تهیه و تامین مواد اولیه

آلومینیوم

آلومینیوم عنصر شیمیایی است که درجدول تناوبی دارای علامت AL و عدداتمی 13 می باشد . آلومینیوم که عنصری نقره ای و انعطاف پذیر است عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می شود. آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیونها محصول مختلف به کار می رود و در جهان اقتصاد عنصر بسیار مهمی است. اجزای سازه هایی که از آلومینیوم ساخته می شوند در صنعت هوانوردی و سایر مراحل حمل و نقل بسیار مهم هستند و نِیز برای سازه هایی که در آنها وزن ِ پایداری و مقاومت لازم است وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

املای انگلیسی

املاء رسمی این عنصر در زبان انگلیسی، IUPAK) Aluminium) است، گرچه عموماً آمریکایی‌ها و کانادایی‌ها آن را بصورت Aluminum نوشته و تلفظ می‌کنند. «همفری دیوی» در سال۱۸۰۷ Aluminum را برای عنصر کشف شده در آن زمان ارائه کرد، اما بعداً تصمیم گرفت تا این نام را به Aluminium تغییر دهد که با وجود ium در نام بیشتر عناصر تطبیق کند. بعدها املا Aluminium در بریتانیا و آمریکا متداول شد، اما بعد بتدریج آمریکایی‌ها برای اهداف غیر تخصصی این نام را به Aluminum برگرداندند. نام رسمی این عنصر در آمریکا و در رشته شیمی تا سال ۱۹۲۶ بصورت Aluminium بکار رفت. از این تاریخ به بعد انجمن شیمی آمریکا تصمیم به استفاده از املاء Aluminum در نشریات خود گرفت.

 

تاریخچه

آلومینیوم به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد، در بسیاری از کاربردها، جایگزین بسیاری از مواد قدیمی تر (مثل چوب، مس و فولاد) شده است. پیشرفت های حاصل در زمینه آلومینیوم در حالی به دست آمده است که زمان زیادی از تولید آن نمی گذرد. آلومینیوم، نسبت به فلزات متداول دیگر جدیدتر بوده و استفاده از آن از اواخر قرن 19 آغاز شده است.

هانس کریستین اُرستد دانمارکی، اولین کسی بود که در سال 1825 موفق به تولید آلومینیوم در مقیاس آزمایشگاهی شد. مدتی بعد، فردریش وُهلر آلمانی نیز همین موفقیت را به دست آورد. در سال 1855، هنری سنت کلر دویل موفق به تولید آلومینیوم در مقیاس کوچک از طریق یک فرآیند شیمیایی شد. اولین شمش آلومینیوم تولید شده از این روش، دارای خلوص 97 – 96 درصد بود و در سال 1855 در نمایشگاه بین المللی پاریس به نمایش گذاشته شد.

تولید صنعتی آلومینیوم در سال 1888 و به طور تقریباً هم زمان در آمریکا و اروپا آغاز شد. در آمریکا از فرآیند هال و در سوئیس از فرآیند هارولت برای تولید آلومینیوم استفاده شد. از آن زمان تا کنون، تولید آلومینیوم از طریق فرآیندهای هال – هارولت به شدت توسعه یافته است.

رشد تولید آلومینیوم تا سال 1918 پیوسته ادامه داشت، به طوری که در سال 1918، تولید آلومینیوم به 180000 تن رسید، اما بین سال های 1920 – 1930 و در پایان جنگ جهانی دوم رشد آن متوقف شد. پس از آن تا اواسط دهه 70، تولید و مصرف آلومینیوم به طور متوسط بیش از 8 درصد در سال افزایش داشته، اما به تدریج از این مقدار کاسته شده است. در سال 1952، مصرف کلی آلومینیوم در کشورهای غربی حدود 2 میلیون تن بود که در سال 1989 به 20 میلیون تن رسید.

پیدایش و منابع

اگر چه AL یک عنصر فراوان در پوسته زمین استِ این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر از طلا به حساب می آمد. بنابراین به عنوان فلزی صنعتی اخیرأ مورد توجه قرار گرفته و در مقیاس های تجاری تنها بیش از 100 سال است که مورد استفاده است.

در ابتدا که این فلز کشف شد جدا کردن آن از سنگها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین بصورت ترکیب بود مشکل ترین فلز از نظر تهیه به شمار می آمد.

آلومینیوم برای مدتی از طلا با ارزش تر بود اما بعداز ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال 1889 قیمت آن کاهش یافت و سقوط کرد. تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد. بازیافت آلومینیوم موضوع تازه ای نیست بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با این همه تا اواخر قرن دهه 60 این یک کار کم منفعتی بود تا زمانیکه بازیافت قوطی های آلومینیومی آشامیدنی ها بالاخره بازیافـت این فلز را مورد توجه قرار داد. منابع بازیافت آلومینیوم عبارتند از: اتومبیلها، پنجره ها، دربها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات.

آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمی تواند از سنگ معدن خود بوکسیت (Al2o) بوسیله کاهش باکربن جدا شود. در عوض روش جدا سازی این فلز از طریق الکترولیز است.(این فلز در محلول اکسیده شده سپس بصورت فلز خالص جدا می شود.) لذا جهت این کار سنگ معدن باید درون یک مایع قرار بگیرد.اما بوکسیت دارای نقطه ذوب بالایی است (2000 C) که تامین این مقدار انرﮊی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست . برای سالهای زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار می دادند و نقطه ذوب آن تا 900 C کاهش می یافت. اما امروزه مخلوط مصنوعی از آلومینیوم سدیم و فلورید کلسیم جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده است. این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاههای برق مخصوص خود در اطراف این کارخانه ها هستند.

الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت بکار می روند هر دو کربن هستند. وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است یونهای آن آزادانه حرکت می کنند. واکنش درکاتد منفی اینگونه است:

Al3++3e -Al

در اینجا یون آلومینیوم در حالت کاهش است (الکترونها اضافه می شوند) سپس فلز آلومینیوم به سمت پایین فرو می رود و خارج می شوند.

آند مثبت اکسیژن بوکسیت را اکسید می کند که بعد از آن با الکترود کربنی واکنش کرده تا تولید دی اکسید کربن نماید.

این کاتد باید عوض شود چون اغلب تبدیل به دی اکسید کربن می شود. بر خلاف هزینه الکترولیز آلومینیوم فلزی ارزان با کاربرد وسیع است. امروزه آلومینیوم را می توان ازخاک معدنی(clay) استخراج کرد اما این فرایند اقتصادی نیست.

ایزوتوپها

آلومینیوم دارای 9 ایزوتوپ است که عمده ترین آنها بین 23 تا 30 مرتب شده اند. تنها AL-27 (ایزوتوپ پایدار) و AL-26 (ایزوتوپ رادیو اکتیو) بطور طبیعی وجود دارند. AL-26 از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی رخ می دهد تولید می شود.

اجزاء شهاب سنگها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم 27 پایدار می شود. بعد از سقوط روی زمین حفاظ اتمسفر مانع از تولید AL-26 بیشتر از قطعات شهاب سنگها می شود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها موثر است. تحقیقات روی شهاب سنگها ثابت کرده AL-26 در زمان شکل گیری سیاره ما نسبتا به مقدار فراوان وجودداشته است. احتمالا انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی AL-26 ِ ذوب شدن مجدد و جدایی سیارک ها بعد از شکل گیری آنها را 2-4 میلیارد سال پیش در پی داشته است.

پیوند در ترکیب های آلومینیوم

مهمترین کانی آلومینیوم ، بوکسیت است که‌ اکسید آلومینیوم آب پوشیده می‌باشد و برای تهیه فلز از این کانی استفاده می‌شود. چگالی بار (نسبت بار به شعاع) برای یون Al+3 به علت داشتن بار زیاد و کوچک بودن شعاع آن ، زیاد است. می‌دانیم که‌ الکترونها اعم از از اینکه پیوندی باشند یا به صورت زوج تنها ، پیوسته در فضایی که در اختیار دارند، در حرکت‌ هستند و اغلب ،الکترون ها را به صورت ابری با بار منفی مجسم می‌کنیم.

این ابر بار می‌تواند بوسیله یک میدان الکتریکی که در مجاورت آن قرار دارد، از حالت کروی خارج شده، به سمت یک بار مثبت کشیده یا بوسیله یک بار منفی رانده شود. درجه سهولت واپیچش ابر الکترونی یک ذره را قطبش‌ پذیری آن می‌نامند. قطبش ‌پذیری اتم ها یا یون های کوچکتر کمتر از اتم ها یا یون های برزگتر است، زیرا در اتم ها یا یون های کوچکتر ، الکترون ها به هسته نزدیکترند و اتصال آنها با هسته محکمتر است. آلومینیوم در ترکیب های خود با از دست دادن هر سه ‌الکترون ظرفیت ،عدداکسایش 3+ بدست می‌آورد.

اما یون Al+3 با توجه به ‌اندازه کوچک و بار زیادی که دارد، می‌تواند به راحتی باعث قطبش ابر بار هر آنیونی که با آن در تماس است، شود و آن آنیون را به سمت خود بکشد و در فضای بین یون آلومیینوم و آنیون ،ابر الکترونی قابل ملاحظه‌ای پدید می‌آید که نشانه‌ای از پیدایش خصلت کووالانسی در پیوند است. به ‌این ترتیب ، پیوند آلومینیوم با آنیون هایی نظیر -Br و -I که قطبش ‌پذیری آنها بیشتر است، به صورت کووالانسی توصیف می‌شود. اثر قطبش یون Al+3 را روی هالیدها می‌توان با مقایسه خواص هالیدهای آلومینیوم دریافت.

اکسید آلومینیوم (Al2O3)

اکسید آلومینیوم را معمولا یک ترکیب یونی در نظر می‌گیریم، اما به علت قطبش ‌پذیری یونهای اکسید بوسیله یونهای Al+3 پیوند آلومینیوم و اکسیژن تا حدودی خصلت کووالانسی دارد. برهم کنش الکتروستاتیک بین یون های کوچکآلومینیوم و اکسیژن از یک طرف و پیدایش خصلت کووالانسی از طرف دیگر ، سبب شده که پیوند بین این یون ها در اکسید آلومینیوم بسیار قوی باشد. این اکسید در دمای 205 درجه سانتیگراد ذوب می‌شود و در آب نامحلول است. اکسید آلومینیوم در طبیعت به دوصورت آبپوشیده و بی آب یافت می‌شود. شکل آبپوشیده آن بوکسیت نام دارد. سنگ سنبادهو «کوراندوم» شکل بی آب آن است.

