مقدمه آلومینیوم چیست

بدون شک تصور دنیای مدرن امروز بدون آلومینیوم و آلیاژهای آن غیرممکن است، لذا برای شناخت بیشتر این فلز و دسترسی به نکات و توضیحات تکمیلی در این حوزه، پیشنهاد می شود بخش آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم را از وب سایت سام آلومینیوم (SAM Aluminum ) را مطالعه فرمایید.

آلومینیم و تاریخچه آن

تاریخچه استفاده از آلومینیم و ترکیبات آن به پنج هزاران سال قبل از میلاد برمی گردد که سفالگران ایرانی ظروف خشتی خود را از خاک رس که حاوی اکسید آلومینیم بود می ساختند و همچنین مصریان و بابلیان باستان نیز از ترکیبات آلومینیوم در رنگهای پارچه‌ای، مواد آرایشی و دارویی استفاده می‌کردند.

با این حال، فقط اوایل قرن نوزدهم بود که آلومینیوم به عنوان یک عنصر شناخته شد و به عنوان یک فلز خالص جدا شد. مشکل در استخراج آلومینیوم از ترکیبات طبیعی آن، فلز را برای سالها نادر نگه داشت.

فرآيند هال- هرول قرن 19 كه گام مؤثرى در استفاده از نيروى برق براى توليد فلز(آلومينيم) مى باشد. در انگلستان همفرى ديوى طى سالهاى 1808- 1813 براى استخراج اين فلز(آلومينيم) از تركيبات آن كوشيد ولى تنها آلياژى از آلومنيوم، آهن به دست آورد. كوششهاى بعدى او در اين مورد نيز نتيجه‌اى نبخشيد.

در سال 1825 فيزيكدان دانماركى هانس كريستين اورستد روش ديگرى براى استخراج را آزمايش كرد، حبه هاى كوچكى از فلز را كه احتمالأ حاوى آلومينيم ناخالص بود به دست آورد. اورستد را بايد راهگشاى واقعى دستيابى به آلومينيوم محسوب كرد.

فريدريش وهلر آلمانى با الهام از روش اورستد و به كارگيرى آن در تحقيقات بيشتر موفق شد تا به سال 1837 آلومينيوم را به صورت ورقه هاى نازك توليد كند.

در همان سال او خواص شيميايى اين فلز را براى اولين بار گزارش كرد.

وهلر به سال 1835 و پس از اصلاح روش خود توانست مقادير كمى آلومينيم را به صورت ذرات سوزنى شكل توليد كند، كه براى اولين بار از آنها براى تعيين خواص فيزيكى اين فلز استفاده كرد.

هانرى سن كلردوويل فرانسوى بر اساس نتايجى كه وهلر به دست آورده بود موفق به حذف موانع بيشترى شد و روش ديگرى كه از نظر فنى براى استخراج آلومينيوم عملى بود به دست آورد.

اولين قطعه آلومينيم توليد شده به اين روش، خلوصى بين 96 تا 97 درصد داشت و در سال 1855 در نمايشگاه بين المللى پاريس به نمايش گذاشته شد.

در سال 1886 پل. هرولت فرانسوى، چارلز مارتين هال آمريكايى همزمان، مستقل از هم توانستند از طريق تجزيه الكتروليتى اكسيد آلومينيم حل شده در مذاب كريوليت اين فلز را توليد كنند.

در آن زمان، تهيه انرژى الكتريكى لازم براى الكتروليز ديگر مشكلى نبود، زيرا در سال 1866 ورنرفون زيمنس آلمانى دينام ژنراتور را اختراع كرده بود.

امروزه در كليه فرآيندهاى توليد آلومينيم در سراسر دنيا همچنان بر اساس اصول كلى كشف شده توسط هرولت و هال عمل مى شود و بنابراين مى توان گفت سال1886، سال آغاز توليد صنعتى آلومينيم است.

در آن زمان، قبل از اين كه بتوان عمل استخراج فلز را در مقياس بزرگ آغاز كرد يك مشكل ديگر به وضوح به چشم مى خورد و آن توليد ماده اوليه يعنى اكسيد آلومينيم از سنگ معدن بوكسيت در مقياس زياد بود.

باير اتريشى در سال1893 با حل كردن بوكسيت در سود سوزآور براى تهيه اكسيد از بوكسيت فرآيندى مقرون به صرفه به دست آورد.

امروزه اغلب كارخانجات تهيه اكسيدآلومينيم، اكسيد لازم براى الكتروليز را بر اساس فرآيند باير تهيه مى كنند.

فرآیند ساخت و تولید ( آلومینیوم چیست ) 

تولید آلومینیوم در دو مرحله انجام می شود:

الف) فرآیند بایر (The Bayer process)، در تصفیه سنگ معدن بوکسیت برای به دست آوردن اکسید آلومینیوم.

1- ابتدا سنگ معدن بوکسیت به صورت مکانیکی خرد می شود.

سپس، سنگ خرد شده با سود سوزآور مخلوط شده و در آسیاب فرآوری می شود تا دوغاب (سوسپانسیون آبکی) حاوی ذرات بسیار ریز سنگ تولید شود.

