Glin to trzeci najbardziej rozpowszechniony pierwiastek występujący w skorupie ziemskiej (zaraz po krzemie i tlenie). Od jego symbolu (Al) oraz symbolu krzemu (Si) wywodzi się nazwa najbardziej zewnętrznej warstwy globu – sial (współcześnie określanej jako warstwa granitowa). Historia tzw. „srebra z gliny” sięga nawet 2000 lat. Już wtedy można było usłyszeć opowieści o srebrnym metalu, który jeden z rzymskich złotników pokazał cesarzowi Tyberiuszowi. Kolejną historyczną wzmiankę o aluminium datuje się na okres rządów cesarza Napoleona III Bonaparte, który na bankietach podawał jedzenie na aluminiowej zastawie. Oczywiście dotyczyło to tylko najznamienitszych gości, gdyż w tamtym okresie srebro z gliny uważane było za metal rzadszy i droższy od złota. W 1886 roku opracowano metodę produkcji aluminium za pomocą elektrolizy, co zapoczątkowało jego otrzymywanie na skalę przemysłową, a tym samym obniżyło koszty produkcji i doprowadziło do powszechnego wykorzystania. W dzisiejszych czasach aluminium znajduje się praktycznie we wszystkim, co nas otacza. Wykonane są z niego puszki, folie, okna, walizki, pojemniki, kontenery i wiele innych elementów wykorzystywanych w codziennym życiu.
Surowce do produkcji aluminium i ich występowanie
Głównym surowcem wykorzystywanym do przemysłowej produkcji aluminium są rudy boksytu o nieregularnym składzie. Boksyt to ilasta skała osadowa zawierająca uwodnione tlenki glinu, składająca się głównie z bemitów, gibbsytów i diaspor. Powstaje głównie w miejscach wietrzenia skał glinokrzemianowych w klimacie gorącym. Największe złoża o bardzo dużej zawartości Al2O3 (nawet do 60%) eksploatowane są w Zatoce Karpentaria w Australii. Właśnie na tym kontynencie obserwuje się największe wydobycie boksytu (około 30% światowej produkcji), a jego bazę zasobów szacuje się na około 9 000 000 tys. ton (dane z 2009 roku; U.S. Geological Survery, Mineral Comodity Summaries). Kolejne 25% światowej produkcji przypada na Kraje Ameryki Łacińskiej, głównie Jamajkę, Brazylię i Wenezuelę. Bardzo duży udział w wydobyciu ma także Gwinea (około 7%) oraz Chiny (około 25%), które od przeszło 20 lat notują dynamiczny wzrost gospodarczy, stając się najważniejszym graczem (obok Australii) na rynku produkcji aluminium. W Polsce złoża boksytu występują w bardzo małych ilościach w okolicach Nowej Rudy na Dolnym Śląsku.
Produkcja aluminium
Przemysłowym sposobem otrzymywania aluminium jest proces Bayera (otrzymywanie tlenku glinu) połączony z redukcją elektrolityczną w procesie elektrolizy Halla-Heroulta (produkcja aluminium). Al2O3 otrzymywany jest z rud boksytu, dlatego też zakłady przetwórcze zazwyczaj budowane są w pobliżu kopalń. Produkcja tlenku glinu składa się z trzech etapów: ekstrakcji, wytrącania i kalcynacji.
Rudy boksytu bezpośrednio po wydobyciu poddawane są przemywaniu, aby usunąć znajdujące się w nich zanieczyszczenia. Zazwyczaj w tym celu stosowana jest woda. Wstępnie oczyszczony surowiec uzupełniany jest tlenkiem wapnia. Otrzymana w ten sposób mieszanina jest następnie kruszona w młynach rurowych aż do postaci ziaren o bardzo małej średnicy (<300 μm). Tak drobne zmielenie surowca zwiększa jego powierzchnię właściwą, ułatwiając tym samym zachodzenie procesów ekstrakcji. W kolejnym etapie zmielony proszek rozpuszcza się za pomocą wodorotlenku sodu (roztwór wodny sody kaustycznej) i przetrzymuje przez kilka godzin w autoklawach pod dużym ciśnieniem i w podwyższonej temperaturze. Powstający podczas reakcji glinian sodowy oczyszczany jest w wyniku filtrowania roztworu. Następnym etapem procesu Bayera jest krystalizacja. Powoduje ona rozkład roztworu na ług sodowy (roztwór wodny sody kaustycznej) oraz wodorotlenek glinu o bardzo wysokim stopniu czystości. Al(OH)3 jest kolejno odsączany i przemywany wodą. Zużyty ług sodowy jest ogrzewany i zawracany. Końcowym procesem otrzymywaniu tlenku glinu jest kalcynacja. Prowadzona jest ona w piecach obrotowych w temperaturze powyżej 1000oC. W wyniku tego procesu otrzymywany jest czysty tlenek glinu w postaci białego proszku, który następnie transportowany jest do pieców w celu wytopu metalicznego aluminium w procesie elektrolizy Halla-Heroulta.