کوراندوم جسمی ‌سخت و متبلور است و با جایگزین شدن مقدار کمی ‌از یون های فلزهای واسطه به جای یون های آلومینیوم دراین بلور ، سنگهای قیمتی مانند یاقوت قرمز یا یاقوت کبود بدست می‌آید. یاقوت قرمز که در لیزر هم از آن استفاده می‌شود، شامل مقدار جزئی Cr+3 و یاقوت کبود شامل Fe+3 و (Ti(IV است. رنگ این سنگها ناشی از وجود این یون های فلزات واسطه‌است. از اکسید آلومینیوم به خاطر داشتن ساختاری پایدار و فوق‌العاده سخت در تهیه سیمان ، آجرهای دیرگداز کوره‌ها و سطح بی‌اثر کاتالیزور در کراکنیگ برش های نفتی استفاده می‌شود.

خواص آلومینیوم و مصارف آن

تنوع خواص آلومینیوم موجب گستردگی کاربردهای اصلی آن شده است که عبارتند از :

• چگالی پایین : چگالی آلومینیوم یک سوم فولاد است.
• مقاومت به اکسیداسیون و اتمسفر : آلومـینیوم در مقابل آب و هوا، گازهای متداول اتمسفر و بسیاری از مایعات مقاوم است.
• عدم ایجاد مسمومیت : آلومیـنیوم را می توان در مجاورت بسیاری از مواد غذایی به کار برد.
• جلای خوب : آلومینـیوم درخشندگی و انعکاس خاصی دارد و می توان از آن در مصارف تزئینی استفاده کرد.
• محدوده ی نسبتاً وسیع استحکام : استحکام برخی از آلیاژهای آلومینیـوم برابر و یا حتی بیشتر از استحکام فولاد های ساختمانی معمولی است.
• خواص الاستیک مناسب : الاستیسیته آلـومینیوم آلیاژی بالا است، که نشان دهنده قابلیت تحمل نیروهای ناگهانی اعمال شده به سازه های آلومینیومی است.
• چقرمگی عالی : آلومـینیوم در دماهای بسیار پایین نیز چقرمگی خود را حفظ می کند، بدون اینکه مانند فولادهای کربنی شکننده شود.
• شکل پذیری : کار با آلومیـنیوم ساده است و برخی از آلیاژهای آن را می توان به صورت ورقه های بسیار نازک شکل داد.
• هدایت الکتریکی و حرارتی بالا : در این مورد در بین فلزات مهم صنعتی، آلومینـیوم و مس تقریبا مشابه یکدیگر هستند.

ویژگیهای قابل توجه

آلومینیوم فلزی نرم ِ سبک اما قوی است با ظاهری نقره ای – خاکستری مات و لایه نازک اکسیداسیون که در اثر برخورد با هوا درسطح آن تشکیل می شود از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری می کند. وزن آلومینیوم تقریبأ یک سوم فولاد یا مس است، چکش خوار، انعطاف پذیر و به راحتی خم می شود ، همجنین بسیار با دوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است.

بعلاوه این عنصر غیر مغناطیسی ِ بدون جرقه دومین فلز جکش خوار و ششمین فلز انعطاف پذیر است.

کاربردها

آلومینیوم یکی از فلزهای ساختمانی است و آن را با فلزهای مختلف به صورت آلیاژ در می‌آورند و درصنایع هواپیما سازی، موتوراتومبیل و ساخت در و پنجره بکار می‌برند. همچنین ، آلومینیوم برای ساخت قوطی‌های نوشابه مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین آلومینیوم برای تولید فویل های آلومینیومی ‌مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش آلومینیوم کاربردی ترین فلز بعد از آهن است و تقریبأ در تمامی بخشهای صنعت دارای اهمیت می باشد. آلومینیوم خالص نرم و ضعیف است اما می تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیوم، منگنز، سیلیکن ودیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژ ها ویژگیهای مفید گوناگونی دارند.

این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را می سازند. وقتی آلومینیوم را در خلا تبخیر کنند پوششی تشکیل می دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می کند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می آورند که همانند پوشش های نقره خاصیت خود را از دست نمی دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه های تلسکوپهای نجومی است.

برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارتند از :

• حمل و نقل ( اتومبیلها ، هواپیماها ،کامیونها ، کشتی ها ، ناوگانهای دریایی ، راه آهن و….)
• بسته بندی (قوطی ها، فویل و…)
• ساختمان ( درب و پنجره، دیوار پوشها و …)
• کالاهای با دوام مصرف کننده (وسایل برقی خانگی ، وسایل آشپزخانه و …)
• خطوط انتقال الکتریکی (به علت وزن سبک اگرچه هدایت الکتریکی آن تنها 60% هدایت الکتریکی مس می باشد)
• ماشین آلات

 

هشدارها

آلومینیوم یکی از معدود عناصر فراوانی است ظاهرا هیچ فعالیت موثری در سلولهای زنده ندارد اما درصد کمی از مردم به آن حساسیت دارند (آنها تجربه کرده اند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستی می شود) مصرف داروهای بندآورنده خون ومواد ضد عرق باعث ایجاد جوشهای خارش آور و سوء هاضمه می گردد ، عدم جذب مواد غذایی مفید از غذاهای پخته شده در ظروف آلومینیومی همچنین تهوع و سایر علائم مسمومیت در نتیجه خوردن اینگونه محصولات مانند Maalox,Amphojel,Kaopectate . درسایر افراد آلومینیوم بمانند فلزات سنگین سمی نیست اما در صورت مصرف زیاد علائمی ازمسمومیت دیده شده است اگرچه استفاده از ظروف غذای آلومینیومی به خاطر مقاومت در برابر زنگ زدگی و خاصیت هدایت گرمایی بالای آنها بسیار رایج است در کل ِ هیچگونه علامتی در مورد ایجاد مسمومیت آنها دیده نشده است. مصرف زیاد داروهای ضد اسید و مواد ضد عرق که حاوی ترکیبات آلومینیومی هستند احتمال مسمومیت بیشتری دارند بعلاوه احتمال ارتباط آلومینیوم با بیماری آلزایمر مطرح شده گرچه اخیرا این فرضیه رد شده است.

