تولید آلومینیوم به چه روش هایی است؟

 اولین بار در قرن 19 تولید آلومینیوم در مقیاس صنعتی  انجام پذیرفت. 

در آن زمان  یک مهندس  آمریکایی به نام چارلز مارتین هال و یک مهندس  فرانسوی به نام پل هرولت به طور جداگانه تولید آلومینیوم
 را توسعه دادند که تا امروز کاربرد دارد و با نام فرایند هال – هرولت شناخته می شود.

 سه سال پس از این کشف ، شیمی دانی سوئیسی به نام کارل جوزف بایر روشی برای جداسازی ترکیبات آلومینیوم از ناخالصی ها
 و خالص سازی بوکسیت پیشنهاد داد که با نام فرایند بایر شناخته میشود.

 تلفیق این دو روش سبب شده که پس از گذشت بیش از یک قرن ، روش اصلی استحصال آلومینیوم بر پایه روش های هال-هرولت و بایر باشد.

اما ضرورت بازیافت و استحصال از منابع ثانویه سبب شد تا روشی دیگر جهت بازیابی این فلز از ضایعات و زباله های آلومینیومی
ابداع شود که به نام روش بازیافت معروف است.

 بنابراین استحصال آلومینیوم امروزه از دو منبع اصلی یا اولیه (Primary sources) و منابع ثانویه (Secondary sources) انجام میپذیرد.

فرایند بایر (Bayer process)

بایر نخستین مرحله از فرایند است که برای تبدیل بوکسیت به آلومینا استفاده میشود.

 در این روش ابتدا سنگ معدن بوکسیت را پس از استخراج به خوبی خرد و مخلوط می کنند تا ترکیب یکنواختی به وجود بیاید.

 پس از خردایش ، ترکیب شست و شو داده می شود تا ناخالصی های رسی آن طی شست و شو حذف شوند.

 اما ناخالصی های فلزی مثل SiO2، Fe2O3 و TiO2 در ترکیب وجود دارند که حذف آن ها با استفاده از سدیم هیدروکسید
 یا همان سود سوزآور انجام میشود.

با ترکیب پودر بوکسیت با سدیم هیدروکسید که شامل ترکیبات هیدروکسید آلومینیوم (Al(OH)3) است ، این فلز به صورت سدیم آلومینات (NaAlO2) در می آید و باقی ناخالصی ها به صورت نامحلول در می آیند.

Al(OH)3(s) + NaOH(aq) NaAlO2(aq) + 2H2O(l)

اما محلول سدیم آلومینات پس از جداسازی از رسوبات ، سرد شده و با سدیم هیدروکسید بلوری ترکیب می شود تا به
رسوبات آلومینیوم هیدروکسید خالص تبدیل شوند.

NaAlO2(aq)+2H2O(I) ⟶ Al(OH)3(s)+NaOH(aq)

پس از جداسازی و فیلتر کردن، با حرارت دادن هیدروکسید خالص در دمای 1000 درجه سانتیگراد ، آلومینا به دست می آید.

2Al(OH)3(s) → Al2O3(s) + 3H2O(g)

پس از این مرحله، آلومینا طی فرایند هال به آلومینیوم خالص تبدیل میشود.

فرایند هال-هرولت (Hall-Herolt process)

روش هال، روشی بر پایه الکترولیز (برقکافت) محلول آلومینیومی برای استحصال آلومینیوم خالص است.

 در این روش از محلولی به نام کربولیت (Na3AlF6) استفاده می شود تا آلومینا را در خود حل کند.

 طی این فرایند، فلز آلومینیوم به صورت مذاب در کف مخزن انباشته شده و از آن جا تخلیه میشود.

 فلزی که با این روش به دست می آید خلوصی برابر 99 درصد دارد که پس از فرایند فراوری و ریخته گری و تولید  شمش می توان به خلوصی برابر 99/999 درصد رسید.

با توجه به این که در طول این فرایند حوردگی شدیدی در سلول ها به وجود می آید ، دیواره و کف مخزن از کربن  ساخته می شود تا در برابر خوردگی مقاوم باشد.

فرایند هال ، فرایندی گران قیمت به حساب می آید و نیاز به مصرف برق بسیار زیادی است. 

به همین دلیل تولید آلومینیوم به این روش معمولا در کشورهایی انجام می شود که هزینه های انرژی و تولید پایین باشد.

 به همین دلیل کشورهای چین ، روسیه ، آفریقای جنوبی و امارات در این عرضه پیش تازند.

