آلومینیم و آلیاژهای آن

استخراج آلومینیوم

تعداد بازدید: 15519
کد مطلب: 7733
تاریخ انتشار: 15:27 22 خرداد 1391

استخراج آلومینیوم

 
 

برای بررسی آلومینیم و آلیاژهای آن (Aluminium & Aluminium Alloys) ابتدا به تاریخچه آن پرداخته می شود. آلومینیم در سال 1855 برای نخستین بار در کشور فرانسه  و به روش احیا کلرید آلومینیم با سدیم تهیه شد. مصرف نظامی این عنصر سبب گردید که این فلز مورد توجه قرار گیرد. در سال 1886، هال (Hall) در آمریکا و هرولت (Heroult) در فرانسه به طور مستقل از هم به روشی اقتصادی برای تولید آلومینیم دست یافتند. ابداع این روش جدید منجر به کاهش قابل ملاحظه قیمت آلومینیم شد که در نتیجه آن در عرض دو سال بعد قیمت آلومینیم به هر کیلو 4 دلار افت پیدا کرد. از این پس لزوم تولید آلومینیم به عنوان یک فلز کاربردی تجاری، به در دسترس بودن مقادیر زیاد انرژی برق ارزان قیمت منوط شد.

 
 

آلومینیم از کانی بوکسیت استخراج می شود که حاوی 40 الی 60 درصد آلومینای هیدراته به همراه اکسید آهن، سیلیس و تیتان است. این اسم از نام les Baux، ناحیه ای در فرانسه که اولین بار این سنگ معدن را از آنجا استخراج کردند، گرفته شده است. بوکسیت از هوازدگی سنگ هایی مانند گرانیت و بازالت که حاوی مقادیر زیادی از آلومینیم هستند، ایجاد می شود. بزرگترین منابع این کانی در مناطق گرمسیر مانند شمال استرالیا، گینه و برزیل است. ذخایر بوکسیت با عیار بالا و مقادیر کم سیلیس عمر طولانی ندارند و برای استفاده از بوکسیت با مقادیر زیاد سیلیس، باید از روش فلوتاسیون استفاده کرد که استفاده از روش فلوتاسیون به بهای این فلز می افزاید.

در خاک رس، سنگ های رسی و سایر مینرال ها مقادیر بسیار زیادی آلومینیم وجود دارد ولی استخراج آن از این مواد مشکل و غیر اقتصادی است. یک استثنا در این مورد کشور روسیه است که در آن ذخایر بوکسیت پرعیار موجود نیست و چند کارخانه تولیدی در مناطقی دور از منابع این سنگ معدن وجود دارد.

برای تولید آلومینیم از کانی بوکسیت باید از دو مرحله مجزا استفاده کرد:

1- تولید آلومینا (اکسید آلومینیم)

 2-استخراج آلومینیم از آلومینا.

برای تهیه آلومینا از بوکسیت از روش بایر استفاده می شود. در روش بایر، بوکسیت را در سود غلیظ و در دمای 240oC حل می کنند. ناخالصی های اکسید آهن و سیلیکا به صورت لجن قرمز رسوب کرده و به وسیله فیلتر کردن از محلول جدا می شوند. بلورهای تری هیدرات آلومینیم را به عنوان جوانه های اولیه به محلول اضافه می کنند و مطابق رابطه زیر سود و تری هیدروکسید آلومینیم تولید می شوند. 

سود بازیافت شده از مرحله فوق مجددا به ابتدای خط باز می گردد و مورد استفاده قرار می گیرد. برای تهیه آلومینا از هیدروکسید آلومینیوم باید تکلیس صورت بگیرد. تکلیس هیدروکسید آلومینیوم  در دمای 1200 درجه سانتی گراد انجام گرفته که در نتیجه آن، آب ساختاری آن خارج شده و پودر آلومینا تهیه می شود.

در مرحله دوم، آلومینا را در کریولیت مذاب (Na2ALF6) حل می کنند. نمونه ای از ترکیب این محلول، دارای 80 الی 90 درصد کریولیت و 2 الی 8 درصد آلومینا به همراه فلورایدهای آلومینیوم و کلسیم است. از طریق فرآیند الکترولیز از این محلول، آلومینیم بدست می آید.