استخراج آلومینیوم

آلومینیوم در صنعت بوسیله‌الکترولیز اکسید آلومینیوم مذاب تهیه می‌شود. اکسید آلومینیوم از بوکسیت که ‌اکسید آلومینیوم آبپوشیده و ناخالص است، بدست می‌آید. ناخالصی های بوکسیت به طور عمده ،هماتیت و سیلیس است. برای جداسازی آلومینیوم با توجه به خصلت بازی اکسید آهن (III) ، خصلت اسیدی «اکسید سیلسیم» (سیلیس) وخصلت آمفوتری اکسید آلومینیوم ازسود سوزآوراستفاده می‌کنند. اکسیدآلومینیوم و سیلیس در محلول غلیظ سود حل می‌شوند. اکسید آهن (III) را بوسیله صافی جدا می‌کنند، سپس دی‌اکسید کربن را از محلول عبور می‌دهند. دی‌اکسید کربن با آب ، اسید ضعیف «اسید کربنیک» را تشکیل می‌دهد.

بدین ترتیب ، اکسید آلومینیوم رسوب می‌کند و یون سیلیکات در محلول باقی می‌ماند. اکسیدآلومینیوم را درکریولیت مذاب (Na3AlF6) که دمای ذوب آن از اکسید آلومینیوم کمتر است،حل می‌کنند. دمای الکترولیت مذاب حدود 850 درجه سانتیگراد است. یون AL+3 در کاتد سلول الکترولیز که ‌از جنس گرافیت است، کاهش یافته، به صورت آلومینیوم مذاب در ته سلول جمع می‌شود. در آند نیز اکسیژن آزاد می‌شود. آند نیز از جنس گرافیت است. اکسیژن در دمای زیاد با کربن ترکیب شده ، اکسیدهای کربن تشکیل می‌دهد. از این رو ، آند می‌سوزد و هرچند مدت یکبار آن را تعویض می‌کنند.

هزینه تولید آلومینیوم و مشکلات زیست محیطی

منابع آلومینیوم در طبیعت از منابع تجدید ناپذیر به شمار می‌آیند. به ‌این معنا که طبیعت راهی برای تولید مجدداین منبع ندارد. از طرف دیگر ، تولید آلومینیوم به مصرف الکتریکی بسیار زیادی نیاز دارد. با توجه به ‌اینکه آلومینیوم مصرفی سرانجام به صورت زباله به طبیعت راه پیدا می‌کند، مساله بازگردانی آلومینیوم از نظر حفظ محیط زیست حائز اهمیت و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه ‌است. مثلا هزینه لازم برای جمع‌آوری قوطی‌های نوشابه ،انرژی الکتریکی مصرفی برای ذوب این قوطی‌ها و ساخت مجدد آنها حدود 5 درصد هزینه‌استخراج آلومینیوم از بوکسیت است. انجام این کار به حفظ طولانی‌تر منابع بوکسیت، حفظ منابع سوخت های فسیلی که باید برای تولید انرژی الکتریکی مورد نیاز کارخانه‌های تولید آلومینیوم بکار رود، به کاهش مواد آلاینده‌ای که در نتیجه‌احتراق سوخت های فسیلی در فضا پراکنده می‌شوند و در نهایت به حفظ محیط زیست کمک می‌کند.

شکل های مختلف آلومینیوم صنعتی

آلومینیوم به دو صورت اولیه و ثانویه در صنعت وجود دارد. آلومینیوم اولیه، به طور مستقیم از ماده معدنی اولیه (بوکسیت) و با خواص 7/99 درصد تا 9/99 درصد تولید می شود، که متفاوت از آلومینیوم ثانویه یا بازیافتی است.

آلومینیوم اولیه (غیر آلیاژی)

Aluminium اولیه دارای ناخالصی هایی است که عمدتاً شامل آهن و سیلیسیم، به همراه مقادیر اندکی روی، منیزیم، منگنز و تیتانیوم هستند. البته آنالیز شیمیایی حاوی مقادیر بسیار ناچیزی از مس، کروم، گالیوم، سدیم، لیتیم، کلسیم، وانادیم و بور نیز می باشد.

حضور ذرات معلق (مانند اکسیدها و کاربیدها) نیز در درون آلومینیوم محتمل است که با فیلتر کردن می توان آنها را برطرف کرد. تنها گازی که قابلیت انحلال در آلومینیوم مذاب را دارد هیدروژن است، که می توان آن را از طریق گاز زدایی با کلر، نیتروژن یا آرگون حذف کرد.

کلر معایبی هم دارد که عبارتست از :

1. سمی بودن کلر 2. تلفات آلومینیوم

عملیات با کلرید ها قدیمی ترین روش گاز زدایی می باشد و بر اساس واکنش کلر با فلز است . در این روش تر کیبات کلرید تجزیه شده و در انتخاب کلرید بایستی دقت شود تا ناخالصی وارد مذاب نشود.آلیاژ های Mg-Al که تا ۲%Mg خالص به مذاب AL تولید می شود. بدیهی است که تلفات این عنصر زیاد می باشد و از این رو اغلب از آمیژن این عنصر با ۱۰ % Mg استفاده می شود.سیالیت آلیاژهای Mg کم بوده و از این سیستم های راهگاهی معمولا از اندازه عادی بزرگتر انتخاب می گردد.