Uzyskany w procesie Bayera Al2O3 roztapiany jest z kriolitem i poddawany procesowi elektrolizy w temperaturze sięgającej 900oC. Elektrolizery zawierają w sobie katodę węglową, która jest izolowana za pomocą cegieł ogniotrwałych wewnątrz prostokątnego pancerza wykonanego ze stali. Anoda węglowa zawieszona jest na przewodzącej prąd elektryczny belce. Wszystkie elektrolizery w procesie są połączone szeregowo w celu utworzenia tzw. linii potencjału. Prąd stały z anody węglowej przepływa przez kąpiel elektrolityczną i trafia do katody. Przepływ prądu powoduje wydzielanie się na katodzie stopionego glinu, który następnie osadza się na dnie wanny. Z kolei na anodzie wyodrębnia się tlen, który reagując z grafitem, z którego jest ona zbudowana, powoduje powstawanie mieszanki tlenku i dwutlenku węgla. W celu podtrzymania zawartości tlenku glinu na poziomie 2-6% w roztopionej kąpieli, do wanien dodawany jest tlenek glinu, którego dozowanie jest sterowane automatycznie. Czasami też w celu obniżenia temperatury topnienia kąpieli dodaje się związki fluorku (np. fluorek glinu). Stosowanie takich dodatków pozwala na pracę wanien elektrolitycznych w niższej temperaturze. Otrzymywane ciekłe aluminium jest oddzielane od elektrolitu oraz usuwane z komór elektrolitycznych do tygli za pomocą syfonów próżniowych. Następnie tygle przenoszone są do urządzenia odlewniczego, gdzie aluminium jest wprowadzane do rozgrzanych pieców.
Ostatnim etapem produkcji aluminium jest rafinacja, która stosowana jest w celu uzyskania bardzo wysokiej czystości finalnego produktu. W przemyśle stosuje się dwie metody rafinacji: ogniową i elektrolityczną. Rafinacja ogniowa polega na przepuszczaniu chloru przez roztopione aluminium, w wyniku czego zanieczyszczenia wiązane są w postaci chlorków i odprowadzane na zewnątrz układu. Z kolei rafinacja elektrolityczna polega na elektrolizie aluminium stopionego z miedzią. Proces ten przebiega w temperaturze powyżej 750oC, a otrzymany produkt charakteryzuje się większą czystością niż uzyskany metodą rafinacji ogniowej. W przypadku zastosowania topienia strefowego istnieje nawet możliwość otrzymania ultraczystego aluminium o ilości domieszek nie przekraczającej 0,0001%.
Najnowsze trendy i obszary zastosowań aluminium
Aluminium, pomimo tego, że znane jest na świecie od prawie 2000 lat, wciąż jest uważane za jeden z najbardziej innowacyjnych materiałów. Wykorzystuje się je niemal w każdej dziedzinie przemysłu, począwszy od branży energetycznej, poprzez spożywczą, chemiczną (wymienniki ciepła i rurociągi), transportową, aż po zastosowanie w sporcie i rekreacji czy jubilerstwie. Można wręcz pokusić się o stwierdzenie, że aluminium stało się materiałem budowlanym współczesnego świata. Jest to spowodowane tym, że materiał ten posiada niewielkie wymagania konserwacyjne, jest niezwykle lekki, a jego trwałość może być nawet wyższa niż w przypadku konstrukcji stalowych.
Już od dawna w branży automotive obserwuje się trend związany z redukcją wagi konstrukcji, z których wykonane są samochody. Aluminium, dzięki swoim właściwościom, z roku na rok znajduje coraz szersze zastosowanie w tym sektorze. Wykonuje się z niego elementy konstrukcyjne, relingi, a także felgi aluminiowe, doskonale znane ze swojej wytrzymałości i odporności na korozję w porównaniu do ich stalowych odpowiedników. Aluminium, dzięki redukcji masy pojazdów, wpływa też bezpośrednio na emisję szkodliwych czynników do środowiska. Jest to związane z tym, że samochód posiadający niższą masę zużywa mniej paliwa, tym samym emituje do powietrza dużo mniejszą ilość spalin.
Oprócz branży transportowej, aluminium jest coraz szerzej stosowane także w budownictwie, np. przy realizacji projektów nowoczesnych domów jednorodzinnych. Zastosowanie nowatorskich materiałów aluminiowych w elementach takich jak okna, drzwi, czy też balustrady, jest rozwiązaniem zdecydowanie bardziej ekonomicznym. Wiąże się to z większą wytrzymałością i odpornością aluminium na warunki atmosferyczne, w porównaniu do tradycyjnie wykorzystywanego drewna lub PVC.
Innym trendem związanym z aluminium jest wykorzystanie go w projektowaniu wnętrz, ale tym razem nie w roli materiału konstrukcyjnego, a designerskiego. W ostatnich latach obserwuje się ogromne zainteresowanie wykorzystaniem walorów estetycznych tego materiału. Aluminium, dzięki swojej uniwersalności, dominuje obecnie w projektach domów i mieszkań, a także w wykończeniach wielu materiałów użytkowych, takich jak np. dzbanki, czajniki, czy też obudowy laptopów. Dzięki szerokim możliwościom obróbki, takim jak np. szczotkowanie, satynowanie czy wykończenie na wysoki połysk, aluminium daje nieograniczone pole zastosowań i stanowi inspirację dla projektantów i artystów.
Tekst autorstwa pracowników PCC Rokita SA. Wszelkie prawa zastrzeżone.
Odwiedź nasz nowy Portal Produktowy www.products.pcc.eu