تولید آلومینیوم با استفاده از بازیافت (Recycling)

روش بازیافت ، روشی بسیار ساده و ارزان برای تولید مجدد آلومینیوم به حساب می آید. 

به این دلیل که تمامی فرایندهای تولید پیش از این روی قراضه اولیه انجام شده و نیازی به تکرار مراحل اولیه ندارد.

 جالب است بدانید این روش تنها حدود 5 درصد هزینه تولید اولیه را دارد و امروزه حدود 50 درصد
آلومینیوم مورد نیاز برای ساخت محصولات به این روش تامین میشود.

اما این روش به چه صورتی انجام میشود؟

برای تولید فلز به این روش تنها کافی است که ضایعات اولیه را در کوره های نفتی یا گازی که داخل آن ها با بلوک های آلومینایی پوشیده شده است، حرارت دهید تا آلومینیوم ذوب شود. 

در مرحله بعد با ریخته گری این فلز می توان آن را به صورت شمش تولید کرد.

 با انجام این کار به ازای هر کیلوگرم فلز بازیافت شده ، حدود 8 کیلوگرم در مصرف بوکسیت و 4 کیلوگرم در مصرف مواد معدنی دیگر صرفه جویی میشود. 

به همین دلیل است که امروزه افراد بسیاری به تولید آلومینیوم به این روش و به نوعی کیمیاگری روی آورده اند.

عناصر آلیاژی چه تاثیری بر خواص آلیاژهای آلومینیومی دارند؟

با توجه به اینکه در این مقاله از خواص آلومینیوم بسیار گفتیم ، مهم ترین محدودیت آلومینیوم در حالت خالص ، استحکام کششی پایین آن است. 

به همین دلیل از عناصر آلیاژی برای افزایش استحکام این فلز استفاده میشود. 

آلیاژسازی با تشکیل محلول جامد استحکام این فلز را افزایش میدهد. 

از آن جایی که هیچ عنصری حلالیت کاملی در آلومینیوم در حالت جامد ندارد ، معمولا عناصر آلیاژی اضافه شده تشکیل ترکیبات بین فلزی (Intermetallic Component) می دهد. در این قسمت به معرفی مهم ترین عناصر و تاثیر هر کدام بر خواص آلومینیوم  میپردازیم.

مس (Cu):

 این عنصر یه عنوان یکی از مهم ترین عناصر آلیاژی آلومینیوم یاد می شود که استحکام کششی آن را به صورت
 فزاینده ای افزایش می دهد. از این عنصر حداکثر به مقدار 5 درصد جهت آلیاژسازی می توان استفاده کرد.

سیلیسیوم (Si):

 سیلیسیوم دومین عنصری است که در این قسمت زیر ذره بین قرار می دهیم. این عنصر حلالیتی  کم (در حدود 1/65 درصد) در آلومینیوم دارد و تشکیل ترکیب بین فلزی نمی دهد. بنابراین نمیتواند  استحکام چندان مناسبی برای این آلیاژها ایجاد کند.

 اما افزودن این عنصر می تواند باعث افزایش سیالیت ، کاهش نقطه ذوب و تخلخل شود و عیوبی مثل پارگی گرم را کاهش دهد.

منیزیوم (Mg):

 منیزیوم به دلیل تشکیل محلول جامد باعث افزایش استحکام و سختی آلومینیوم میشود.

 هم چنین این عنصر سبب افزایش سیالیت مذاب می شود ، اما استفاده بیش از حد آن باعث  به وجود آمدن سرباره و مشکل برای مذاب می شود.

روی (Zn):

 روی استحکام آلیاژ را تا حد زیادی افزایش میدهد.

 اما نقطه ذوب پایین این فلز مشکل ساز است و ذوب و آلیاژسازی را با مشکل مواجه میکند.

هم چنین تجاوز روی به بیش از 3 درصد این آلیاژها را مستعد ترک گرم و حفرات انقباضی میکند.

منگنز(Mn):

 افزودن منگنز باعث افزایش انعطاف پذیری ، استحکام ضربه ، قابلیت ریخته گری و کاهش حفرات انقباضی آلیاژ میشود.

نیکل (Ni):

 توجه داشته باشید که نیکل هیچ گاه نمی تواند به عنوان یک عنصر آلیاژی مستفل عمل کند.

 نیکل برای ایجاد خواص دمای بالا به آلیاژهای آلومینیوم- مس اضافه میشود.

تیتانیوم (Ti):

 این عنصر به منظور ریزدانه کردن به آلیاژهای آلومینیوم اضافه میشود.

لیتیوم (Li):

 آخرین فلزی که در این بخش مورد بررسی قرار می دهیم، لیتیوم است. 