مقدار عناصری نظیر تیتانیوم، وانادیوم، منگنز و کروم، در آلومینیوم خالصی که در مصارف الکتریکی به کار گرفته می شود نباید بیش از حد معمول باشد؛ چرا که این عناصر به طور قابل توجهی هدایت الکتریکی آلومینیوم را کاهش می دهند. آلومینیومی که به عنوان هادی الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد از خالص ترین آلومینیوم های به دست آمده در هنگام تولید است.

آلومینیوم ثانویه

قطعه آلومینیومی تولید شده از روش های مختلف و دارای شکل های گوناگون را که قبلاً مورد استفاده قرار گرفته است، می توان به راحتی ذوب مجدد و بازیافت نموده و با استفاده از روش های مناسب ریخته گری شمش، اکستروژن، نورد و یا ریخته گری تحت فشار، مجدداً به صورت مناسب شکل داد.

کاهش وزن ماده در ذوب مجدد، غالباً به صورت اکسیداسیون سطحی است، که به آن اتلاف مذاب گفته می شود. مقدار اتلاف مذاب می تواند از چند دهم درصد در قطعات بزرگ ریختگی یا فورج شده و بدون پوشش تا 10 درصد در قطعه های برگشتی نازک، مانند فویل های بسته بندی، تغییر کند. میزان اتلاف همچنین به نوع، شکل، اندازه و ضخامت پوشان (لاک با پوشش های دیگر) و نیز روش ذوب بستگی دارد.

آلیاژهای Si-Al-Mg

دو عنصر آلیاژی Si و Mg قادر به ترکیب بوده و ترکیب بین فلزی را بوجود می آورند این عناصر به عنوان یک سیستم آلیاژی شبه دو تایی عمل می کند. این سیستم سه تایی سیستمی است که می توان آن را تحت عملیات حرارتی محلولی و پیر سختی قرار داد . آلیاژهای سه تایی دارای مزیت سیستم شبه دو تایی و همچنین اثرات مفید Si محلول درصد کم Mg تا حدود ۳/۰ % و درصد های بالای Si یعنی ۶-۸ %می باشد. افزایش بیشتر Si باعث بهبود خواص ریخته گری این آلیاژها می شود . در بعضی از آلیاژها ترکیب سیلیسیم و منیزیم مضر هستند که در نتیجه به عنوان نا خالصی محسوب می شوند . به خاطر این که تمامی آلیاژ Al دارای Si می باشد افزایش سختی در اثر تشکیل می باشد و با افزایش این سختی آلیاژ ترد و شکننده می شود. از خواص قطعات ریخته گری Al می تواند به قابلیت ماشین کاری ، قابلیت پرداخت کاری ، جوش کاری، لحیم کاری و قابلیت عملیات سختی سطحی اشاره کرد . این آلیاژ دارای خواص دیگری مانند استحکام برشی ، استحکام فشاری و مقاومت به خوردگی نیز می باشد.

وزن مخصوص کم:

یک متر مکعب آلومینیوم خالص ۸/۲۸۲۷ کیلوگرم وزن دارد و یک متر مکعب از سنگین ‌ترین آلیاژهای آلومینیوم (یعنی آلیاژهای حاوی مس و روی) دارای وزنی در حدود ۲۹۵۳ کیلوگرم است. حتی این سنگین‌ ترین آلیاژ‌های آلومینیوم نیز حداقل ۱۹۷۸ کیلوگرم در هر متر کعب سبک تر از وزن هم حجم سایر فلزات ساختمانی (بجز منیزیم) است.

پوشش سخت دادن Hard Coating

یکی از فرآیندهای آنودایز کردن است که به تدریج اهمیت پیدا می‌کند و آن را آنودایز کردن سخت یا پوشش سخت دادن می‌نامند. این فرآیند گرچه در اساس مشابه آندایزه کردن معمولی است ولی از چند نقطه نظر با آن تفاوت دارد. در پوشش سخت، محلول مورد استفاده اسید سولفوریک و درجه حرارت عمل پایین‌ تر است. فرآیند به قدری ادامه می‌یابد که لایه اکسیدی به ضخامتی تا حدود ۵ برابر ضخامت آنودایز کردن معمولی برسد.

پوشش آلومینیومی دادن Alcladding

بطور کلی آلیاژهای آلومینیوم با استحکام زیاد از نظر خوردگی کم مقاوم ترین آنها محسوب می‌گردند. این مطلب بخصوص در مورد آلیاژهای حاوی درصدهای زیاد مس یا روی صادق است. از طرف دیگر مقاومت به خوردگی آلومینیوم خالص بسیار زیاد است. پوشش آلومینیومی دادن یکی از روشهای افزایش مقاومت خوردگی به یک آلیاژ با استحکام زیاد است. در این فرآیند یک لایه آلومینیوم خالص به سطح آلیاژ مورد نظر متصل شده و در نتیجه مجموعه حاصل خواص مورد نظر حاصل می‌شود. این روش مخصوصاً در محصولات ورقه‌ای مناسب است.

ریخته گری در قالبهای مختلف

ریخته گری در قالب های فلزی – ریخته گری در قالب های ماسه در قالب های فلزی در رابطه با آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیم با افزایش درصد سیلیسیم سختی پیوسته افزایش می یابد با افزایش در صد سیلیسیم تا حدود ۱۲% استحکام کششی افزایش و بعد از آن کاهش می یابد و همچنین با افزایش آن تا حدود ۶% ازدیاد طول کاهش می یابد. در رابطه با قالب های ماسه ای با افزایش درصد سیلیسیم تا حدود ۲۲% استحکام افزایش و بعد از آن کاهش می یابد . افزودن سیلیسیم به مذاب آلومینیوم توسط آلیاژ سازهای آلومینیوم-سیلیسیم که دارای ۱۳ تا ۲۳ % سیلیسیم می باشد صورت می گیرد این آلیاژساز به دلیل نقطه ذوب پایین یعنی ۵۸۰ درجه سانتیگراد به راحتی در مذاب آلومینیوم قابلیت حل شدن دارند.

