طرق تصنيع الألمنيوم

نبذة عن الألمنيوم:

يعد الألمنيوم خفيف الوزن وقوي وغير مغناطيسي وغير سام، يوصل الحرارة والكهرباء ويعكس الحرارة والضوء، فهو قوي ولكنه قابل للتطبيق بسهولة ويحتفظ بقوته تحت البرودة الشديدة دون أن يصبح هش، يتأكسد سطح الألمنيوم بسرعة لتشكيل حاجز غير مرئي للتآكل، علاوة على ذلك يمكن أن نعيد تدوير الألمنيوم بسهولة إلى منتجات جديدة.

تاريخ تصنيع الألمنيوم:

أثبتت مركبات الألمنيوم أنها مفيدة لآلاف السنين، حوالي 5000 قبل الميلاد صنع الخزافون الفارسيون أقوى أوانيهم من الطين الذي يحتوي على أكسيد الألومنيوم، استخدم قدماء المصريين والبابليين مركبات الألمنيوم في صبغات الأقمشة ومستحضرات التجميل والأدوية.

مع ذلك لم يتم التعرف على الألمنيوم كعنصر وتمّ عزله كمعدن نقي حتى أوائل القرن التاسع عشر، أدت صعوبة استخراج الألمنيوم من مركباته الطبيعية إلى إبقاء المعدن نادراً لسنوات عديدة، بعد نصف قرن من اكتشافها كانت لا تزال نادرة وقيمة مثل الفضة.

في عام 1886 طور عالمان يبلغان من العمر 22 عام بصورة مستقلة عملية صهر جعلت الإنتاج الاقتصادي الضخم للألمنيوم ممكن، تُعرف هذه العملية باسم عملية (Hall-Heroult) بعد مخترعيها الأمريكيين والفرنسيين، لا تزال الطريقة الأساسية لإنتاج الألمنيوم اليوم.

ساهمت عملية باير لتكرير خام الألمنيوم التي طورها الكيميائي النمساوي عام 1888، بشكل كبير في الإنتاج الاقتصادي الضخم للألمنيوم، في عام 1884 تم إنتاج 125 رطلاً من الألومنيوم في الولايات المتحدة، بيعت بنفس سعر الفضة تقريباً، أما في عام 1995 أنتجت المصانع الأمريكية 7.8 مليار رطل من الألمنيوم.

نظرًا لأن صهر الألومنيوم ينطوي على تمرير تيار كهربائي عبر إلكتروليت منصهر، فإنه يتطلب كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية، في المتوسط ​​يتطلب إنتاج 2 رطل من الألومنيوم 15 كيلو وات في ساعة من الطاقة، كما تمثل تكلفة الكهرباء حوالي ثلث تكلفة صهر الألمنيوم.

طرق تصنيع الألمنيوم:

يتم تصنيع الألمنيوم على مرحلتين؛ أولاً عملية (Bayer) لتكرير خام البوكسيت للحصول على أكسيد الألومنيوم، ثانياً عملية (Hall-Heroult) لصهر أكسيد الألومنيوم لإطلاق الألمنيوم النقي، يتم سحق خام البوكسيت ميكانيكياً، بعد ذلك يتم خلط الخام المسحوق مع الصودا الكاوية ومعالجته في مطحنة لإنتاج ملاط ​يحتوي على جزيئات دقيقة من الخام.

يتم ضخ الملاط في جهاز هضم وهو خزان يعمل مثل قدر الضغط، يتم تسخين الملاط إلى (230-520) درجة فهرنهايت تحت ضغط 50 رطل، كما يتم الحفاظ على هذه الظروف لفترة تتراوح من نصف ساعة إلى عدة ساعات، يمكن إضافة صودا كاوية إضافية لضمان إذابة جميع المركبات المحتوية على الألومنيوم.

يقوم الملاط الساخن بالمرور خلال سلسلة من خزانات الفلاش التي تساهم في تقليل الضغط وتعيد الحرارة التي يمكن إعادة استخدامها في عملية التكرير، يتم ضخ الملاط في خزان الترسيب، نظراً لاستقرار الملاط في هذا الخزان، فإن الشوائب التي لن تذوب في الصودا الكاوية تستقر في قاع الإناء.

بعد استقرار الشوائب يتم ضخ السائل المتبقي، الذي يشبه إلى حد ما القهوة من خلال سلسلة من المرشحات القماشية، كما يتم احتجاز أي جزيئات دقيقة من الشوائب المتبقية في المحلول بواسطة المرشحات، يتم غسل هذه المادة لاستعادة الألومينا والصودا الكاوية التي يمكن إعادة استخدامها.

يتم ضخ السائل المرشح عبر سلسلة من خزانات الترسيب التي يبلغ ارتفاعها ستة طوابق، كما يضاف بلورات البذور من هيدرات الألومينا من خلال الجزء العلوي من كل خزان، تنمو بلورات البذور عندما تستقر من خلال السائل والألومينا المذابة التي تلتصق بها.