مکانیزم واکنش الکترولیتی در سلول هنوز مشخص نیست، ولی گمان می رود که یون های Na+، AlF4-، AlF63- و یون های پیچیده تری مانند AlOF32- حامل جریان برق باشند. یون های فلوراید آلومینیوم و یون های فلوئور در کاتد و یون های پیچیده تر در آند تجمع می کنند. واکنش آند به شکل زیر است:

 
 
 

پس از استخراج آلومینیم اولین قدم، ذوب مجدد آن است. برای انجام این مرحله، آلومینیوم مذاب بدست آمده از سلول های احیاء در کوره ریخته و عناصر آلیاژی و قراضه را به آن می افزایند. در این کوره فلز مذاب با برداشت سرباره تمیز می شود.

مهم ترین عواملی که منجر به افزایش کیفیت شمش تولیدی می شوند، عبارتند از:

- مخلوط شدن اجزای آلیاژ

- گاز زدایی مناسب برای حذف سرباره ها، اکسیدها، گازها و سایر ناخالصی های غیر فلزی

گاززدایی اهمیت بسزایی در کیفیت نهایی شمش دارد، زیرا، هیدروژن تنهای گازی است که میزان حلالیت آن در آلومینیم قابل اندازه گیری است. میزان حلالیت تعادلی این گاز در مذاب و جامد آلومینیم در نقطه ذوب و در فشار یک اتمسفر به ترتیب برابر با 0.68 و 0.036 سانتی متر مکعب در 100 گرم فلز است. در حین انجماد، هیدروژن اضافی، به صورت گاز مولکویی در می آید که ممکن است در ساختار جامد به دام افتاده و منجر به ایجاد تخلخل شود. برای جلوگیری از تشکیل تخلخل مقدار هیدروژن در مذاب آلومینیم به کمتر از 0.15 سانتی متر مکعب در 100 گرم کاهش یابد.

برای گاز زدایی می توان از گازهای نیتروژن، آرگون، کلر و یا مخلوط این گازها یا از هیدروژن کربن کلر دار جامد استفاده کرد. ولی معمولا در تمامی موارد مقداری گاز کلر استفاده می شود، زیرا این گاز نقش مهمی در خارج کردن آخال ها از طریق سرباره گیری ایفا می کند. مشکل استفاده از گاز کلر، آلودگی محیط زیست است. راه حل ارائه شده برای این مسئله، استفاده از روش ابداعی شرکت آلومینیم انگلستان است که به فرآیند گاززدایی بدون دود مداوم یا FILD معروف است.

برای تولید ساختار یکنواخت شمش از فرآیندهای تبرید جهت دار و نیمه مداوم استفاده می شود. تهیه شمش ها معمولا به وسیله روش عمودی صورت می گیرد. مقاطع کوچک تر توسط روش افقی تهیه می شوند که در این روش کنترل اندازه دانه دشوار است. در شکل روبرو این دو روش نمایش داده شده اند.

قالب های متحرک، ریخته گری آلیاژهای آلومینیم را متحول کرده و امکان تولید اشکالی نزدیک به محصول نهایی را ایجاد نموده است. از جمله این روش ها می توان به روش ریخته گری میله و ورق اشاره کرد.

 

ریخته گری عمودی و افقی

پس از تهیه شمش، باید عملیات همگن کردن انجام گیرد. همگن سازی برای آلیاژ های پر استحکام از  اهمیت بالایی برخوردار است زیرا رسوب گذاری و توزیع ترکیبات بین فلزی مانند MnAl6، Al12Mg2Cr و ZrAl3 در این مرحله صورت می گیرد. بنابراین، زمان، دما و نرخ گرم کردن تا دمای همگن سازی اهمیت بسزایی بر خواص محصول دارد. برای جوانه زنی و توزیع یکنواخت این ترکیبات، سرعت گرم کردن در حدود 75 درجه سانتی گراد بر ساعت است.