روش های مختلف قالبگیری آلیاژهای آلومینیوم :

آلیاژهای آلومینیوم با کلیه روش های قالب گیری موقت ماسه ای ، گچی پوسته ای ، سرامیکی و قالب های فلزی و قالب های تحت فشار قابلیت ریخته گری دارند. ریخته گری در قالب های ماسه ای از انواع ماسه های سیلیسی ، زیرکنی ، کرومیتی استفاده می شود و در قالب های فلزی جنس قالب های فلزی از چدن خاکستری پر کربن بوده و سطح آن را با گرافیت پوشش می دهند.

نرمی آلومینیوم در حالت سرد

اغلب عملیات شکل دادن آلومینیوم در حالت سرد انجام می گیرد زیرا وقتی پروفیلی با رویه نازک و روق های نازک حرادت داده می شوند امکان تاب خوردن آنها وجود دارد نیروی لازم برای تغییر شکل آلومینیوم کمتر از فولاد است نرمی آلومینیوم به خود ماده ( نوع آلیاژ ) و حالت آن بستگی دارد وضعیت آلومینیوم مانند هر فلز دیگری در اثر کار سرد تغییر می کند تاثیر کار سرد بر آلومینیوم از این قرار است ماده مستحکم تر و سخت تر می شود در قطعه تنش تولید می شود اگر تغییر شکل از ظرفیت تغییر شکل پذیری فلز بیشتر شود کار سرد ممکن است باعث ترک خوردن آن شود راحت ترین ماده آلومینیومی از نظر تغییر شکل و نرمی آلومینیوم خالص آلومینیوم تصفیه شده و آلیاژ Al-Mn در حالت نرم  است.

نکاتی چند درباره صنعت آلومینیوم

اولین شرکت تولید آلومینیوم درآمریکا در سال ۱۹۰۷ تاسیس گردید .

صنایع بسته بندی به تنهایی ۲۰درصد آلومینیوم تولیدی جهان را مصرف می کنند .

پیش بینی ها نشان می دهد طی دهه آینده تقاضا برای آلومینیوم به ۵۴ میلیون تن در سال افزایش یابد.

کشور چین با ۱۸ میلیون تن مصرف آلومینیوم، یک سوم تقاضای جهانی را به خود اختصاص خواهد داد.

بررسی ها نشان می دهد که قلب تپنده توسعه آلومینیوم در مناطق دارای انرژی نظیر خلیج فارس خواهد بود . امارات متحده عربی در کنار بحرین، قطر و عمان به سرعت در حال سرمایه گذاری در بخش آلومینیوم هستند.

ایران تولید آلومینیوم را از سال ۱۳۵۱ آغاز نموده و ظرف مدت ۲۰ سال تولید خود را از۱۰ هزارتن به ۷۷ هزارتن در سال ۱۳۷۱ و به ۱۶۷ هزارتن در سال ۱۳۸۱ رسانید. در حال حاضر با احتساب ۱۴۷ هزار تن ظرفیت نهایی هرمزال، ظرفیت تولید آلومینیوم کشور بالغ بر ۴۵۷ هزار تن در سال خواهد شد.

متوسط مصرف انرژی الکتریکی در دنیا برای تولید هر کیلوگرم آلومینیوم بیش از ۱۵ کیلو وات ساعت می باشد که چندین برابر مصرف انرژی درصنایع فولاد و مس می باشد . درحال حاضر بیش از ۶۵% از تولید جهانی در اختیار ۵ کشور چین ، روسیه، کانادا، استرالیا و ایالات متحده می باشد.

مواد اولیه آلومینیوم

 الف) شمش های تولیدی آلومینیوم در ایران

عمده محصولات تولیدی شمش های آلومینیوم در ایران شامل انواع شمش ها به صورت تي بار ، هزار پوندي ، آلياژهاي ريخته گري ، بيلت ، اسلب و انواع دیگر تولید سفارشی مي باشند که انواع موجود بصورت عمومی عبارتند از :

• شمش 50  پوندی

آلومینيوم آلياژي و در صنايع خودروسازي و توليد قطعات ريختگي مورد استفاده قرار مي گيرند.

• شمش هزار پوندی

این شمش ها بصورت خالص توليد مي شوند و در آلياژسازي و قطعه سازي و موارد ديگر مورد استفاده قرار مي گيرند . درجه خلوص شمش توليدي ۹۹/۸۵ درصد آلومينيوم خالص مي باشد و اغلب در صنايع ذوب مجدد مصرف فويل آلومينيوم و لوازم بهداشتي نیز کاربرد دارند.

• اسلب یا تختال

برای تولید انواع ورق، تسمه و … مورد استفاده قرار مي گيرند و در انواع آلياژهاي کار پذير و به ابعاد مقطع ۱۰۶۰*۳۰۰ ميليمتر مربع و ۲۷۰*۱۰۶۰ ميليمتر مربع توليد مي شوند.این محصول در صنایع نورد و تولید انواع ورق ، کویل ، تسمه و … مورد استفاده قرار میگیرد.