2- دوغاب به دستگاه گوارش، مخزنی که مانند زودپز کار می کند، پمپ می شود.

دوغاب تحت فشار 230-520 درجه فارنهایت (110-270 درجه سانتیگراد) گرم می شود. این شرایط برای مدتی از نیم ساعت تا چند ساعت حفظ می شود. برای اطمینان از حل شدن تمام ترکیبات حاوی آلومینیوم، ممکن است سود سوزآور اضافه شود.

3- دوغاب گرم، که اکنون یک محلول سدیم آلومینات است، از طریق یک سری مخازن فلاش عبور می کند که فشار را کاهش می دهد و گرمای قابل استفاده مجدد در فرآیند تصفیه را بازیابی می کند.

4- دوغاب به درون مخزن ته نشینی پمپ می شود.

ناخالصی هایی که در سود سوزآور حل نمی شوند، در ته رگ قرار می‌گیرند. همانطور که آلومینیوم موجود در مخزن ته نشینی در محلول سود سوز آور حل می شود. باقیمانده (به نام «گل سرخ») که در ته مخزن جمع می شود شامل شن و ماسه ریز، اکسید آهن و اکسیدهای عناصر کمیاب مانند تیتانیوم است.

5- پس از برطرف شدن ناخالصی ها، مایعات باقیمانده که تا حدی شبیه قهوه است، از طریق یک سری فیلترهای پارچه ای پمپ می شود.

هر ذره ریز ناخالصی هایی که در محلول باقی مانده توسط فیلترها به دام می افتند.

این ماده برای بازیابی آلومینا و سود سوزآور قابل شستشو است.

6- مایع فیلتر شده از طریق یک سری مخازن بارشی شش طبقه پمپ می شود.

بلورهای بذر هیدرات آلومینا (آلومینای چسبیده به مولکول های آب) از بالای هر مخزن اضافه می شوند.

بلورهای بذر با نشستن در مایع و اتصال آلومینای محلول به آنها رشد می کنند.

7- کریستال ها رسوب شده ته مخزن برداشته می شوند.

پس از شستشو، آنها را برای حرارت دادن را به داخل یک کوره استوانه ای چرخان حرکت می دهد تحت دمای 2000 درجه فارنهایت (1100 درجه سانتیگراد) باعث بیرون راندن مولکول های آب می شود و بلورهای آلومینای بدون آب باقی می ماند.

بعد از خروج از کوره، کریستال ها از یک کولر عبور می کنند.

ب) فرآیند هال- هرولت (The Hall-Heroult process)، فرآیند ذوب اکسید آلومینیوم برای آزاد سازی آلومینیوم خالص.

ذوب آلومینا به آلومینیوم فلزی در یک ظرف فولادی به نام گلدان احیا انجام می شود.

پایین گلدان با کربن پوشانده شده است، که حاوی مجموعه ای از میله های کربن معلق در بالای گلدان است، که در یک محلول الکترولیت قرار می گیرند گلدان‌های احیا به صورت ردیفی متشکل از 50-200 گلدان چیده شده‌اند که به صورت سری به هم متصل شده و مدار الکتریکی را تشکیل می‌دهند. هر گلدان می تواند 66000-110،000 تن آلومینیوم در سال تولید کند.

8- درون گلدان احیا، بلورهای آلومینا در كرایولیت مذاب حل می شوند تا یك محلول الكترولیت ایجاد كنند كه برق را از میله های كربن به بستر كربن دار دیگ. جریان مستقیم (4-6 ولت و 100000-230000 آمپر) از طریق محلول عبور می کند.

واکنش حاصل باعث شکسته شدن پیوندهای بین اتم های آلومینیوم و اکسیژن در مولکول های آلومینا می‌شود.

اکسیژن آزاد شده به سمت میله‌های کربن جذب می شود و در آنجا دی اکسید کربن ایجاد می کند.

اتمهای آلومینیوم آزاد شده به عنوان فلز مذاب در ته گلدان قرار می گیرند. آلومینیوم مذاب خالص در انتهای گلدان جمع شده و سیفون می شود.

گلدان ها 24 ساعته و در هفت روز هفته کار می کنند.

9- یک بوته به پایین پاتیل منتقل می شود و 9000 پوند (4000 کیلوگرم) آلومینیوم مذاب جمع می کند، که 8/99% خالص است. این فلز به یک کوره نگهدارنده منتقل شده و سپس به صورت شمش ریخته در قالب ریخته می شود.

یک روش معمول ریختن آلومینیوم مذاب در قالب افقی و بلند است.

با حرکت فلز از طریق قالب، قسمت بیرونی آن با آب خنک می شود و باعث جامد شدن آلومینیوم می شود.

شافت جامد از انتهای قالب خارج می شود، جایی که در فواصل مناسب اره می شود تا شمش هایی با طول دلخواه تشکیل شود. مانند فرآیند ذوب، این فرآیند ریخته گری نیز مداوم است.