تعدين البوكسيت:

يستخدم البوكسيت كمادة خام أساسية في تصنيع الألمنيوم، إنه معدن طيني موجود في المناطق الاستوائية وغير الاستوائية مثل أستراليا وجزر الهند، غالباً ما يستخرج البوكسيت من على بعد أمتار قليلة فقط من مستوى سطح الأرض، يلزم حوالي 4-5 أطنان من البوكسيت لطن واحد من الألومنيوم.

طحن وتكسير البوكسيت:

يتم نقل معدن البوكسيت إلى المصافي، حيث يتم غسل الطين ويمر البوكسيت عبر مطحنة لإنتاج مادة أكثر اتساق، ثمّ يتم ضخ المعدن الأرضي في خزانات ضغط كبيرة باستخدام محلول صودا كاوية أو هيدروكسيد الصوديوم.

يتم تطبيق حرارة بخار وتتفاعل الصودا الكاوية مع مركبات الألومنيوم في مادة البوكسيت لإنتاج محلول من ألومينات الصوديوم، البقايا غير المرغوب فيها التي تحتوي على الحديد والسيليكون والتيتانيوم تغرق تدريجياً في قاع الخزان وتتم إزالتها.

الاستقرار:

ثم يتم تمرير محلول ألومينات الصوديوم من خلال خزانات ترسيب الضغط المنخفض، يتم توجيه المحلول الموجود في الجزء العلوي من الخزانات إلى أسفل من خلال سلسلة من المرشحات لإزالة الطين الأحمر الزائد، ثم يتم تمرير الألومينا المتبقية من خلال أوراق ضخمة أو مرشحات قماشية لإزالة أي مواد صلبة في المحلول.

هطول الأمطار والتكليس:

يتم بعد ذلك تبريد محلول ألومينات الصوديوم وضخه في مرسبات كبيرة؛ يتم إضافة بلورات بذور هيدروكسيد الألومنيوم للمحلول حتى تبدأ عملية الترسيب، في هذه المرحلة تتشكل بلورات ألمنيوم كبيرة.

ثم يتم تسخين البلورات في أفران دوارة إلى درجات حرارة تزيد عن 960 درجة مئوية، هذا يستخرج الشوائب الأخيرة ويخلق مسحوق أبيض، يُعرف باسم الألومينا أو أكسيد الألومنيوم، يتم تحويل الألومينا المكررة إلى ألومنيوم من خلال عملية الصهر أو عملية (Hall-Héroult).

عملية الصهر:

يتم سكب الألومينا في خلية اختزال مع الكريوليت المنصهر 950 درجة مئوية، يتم تمرير تيارات كهربائية 400 كيلو أمبير عبر الخليط لكسر الرابطة بين الألومنيوم والأكسجين، والنتيجة هي ألومنيوم نقي بنسبة 99.8٪، للألمنيوم النقي استخدامات محدودة ولا بد من خلائط المادة لزيادة قوتها.

معالجة الألمنيوم:

تتم معالجة الألمنيوم السائل بثلاث طرق؛ أولاً النتوء وهي طريقة مستخدمة على نطاق واسع لإنشاء ملف تعريف مقطعي ثابت، يتم تسخين سبيكة الألومنيوم حتى (350-500) درجة مئوية، ثم يتم دفعها بواسطة مكبس هيدروليكي عبر القالب، ثم يتم تبريد المادة وامتدادها لتخفيف أي إجهاد.

المتداول:

يتم صب سبائك الألومنيوم في عوارض مستطيلة كبيرة يصل طولها إلى 9 أمتار، يمكن بعد ذلك درفلة عوارض الألمنيوم القابلة للطرق إلى صفائح رقيقة، يستخدم هذا في علب المشروبات والرقائق ويمكن دحرجته حتى 0.006 مم، يمكن تحقيق ذلك من خلال صب الغرفة الباردة.

يسخن المعدن في فرن ثم يُغذى في القالب بمكبس هيدروليكي، ثم يقوم القالب بتشكيل الألومنيوم بالشكل المطلوب، هذه عملية تستخدم في بعض التطبيقات مثل صناعات الفضاء والإلكترونيات.

إعادة التدوير:

تحتاج إعادة تدوير خردة الألمنيوم 5٪ فقط من الطاقة التي تستخدم في صناعته، يمكن إعادة تدوير الألمنيوم دون أن يفقد أي من خصائصه الطبيعية، يتم فرز الألمنيوم المعاد تدويره وتنظيفه وإعادة صهره لتشكيل الألومنيوم المصهور، ثم يتم تشكيل الألمنيوم المصهور إلى سبائك للدرفلة أو الصب أو البثق.