این عنصر سبک ترین عنصر فلزی است که با اضافه شدن ، چگالی آلیاژ را تا حد زیادی کاهش میدهد.

 این عنصر معمولا بین 1 تا 3 درصد به آلومینیوم اضافه می شود و مدول آن را افزایش میدهد ،
 اما انعطاف پذیری و چقرمگی آن را کاهش میدهد.

تقسیم بندی آلیاژهای آلومینیم

آلیازهای آلومینیوم به لحاظ روش تولید به دو دسته آلیاژهای کارپذیر (Wrought Alloys) و  آلیاژهای ریختگی (Casting Alloys) تقسیم بندی میشوند.

برحسب قابلیت عملیات حرارتی بر روی این آلیاژها، مجددا می توان هر کدام از این آلیاژها را به دو دسته عملیات حرارتی پذیر(Heat Treatable Alloys) و عملیات حرارتی ناپذیر (Non-Treatable Alloys) تقسیم کرد.

آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر به روش کار سرد (Cold Working) سخت می‌شوند ، اما آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر به روش رسوب سختی (Precipitation Hardening) سخت نمی شوند. 

آلیاژهای کارپذیر (Wrought Alloys)

در این گونه آلیاژها ، ابتدا آلیاژ به صورت شمش ریخته شده و پس از تولید شمش اولیه ، تحت فرایندهای شکل دهی مانند نورد ، فورج ، برشکاری ، ماشین کاری و… قرار میگیرد تا به قطعه نهایی تبدیل شود.

 مقاومت بالا در برابر خوردگی ،چقرمگی شکست بالا ، کارپذیری خوب ، سهولت در شکل دهی و اتصال این آلیاژها از ویژگی های بارز این دسته محسوب میشود.

آلیاژهای ریختگی (Casting Alloys)

در این آلیاژها ، قطعه نهایی به روش ریخته گری تولید می شود.

 مواد اولیه شارژ کوره جهت تولید مذاب میتوانند به صورت شمش ، قراضه ، قطعات برگشتی حاصل از فرایندهای تولید قبلی 
، آلیاژسازها یا آمیژان ها باشند.

 در این آلیاژها با اضافه کردن عناصر آلیاژی به ترکیب مذاب می توان به خواص مورد انتظار دست یافت. 

استحکام بالا و قابلیت پرداخت کاری از ویژگی های این دسته از آلیاژهاست.

نام گذاری آلیاژهای آلومینیوم به چه صورتی انجام می شود؟

نام گذاری آلیاژهای آلومینیومی بر اساس ترکیب این آلیاژها و عناصر آلیاژی که به آن اضافه می‌شوند ، انجام میشود . 

در این نام گذاری یک عدد چهار رقمی به آلیاژ نسبت داده می‌شود که عدد اول معرف نوع عنصر آلیاژی است که در این آلیاژها وجود دارد.

 این نام گذاری برای آلیاژهای ریختگی و کار شده متفاوت است و برحسب نوع عناصر آلیاژی ، آلیاژها میتوانند قابلیت عملیات حرارتی یا رسوب سختی داشته باشند.

 در این قسمت با این نام گذاری ها آشنا خواهیم شد.

نام گذاری آلیاژهای کارپذیر

طبق استاندارد آلیاژهای کارپذیر در 8 دسته قرار می گیرند که با عددی 4 رقمی مشخص میشوند.

 رقم سمت چپ نشان دهنده نوع عنصر آلیاژی است. عدد دوم از سمت چپ نشان دهنده  اصلاحاتی است که بر روی ترکیب آلیاژ اصلی انجام میشود. 

چنان چه این عدد 0 باشد، نشان دهنده آلیاژ اصلی است. اگر این عدد صفر باشد ، نشان دهنده آن است  که از عنصر آلیاژساز یا ناخالصی در ساختار وجود ندارد.

 در نهایت دو رقم سمت راست مفهوم خاضی را نشان نمی دهند جز این که ترکیب خاص آلیاژ را مشخص میکنند.

 تنها در آلیاژهای سری 1xxx دو عدد آخر خلوص آلومینیوم را نشان میدهد. 

برای مثال آلیاژ 1050 آلیاژی با 99.50 درصد خلوص است. 

سری 1xxx (آلومینیوم خالص تجاری)

این سری خلوص بالای 99 درصد دارد و به همین دلیل تقریبا خالص به حساب می آبد.

 ناخالصی های موجود معمولا ترکیباتی از جنس آهن و سیلیسیوم هستند. 