خصوصیات قابل توجه آلومینیوم ( آلومینیوم چیست )

آلومینیوم، فلزی:

•           نرم و سبک، اما قوی است
•          ظاهری نقره‌ای – خاکستری مات است
•          به دلیل لایه نازک اکسایش ضد زنگ خوردگی است.
•          وزن آلومینیوم تقریبأ یک سوم فولاد یا مس است.ِ
•         دومین فلز چکش خوار، ششمین فلز انعطاف‌پذیر و به راحتی خم می‌شود.
•          بسیار بادوام و مقاوم است.
•          دارای قابلیت هدایت حرارتی بالایی بعد از نقره و مس است.
•          دارای قابلیت انجام کار مکانیکی و تغییر فرم سرد و گرم است.
•          با توجه به خواص منحصر به فردش در طیف گسترده ای از کاربردها مفید است.
•          آلومینیوم به راحتی و از نظر اقتصادی در محصولات جدید قابل بازیافت است.

کاربرد آلومینیم
این آلیاژ به علت ویژگی های خاصی که دارد در بیشتر صنایع از جمله اتومبیل سازی، غذاسازی، ساختمان سازی، بلوکه های سیلندر خودرو، اسکلت سازی، صنایع پتروشیمی و صنابع هوایی و غیره به کار می رود.
آلیاژ های آلومینیم:   ( آلومینیوم چیست ) 
به طور کلی آلیاژ های آلومینیم به دو دسته کلی تقسیم می شود:

     1           1- آلیاژ های نوردی؛ 2- آلیاژ های ریخته گی
1- در آلیاژ های نوردی ابتدا آلیاژ به شکل شمش ریخته شده سپس با توجه به شرایط تولید هر یک از فرآیندهای کار سرد شامل: نورد، فورج، سوراخ کاری برش و …. روی قطعه انجام می شود.
روش‌های تولید شمش های نوردی:
الف) روش مداوم(countinus) : این روش که از سرعت تولید بالایی برخوردار است به این صورت می باشد که ذوب ریزی به صورت مداوم ادامه پیدا می کند.
به این صورت که محفظه ای از فولاد گرم که در زیر پاتیل مذاب قرار دارد مذاب را به صورت دائم دریافت می نماید، مذاب پس از رها شدن از پاتیل وارد محفظه شده و در مرحله اول آب گرد هایی که در قسمت بالای محفظه قرار دارند مذاب را به مرحله خمیری می رساند در مرحله بعد مذاب به مرحله آب فشان رسیده و به طور کامل منجمد می شود و در پایان تیغه ای که در انتهای محفظه قرار دارد فلز را برش زده و بر روی صفحه نقاله می اندازد.
ب) روش نیمه مداوم و یا تکباری (non countinus): این روش که در کارخانه ها و به وسیله قالب های ماسه ای انجام می شود به این صورت است که ابتدا کوره را به مقدار معینی شارژ کرده سپس شارژ آماده شده را در قالب های مورد نظر می ریزند.
2- تهیه آلیاژ های ریخته‌گی (فرآیند شکل ریزی): تولید شکل نهایی قطعه به صورت مذاب ریزی مستقیم در ریخته گری‌ها به صورت زیر می‌باشد:

الف) شمش اولیه: این شمش معمولاً در کارخانه‌های ریخته‌گری تولید می شود و از درصد خلوص بالایی درحدود 99.9% برخوردار است که معمولا به صورت پوکه های مستطیل شکل با وزن 15 الی 20 کیلو گرم تهیه می شوند. که جهت آلیاژ سازی آن‌ها از شمش های منیزیم، روی، سیلیسیم استفاده می شود.

ب) شمش‌های ثانویه: این شمش‌ها معمولا از ذوب مجدد قراضه‌ها و برگشتی‌ها تولید می‌شود و با توجه به اینکه عملیات تصفیه و تمیزکاری روی این شمش‌ها انجام می‌شود از لحاظ قیمت گرانتر از شمش‌های اولیه می‌باشد اما دارای درصد خلوص و کیفیت بالاتری نسبت به شمش های اولیه می باشد.
ج) قراضه ها: که قیمت مناسبی داشته ولی قبل از استفاده باید عملیات تمیزکاری بر روی آن‌ها انجام شود.
د) برگشتی‌ها: این شمش ها انواع قطعات معیوب سیستم راهگاهی را شامل می شود که به جهت شارژ مجدد در ریخته گری استفاده می شود.
ج) آلیاژ سازها و یا هاردنرها (آمیژن ها): این گروه از آلیاژ سازها هنگامی استفاده می شود که قرار باشد عناصری را با نقطه ذوب بالاتر یا نقطه ذوب پایین تر به مذاب اضافه کنیم به عنوان مثال اضافه کردن مس با نقطه ذوب 1080 درجه سانتیگراد به مذاب آلومینیم که این عمل باید به صورت آمیژن انجام شود. یا اضافه کردن روی با نقطه ذوب 420 درجه سانتیگراد به مذاب آلومینیم که باید به صورت آمیژن انجام شود.