 
 

يكي از تقسيم‌ بندي هاي متداول در جهان، استاندارد انجمن آلومينيوم آمريكا مي‌باشد. در اين استاندارد آلياژهاي آلومينيوم عموماً به دو گروه طبقه‌بندي مي‌گردند:

الف) گروه آلياژهاي ريختگي (Casting Alloys)

آلياژهاي ريختگي آلومينيوم ـ سيليسيوم از مهم‌ترين آلياژهاي ريختگي تجاري آلومينيوم مي‌باشد. آلياژهاي مذكور حدود 90% ـ 85% از قطعات ريختگي آلومينيوم را تشكيل مي‌دهند. اين آلياژها سياليت عالي، خاصيت مذاب رساني (تغذيه) عالي در طي انجماد، قابليت ريخته‌گري و مقاومت به خوردگي خوب و همچنين قابليت ماشين‌كاري و جوشكاري مطلوب مي‌باشد. كاربرد آلياژهاي ريختگي عموماً در قطعات اتومبيل نظير سيلندر، رينگ چرخ، اتصالات اتومبيل، جعبه دنده و قطعات هواپيما مي‌باشد.

ب) گروه آلياژهاي نوردي (Wrought Alloys)

اينگونه آلياژها براي اشكال و يا ورق نورد شده، فورجينگ (آهنگري) و اكستروژن به كار مي‌روند. گروه‌هاي آلياژهاي نوردي با يك عدد چهاررقمي مشخص مي‌گردند. اولين رقم، گروه آلياژهاي A1يا خلوص A1را معين مي‌سازد و رقم دوم، اصلاح آلياژ اوليه و يا محدوديتهاي ناخالصي را مشخص مي‌كند. با عنايت به كاربرد فراوان آلياژهاي گروه 6000 در اكسترود و توليد پروفيل آلومينيوم در اين مقوله صرفاً به بررسي مختصري از اين گروه آلياژي پرداخته مي‌شود...ادامه

 
 

Aluminium alloys are alloys in which aluminium (Al) is the predominant metal. The typical alloying elements are copper, magnesium, manganese, silicon and zinc. There are two principal classifications, namely casting alloys and wrought alloys, both of which are further subdivided into the categories heat-treatable and non-heat-treatable. About 85% of aluminium is used for wrought products, for example rolled plate, foils and extrusions. Cast aluminium alloys yield cost effective products due to the low melting point, although they generally have lower tensile strengths than wrought alloys. The most important cast aluminium alloy system is Al-Si, where the high levels of silicon (4.0% to 13%) contribute to give good casting characteristics. Aluminium alloys are widely used in engineering structures and components where light weight or corrosion resistance is required. Alloys composed mostly of the two lightweight metals aluminium and magnesium have been very important in aerospace manufacturing since somewhat before 1940. Aluminium-magnesium alloys are both lighter than other aluminium alloys and much less flammable than alloys that contain a very high percentage of magnesium. Aluminium alloy surfaces will keep their apparent shine in a dry environment due to the formation of a clear, protective layer of aluminium oxide. In a wet environment, galvanic corrosion can occur when an aluminium alloy is placed in electrical contact with other metals with more negative corrosion potentials than aluminium. Aluminium alloy compositions are registered with The Aluminum Association. Many organizations publish more specific standards for the manufacture of aluminium alloy, including the Society of Automotive Engineers standards organization, specifically its aerospace standards subgroups, and ASTM International...more

 
 

Pure aluminium is soft, ductile, corrosion resistant and has a high electrical conductivity, see Table 1. In consequence it is widely used for foil and conductor cables, but alloying with other elements is necessary to provide the higher strengths needed for other applications. The main alloying elements are copper, zinc, magnesium, silicon, manganese and lithium. Small additions of chromium, titanium, zirconium, lead, bismuth and nickel are also made and iron is invariably present in small quantities. There are over 300 wrought alloys with 50 in common use. They are normally identified by a four figure system which originated in the USA and is now universally accepted...more

 
 
نظرات درباره این مطلب
 
 
نام
پست الکترونیک
نظر
 
CAPTCHA Image
Reload Image
 
زهرا حسن زاده
19:04 19 خرداد 92
plus  2  
min   1
آیدا
سلام، میدونید آلمینیوم آلگا جزء کدوم دسته از آلیاژهای آلومینیوم است؟ تشکر
<<پاسخ به این نظر
09:17 24 مرداد 92
plus  3  
min   0
admin
منظور شما آلیاژ آلومینیوم-گالیم است؟
12:19 24 مرداد 92
plus  1  
min   2
ahmad
منظورمن طبقه بندی آلیاژهای مختلف آلومینیوم است
<<پاسخ به این نظر
15:07 17 فروردين 93
plus  1  
min   0
مطالب مرتبط