• شمش تی بار

به صورت آلیاژ E.C و خالص توليد مي گردد و بيشتر جهت مصارف هدايت کننده هاي الكتريكي ، كابلها، وسايل خانگي و غيره مورد استفاده قرار مي گيرند. این محصول بیشتر جهت هدایت کننده های الکتریکی ، کابلها و وسایل خانگی و غیره مورد استفاده قرار می گیرد .

ب) بیلت آلومینیوم

آنچه در مورد بیلت آلومینیوم حائز اهمیت است آلیاژ آلومینیوم مصرفی آن است که به کاربرد آنها بستگی دارد. منظور از کاربرد، مجموعه ویژگیهایی است که هر صنعتی به آن دلیل فلز آلومینیوم را انتخاب می نماید. خم پذیری، استحکام و سختی، خوش تراش بودن، مقاومت خوردگی، انعطاف پذیری، کیفیت سطح، آنودایزینگ و … ویژگی هایی هستند که هر کدام درباره مورد استفاده قرار گرفتن آلومینیوم مهم می باشند

انواع آلیاژهای بیلت : سری ۱۰۰۰ ، ۳۰۰۰ ، ۴۰۰۰ ، ۵۰۰۰ ، ۶۰۰۰ و……

سایز موجود: 6 اینچ ، ۷ اینچ ، ۸ اینچ ، ۹ اینچ ، ۱۰ اینچ و …

طول موجود: ۶۰۰۰-400 میلیمتر ± ۱۰ میلیمتر

روش ریخته گری پیوسته در تولید انواع بیلت آلومینیوم امروزه روشی است که در تولید بیلت های اکستروژن آلومینیوم استفاده می شود. در روش ریخته گری یک قالب گرد وجود دارد که در اطراف آن آب یا روغن جریان دارد و آلومینیومی که مذاب شده به داخل آن ریخته می شود. مواد مذاب آلومینیوم داخل قالب با سرعت از پیش تعریف شده ای وارد می شود و بعد از اینکه مواد مذاب به حالت جامد تبدیل شد و از قالب در حین خارج شدن بود به سطح آن آب پاشیده می شود.

امروزه از ماشین های ریخته گری استفاده های فراوانی می شود و برای کنترل کردن مواردی که در حین ریخته گری بیلت های آلومینیومی اتفاق می افتد از حسگرها و نرم افزارهای متعددی استفاده می شود.
به ترتیب روش ریخته گری بیلت آلومینیوم به این صورت می باشد که شمش آلومینیوم و سایر عناصر تشکیل دهنده آلیاژ مورد نظر در ابتدا وارد کوره می شود و فلز مذاب به قسمت گاز زدایی منتقل می شود و مرحله بعدی عبور از فیلترهای مخصوص است و در آخر مواد با استفاده از مبرد به دمای پایین و انجماد می رسند. مبردها در این روش عمودی هستند که در این روش ریخته گری برای تولید آلیاژ های با استحکام مانند سری 2000 و 7000 استفاده می شود.

روش ریخته گری که از مبردهای عمودی استفاده می کند مزایایی دارد که می توان از مهمترین آنها اشاره کرد به: کمترین جدایی فازی، تولید بیلت های آلومینیوم بزرگ، در آلیاژ های آلومینیوم ترک بسیار کمی ایجاد می شود و مواد مذاب با سرعت بسیار کمی وارد می شوند که مشکلات بسیار کمی ایجاد می شود.

بیلت آلومینیوم انواع گوناگونی دارند که از عمده موارد مهم می توان بیلت آلومینیوم وارداتی (بیلت دوبال)، بیلت آلومینیوم DC یا عمودی، بیلت آلومینیوم ذوب مجدد یا تبدیلی و بیلت آلومینیوم استاندارد ایرالکو را نام برد که هر کدام در شرکت های مختلفی بنا به نیاز مشتریان تولید و عرضه می شوند.

ج) ضایعات آلومینیوم

بازیافت آلومینیوم  فرایندیست که در آن ضایعات آلومینیوم را می‌توان در محصولات جدید مورد استفاده مجدد قرار داد. این فرایند به مراتب ارزان‌تر از استخراج آلومینیوم جدید از طریق عمل الکترولیز اکسید آلومینیوم (Al2O3) می‌باشد که ابتدا باید سنگ معدن بوکسیت از معادن استخراج شود و پس از آن با استفاده از فرایند بایر(فرایند بایر) تصفیه شده و مورد استفاده قرار گیرد. بازیافت ضایعات آلومینیوم تنها نیاز به ۵٪ از انرژی تولید آلومینیوم جدید را دارد. به همین دلیل، حدود ۳۱ درصد از تمام آلومینیوم تولید شده در کشور از قراضه بازیافت می‌شود. بزرگترین بخش ضایعات آلومینیوم فرآوری شده در ظروف نوشیدنی استفاده می‌شود و بیشتر آن دوباره به قوطی‌های آلومینیومی تبدیل می‌شود. جایگزین کردن حتی بخش کوچکی از آلومینیوم اولیه در آلیاژهای کارپذیر بوسیلهٔ قراضه‌های بی‌ارزش (که معمولاً این قراضه‌ها دارای ناخالصی‌های مختلف غیرفلزی می‌باشند) بدون اینکه این ناخالصی‌ها تأثیری در کیفیت آلیاژ بگذارد، از نقطه نظر متالورژی بسیار با ارزش است.