مقاومت عالی در برابر خوردگی، هدایت الکتریکی و حرارتی بالا و قابلیت شکل پذیری از ویژگی های این دسته است.

 از این سری برای تولید لوله ها ، قطعات هادی الکتریکی مثل سیم های انتقال برق ، روکش ها و صفحات منعکس کننده استفاده میشود.

آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر

سری 2xxx (آلیاژهای آلومینیم-مس و مس-منیزیوم)

در سری 2000 عنصر مس است که حرف اول را می زند ، با اضافه کردن این عنصر استحکام آلیاژ به طرز چشمگیری افزایش می یابد.

 سری 2000 ترکیب مناسبی از استحکام و چقرمگی را از خود نشان می دهد ، اما نقطه ضعف آن مقاومت پایین در برابر خوردگی است.

 به همین دلیل معمولا این آلیاژها را با لایه ای از آلومینیوم یا آلیاژ آلومینیوم-روی پوشش می دهند تا مقاومت خوردگی آن افزایش پیدا کند. 

از این سری در ساخت قطعات هواپیما و ماشین ها استفاده میشود. 

2011 یکی از آلیاژهای این سری است که به دلیل قابلیت ماشین کاری بالا، به آلیاژ ماشین کاری آزاد (FMA) شهرت پیدا کرده است.

سری 6xxx (آلیاژهای آلومینیوم-منیزیوم-سیلیسیوم)

همان طور که مشاهده می کنید، عناصر آلیاژی مختلفی برای تولید این این سری با هم ترکیب شده اند.

 این سری قابلیت ترکیب مناسبی از جوش پذیری و مقاومت خوردگی به خصوص خوردگی تنشی را ارائه میدهد.

 به همین دلیل می توان از روش های جوشکاری مختلف برای اتصال قطعات این دسته استفاده کرد.

 آلیاژهای این سری را می توان در سه دسته جا داد:

1. دسته اول آلیاژهایی با مقدار سیلیسیوم و منیزیوم بین 0/8 تا 1/2 درصد هستند.
    این دسته به راحتی قابلیت اکسترود شدن دارند و محصول نهایی پس از اکسترود نیازی به عملیات حرارتی مجدد ندارد.
2. دسته دوم درصد منیزیوم و سیلیسیوم بیش از 1/4 درصد دارند.
    این آلیاژها پس از اکسترود شدن نیاز به عملیات حرارتی و کوئنچ شدن دارند.
3. دسته سوم آلیاژهایی هستند که مقدار سیلیسیمی بیش از مقدار مورد نیاز برای تشکیل Mg2Si هستند.
   افزایش مقدار سیلیسیم منجر به ریز شدن اندازه ذرات Mg2Si و رسوب سیلیسیم می شود و به پیرسختی کمک زیادی میکند.

6063 یکی از گریدهای این دسته است که از آن به عنوان یک آلیاژ باستانی یاد می شود و در ساخت فریم های در و پنجره استفاده میشود.

 6082 یک آلیاژ سازه ای با مقاومت خوردگی مناسب است و 6262 یک آلیاژ استحکام بالا مناسب برای ساخت سوپاپ ها و کوپلینگ هاست.

سری 7xxx (آلیاژهای آلومینیوم-روی-منیزیوم و آلومینیوم-روی-منیزیوم-مس)

عنصر روی اصلی ترین عنصر آلیاژی سازنده این دسته است.

 افزودن عنصر مس به ترکیب این دسته ، می تواند استحکام آن‌ها را تا حد زیادی افزایش دهد.

 اما جوشکاری آن ها را با مشکل مواجه میکند.

 به همین دلیل برای جوشکاری آن ها توصیه می شود که درصد مس از 0/3 درصد تجاوز نکند!

در بین آلیاژهای آلومینیومی ، سری 7000 بیشترین پتانسیل پیر سختی را از خود نشان میدهد.

 امروزه برای کنترل خواص ترکیب این دسته ، از عناصری مثل منگنز ، کروم و زیرکونیوم نیز استفاده میشود. 

این سری به دلیل استحکام بسیار بالا و مقاومت خوردگی خوب ، کاربرد زیادی در صنایع هوایی به خصوص
 ساخت هواپیماهای نظامی دارد. 

7050 , 7075 از مهم ترین آلیاژهای این سری به حساب می آیند.

خواص آلومینیوم

آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر

سری 3xxx (آلیاژهای آلومینیوم-منگنز)

همان طور که از نام این دسته پیداست ، منگنز اصلی ترین عنصر آلیاژی این دسته است. 

