustică și crește consumul atât de alcalii, cât și de energie.
Topirea în celulele Hall-Heroult
Alumina este transformată în aluminiu metalic prin reducerea electrolitică în celulele căptușite cu carbon. Alumina este dizolvată în criolitul topit la aproximativ 950 C, ceea ce scade temperatura de lucru la un nivel care este practic pentru funcționare continuă, menținând electrolitul conductiv.
Anozii de carbon se scufundă în baie și sunt consumați continuu, eliberând dioxid de carbon pe măsură ce oxigenul din alumină se combină cu carbonul. Curentul continuu în intervalul de la 150.000 la 300.000 de amperi pe linie celulară desparte legătura de oxigen din aluminiu, iar aluminiul topit, fiind mai dens decât baia, se adună în partea de jos a celulei. Metalul este sifonat la fiecare 24 până la 48 de ore și transferat în oală în casa de turnare.
Consumul de energie este costul de operare dominant. O celulă modernă consumă aproximativ 13 până la 15 kWh per kilogram de aluminiu produs, iar anozii și căptușeala celulei sunt consumabile care trebuie înlocuite într-un ciclu planificat. Acesta este motivul pentru care topitoriile sunt situate acolo unde electricitatea este atât ieftină, cât și stabilă și de ce câștigurile incrementale ale eficienței actuale se traduc direct în costuri și performanță a carbonului.
Turnare și rulare în produse semi-finite
Metalul lichid este transformat în material semi-finisat în casa de turnare. Turnarea cu răcire directă (DC) produce plăci rulante de până la aproximativ 30 de tone pentru produse plate, împreună cu țagle de extrudare pentru produsele lungi. Parametrii de turnare, în special viteza de răcire, controlează structura lingoului și cantitatea de segregare care trebuie îndepărtată ulterior.
Omogenizare:plăcile sunt menținute la 500 până la 600 C pentru cicluri de 8 până la 24 de ore pentru a dizolva și redistribui elementele segregate și pentru a uniformiza structura pentru rulare.
Laminare la cald:grosimea este redusă de la aproximativ 600 mm până la 2 până la 10 mm într-o moară inversată prin treceri multiple la temperatură ridicată.
Laminare la rece:bobina laminată la cald este redusă în continuare la calibre precise, până la aproximativ 0,006 mm pentru folie, cu toleranța de grosime menținută în aproximativ plus sau minus 3 procente.
Recoacere intermediara:se aplică o recoacere de 350 C între etapele de laminare la rece pentru a restabili ductilitatea, astfel încât să fie posibilă o reducere suplimentară fără fisurarea marginilor.
Controlul ecartamentului, planeitatea și curățenia suprafeței sunt monitorizate continuu în această etapă, deoarece un defect de rulare nu poate fi corectat ulterior în lanțul procesului.
Metode de modelare și formare
Stocul semi-finisat este transformat în geometrie finită printr-unul din mai multe rute, fiecare potrivit cu dimensiunea piesei, toleranța și volumul de producție:
extrudare:țaglele încălzite la aproximativ 500 C sunt împinse printr-o matriță la presiuni de până la aproximativ 100 MPa, producând profile lungi cu secțiune transversală constantă pentru construcție, transport și utilizare electrică.
Forjare cu matriță închisă:metalul fierbinte este modelat între matrițele potrivite, astfel încât fluxul de cereale să urmeze traseul sarcinii, motiv pentru care componentele forjate de suspensie și direcție suportă sarcini mari de oboseală.
Turnare sub presiune de înaltă presiune:metalul topit este injectat în matrițele de oțel la presiuni peste aproximativ 70 MPa, dând piese cu pereți subțiri, aproape de formă netă, pentru carcase și suporturi la viteze de ciclu mari.
Ambulare adâncă:foaia este trasă în cupe și apoi redesenată pentru a face cutii de băuturi fără sudură și recipiente similare cu pereți subțiri.
Fabricare aditivă:Topirea selectivă cu laser construiește suporturi complexe și miezuri de schimbător de căldură strat cu strat, o cale folosită în cazul în care uneltele convenționale ar fi nepractice.
Tratarea suprafeței și finisarea
Finisarea determină modul în care piesa funcționează în funcționare și cât timp își păstrează aspectul.
Anodizare:un proces electrolitic care crește un strat de oxid poros de până la 25 de microni grosime, utilizat pentru profile arhitecturale și produse de larg consum unde duritatea și rezistența la intemperii contează.
Acoperire cu pulbere:un strat de polimer aplicat electrostatic, întărit la aproximativ 200 C, dând culoare durabilă și rezistență la intemperii în aer liber.
Acoperire de conversie:o peliculă chimică subțire care îmbunătățește aderența vopselei și adaugă protecție împotriva coroziunii fără a modifica dimensiunile, utilizată pe scară largă pentru componente aerospațiale și auto.
Lustruire și periere mecanică:produce suprafețe decorative și cu frecare redusă pentru aplicații arhitecturale și de electrocasnice.
Texturare cu laser:creează microcaneluri controlate care îmbunătățesc reținerea lubrifiantului pe suprafețele de alunecare și uneltele de formare.
Întrebări frecvente
Î: Câtă bauxită este necesară pentru a face alumină?
Ca cifra de lucru, se consumă 4 până la 5 tone de bauxită pentru a produce 2 tone de alumină. Raportul exact depinde de conținutul de alumină disponibil al minereului și de cantitatea de silice reactivă care trebuie respinsă în timpul digestiei.
Î: Ce este noroiul roșu și de ce este depozitat în iazuri?
Namolul rosu este reziduul insolubil ramas dupa digestia bauxitei, alcatuit din compusi cu fier, titan si silice impreuna cu alcalii reziduale. Alcalinitatea și volumul său necesită o izolare proiectată și este principalul element de management de mediu al etapei de rafinare.
Î: De ce este folosit criolitul în topirea aluminiului?
Criolitul dizolvă alumina și permite reducerea la aproximativ 950 C, cu mult sub punctul de topire al aluminei pure. Această temperatură mai scăzută este ceea ce face ca electroliza industrială continuă să fie practică.
Î: Câtă energie electrică necesită topirea?
O celulă modernă de reducere consumă aproximativ 13 până la 15 kWh per kilogram de aluminiu, ceea ce face ca costul energiei și stabilitatea energiei să fie factori decisivi în locația topitorii.
Î: Care este diferența dintre laminarea la cald și laminarea la rece?
Laminarea la cald reduce grosimea plăcii de la aproximativ 600 mm la 2 până la 10 mm la temperatură ridicată, unde metalul este moale și reducerile pe trecere pot fi mari. Laminarea la rece duce apoi bobina la ecartamentul final, până la aproximativ 0,006 mm, cu o toleranță mult mai strânsă la grosime și un finisaj mai bun al suprafeței.
Î: Ce proces de modelare ar trebui să fie ales pentru o anumită piesă?
Extrudarea se potrivește profilelor cu secțiune transversală constantă, forjarea se potrivește pieselor portante care necesită un flux favorabil de cereale, turnarea sub presiune se potrivește carcaselor cu pereți subțiri în volum mare, ambutisarea adâncă se potrivește containerelor fără sudură și fabricarea aditivă se potrivește geometriilor complexe cu volum redus.