بازیافت آلومینیوم فرایند جدیدی نیست چرا که از سال ۱۹۰۰ بطور متداول صورت می‌گرفته و همچنین یکی از گسترده‌ترین راه‌ها برای سرمایه جمع کردن در خلال جنگ جهانی دوم بوده‌است. به هر حال تا اواخر سال ۱۹۶۰ این فعالیت نزد عموم مردم گسترش پیدا نکرده بود تا این که محبوبیت قوطی‌های آلومینیومی مواد آشامیدنی گسترش پیدا کرد که در نهایت بازیافت آن مورد توجه و آگاهی عمومی قرار گرفت.

صنایعی که می‌توانند از آلومینیوم بازیافتی بهره گیرند عبارتند از هواپیما، خودرو، دوچرخه، قایق، کامپیوتر، وسایل آشپزی، ناودان، سیم و البته بسیاری از محصولات دیگر که به یک فلز سبک مستحکم یا یک فلز با هدایت حرارتی بالا نیاز دارند. آلومینیوم را می‌توان به‌طور نامحدود بازیافت کرد و همانند آلومینیوم جدید برای تولید هر محصولی مورد استفاده قرار داد، چراکه بازیافت تبدیل عناصر نیست.

اکسید آلومینیوم (آلومینا) بطور طبیعی و بصورت کوراندومِ سنگ سمباده (emery) ِیاقوت (ruby) ویاقوت کبود (sapphire) ِیافت می شود که در صنعت شیشه سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم نوسان بکار می روند . آلومینیوم با انرژی زیادی اکسید می شود و در نتیجه در سوخت موشک های با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می شود.

فرآیند تولید آلومینیوم – فرآیند احیاء

در این فرآیند جهت تولید شمش آلومینیوم از الکترولیز نمک مذاب استفاده می نمایند مواد اولیه اصلی در این طرح شامل آلومینا و فلورایدها می باشند. جریان برق DC جهت الکترولیز مورد نیاز است که توسط رکتی فایرها تأمین می‌گردد. تحت تأثیر این جریان مستقیم برق DC اکسید آلومینیوم (آلومینا) به آلومینیوم خالص تبدیل می‌شود. جهت تولید آلومینیوم از دیگهایی بنام دیگ الکترولیز که شامل آند و کاتد می باشد و بطور مخصوصی بر روی استراکچرهای فولادی قرار می‌گیرند استفاده می شود.

در این فرآیند کریولیت ، آلومینیوم فلوراید ، کلسیم فلوراید و آلومینا بعنوان الکترولیت و مواد کربنی به عنوان الکترود عمل می‌نمایند. آلومینیوم مذاب در کاتد رسوب و گاز آندی که غالباً Co2 می‌باشد در آند تولید می‌گردد. در طی فرآیند گازهای هیدروژن فلوراید و غبار تولید می‌گردد که همراه گاز آندی مجموعاً بخارات احیا را تشکیل می‌دهد. در دماهای کمتر از محدوده ۶۰۰-۴۰۰ درجه سانتیگراد ممکن است آلومینـا حاوی ۵/۰-۲/۰ درصد رطوبت باشد که این رطوبت با فلورایدهای جامد در درجه حرارتهای بالا واکنش می‌دهد.

۲Na3AlF6+3H2O              >>>>>>>>>       Al2O3+6NaF+6HF

۲AlF3+3H2O             >>>>>>>>>         Al2O3+6HF

بخارات احیاء در سالن احیاء منتشر شده و شرایط کار را نامطلوب و اثرات جدی روی سلامتی کارگران دارد بعلاوه این بخارات اثرات سوء زیست محیطی را به همراه دارد بنابراین از ضروری‌ترین امور در این فرآیند جمع‌آوری هر چه بیشتر این بخارات می‌باشد تا علاوه بر حذف این گازها و بخارات مضر ، آلومینا و فلورایدها بازیابی گردند. در این فرآیند اکسید آلومینیوم مورد نیاز پس از انتقال به کارگاه احیاء به همراه فلورایدها به داخل مخازن ثابت ریخته می‌شوند. در سیستم کنترل آلودگی جهت جذب گازهای دیگ باید از آلومینای تازه استفاده گردد که این نیز به نوبه خود بعنوان آلومینای غنی شده بداخل اوربین‌های دیگ انتقال داده می شود و آلومینای داخل اوربین بصورت خودکار و اتوماتیک و مداوم بداخل حوضچه مذاب انتقال می‌یابد.

بلوک های کربن آندی در کارگاه میله گذاری تکمیل شده و در کارگاه احیاء با آندهای کارکرده معاوضه و این آندها بار دیگر به کارگاه میله گذاری انتقال می‌یابد.

جریان برق DC حاصل از رکتی‌فایرها توسط خطوط انتقال باس‌ بار جهت الکترولیز وارد کارگاه احیاء می‌شود ، آلومینیوم مذاب موجود در دیگ از طریق سیستم مکش تخلیه شده و به کارگاه ریخته گری انتقال می‌یابد و در آنجا وارد کوره‌های نگهدارنده شده و با افزایش عمل اختلاط بر حسب نیاز محصولات متنوعی از آن تولید می‌گردد.

همواره مقداری از آلومینیوم مذاب کارگاه احیاء داخل پیگ ریخته می‌شود تا جهت ذوب مجدد بکار گرفته شود و قبل از انجام فرآیند و در حین آن آزمایش هایی شامل کنترل و آنالیز مواد خام مصرفی و تولیدی صورت می گیرد تا محصول بدست آمده بر اساس استانداردهای قابل قبول تولید گردد. در خاتمه فرآیند شمش های آلومینیوم تولید شده مورد ارزیابی و کنترل نهایی قرارگرفته پس از بسته‌بندی و توزین جهت توزیع به انبار فرستاده می‌شود.