آلیاژهای سری 3000 استحکامی در حد متوسط دارند که با اضافه کردن منیزیوم می توان استحکام آن ها را افزایش داد ،

 اما مقاومت به خوردگی خوب و شکل پذیری مناسب از ویژگی های بارز آن هاست.

 معروف ترین آلیاژ این دسته 3003 است که برای وسایل آشپزخانه استفاده میشود.

 آلیاژ 3004 نیز برای تولید قوطی های نوشیدنی آلومینیومی استفاده میشود.

سری 4xxx (آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیوم)

سری 4000 با عنصرآلیاژی سیلیسیوم شناخته می شود. این عنصر برای کاهش دمای ذوب آلومینیوم به آن افزوده میشود. 

به همین دلیل از آلیاژهای سری 4000 می توان الکترودهای جوشکاری و سیم های لحیم کاری خوبی تهیه کرد.

 4043 یکی از معروف ترین آلیاژهای اینت دسته به حساب می آید که در تولید الکترودهای جوشکاری آلیاژهای سری 6000 برای خودروسازی و ساخت سازه ها استفاده میشود.

سری 5xxx (آلیاژهای آلومینیوم-منیزیوم)

احتمالا با مطالعه قسمت های قبلی متوجه شده اید که منیزیوم به چه منظوری در ساخت این آلیاژها استفاده میشود.

 منیزیوم یکی از عناصری است که استحکام این آلیاژها را تا حد زیادی افزایش میدهد.

 مستحکم ترین آلیاژ این دسته 5456 است که استحکامی برابر 310 مگاپاسکال دارد.

 به همین دلیل از این دسته در ساخت سازه های خشکی ، دریایی و مخازن استفاده میشود.

یکی از مشکلات سری 5000 خوردگی آن هاست که با افزایش درصد منیزیوم اتفاق می افتد.

 برای جلوگیری از این مشکل، کروم و منگنز به ترکیب اضافه میشوند.

 5083 آلیاژی است که برای جلوگیری از حملات شیمیایی در محیط های دریایی استفاده میشود و 5754 نیز با مقاومت خوردگی بالای خود برای جلوگیری از خوردگی در محیط های آلوده استفاده میشود.

نام گذاری آلیاژهای ریختگی

نام گذاری آلیاژهای ریختگی نیز همانند آلیاژهای کارشده انجام میشود. 

اما یک تفاوت مهم بین این دو دسته وجود دارد  و آن به این صورت است که رقم آخر این آلیاژها با یک اعشار از سه رقم اول جدا میشود.

 به همین دلیل بعضی مواقع گفته می شود که نام گذاری این آلیاژها به صورت عددی سه رقمی است.

 اولین رقم نشان دهنده نوع عناصر آلیاژی و رقم دوم و سوم نشان دهنده درصد خلوص آلیاژ است.

 اما رقم بعد از اعشار نشان دهنده نوع محصول است. در صورتی که عدد 0 باشد، محصول ریخته شده را نشان میدهد.

 اما عدد 1 نشان دهنده شمش ریخته شده است. 

عدد 2 نیز شمش ریخته شده با با محدودیت در ترکیب شیمیایی را نشان میدهد.

#فلز

تولید آلومینیوم در ایران و جهان

در سال 2019 تولید آلومینیوم جهان رقمی معادل 64 میلیون تن اعلام شده است.

 کشور چین به دلیل فراوانی منابع اولیه و هزینه های بسیار پایین تولید سال هاست که رتبه اول جهان در تولید آلومینیوم را به خود اختصاص داده است. 

این کشور با تولید 36 میلیون تن در سال 2019، به تنهایی بیش از 50 درصد تولید جهان را به نام خود ثبت کرد.

 پس از این کشور ، هند با تولید 3 میلیون و هفتصد هزارتن در این سال رتبه دوم را به خود اختصاص داد.

 پس از آن کشورهای روسیه ، کانادا و امارات متحده عربی نیز رتبه های دوم تا پنجم را از آن خود کردند.

کشور ما نیز در سال 2017 میلادی با تولید 338 هزار تن در سال رتبه 21 جهان را به خود اختصاص داده است. 

ایرالکو اولین شرکت تولید کننده آلومینیوم در ایران به حساب می آید که در سال 1353 به بهره برداری رسید.

 هم اکنون این شرکت با تولید انواع شمش و قطعات دیگر، بزرگ ترین شرکت تولید آلومینیوم ایران به حساب می آید. پس از این شرکت، کارخانه آلومینیوم المهدی نیز با بهره برداری در سال 1369، دومین کارخانه تولیدی بزرگ کشور محسوب میشود.

# خواص آلومینیوم