Bauxite Mined and Refined Into Alumina

Bauxit er det primære råmateriale, der bruges til at fremstille aluminium. Dette lerlignende mineral består af alu-hydroxider som gibbsit, boehmit og diaspore, der er dannet gennem intense lateritiske forvitringsprocesser.

Bauxitmalm knuses og vaskes først, før den opløses i varm kaustisk sodaopløsning, kendt som "grøn væske". Når denne grønne opløsning er blevet overført til høje bundfældningstanke med aluminiumhydroxidfrø tilsat til udfældning af fast aluminiumoxidhydrat, når temperaturen afkøles, kan bundfældningstanke også bruges til at fremskynde størkningen.

Bayer-processen

På store industrianlæg er det i Bayer-processen, at magien ligger. Det er her, den industrielle kemi tager form ved at omdanne råmaterialer til produkter, der er til gavn for samfundet. Denne flertrinsproces bruger forskelligt filtrerings- og separationsudstyr og involverer også miljøhensyn; dens biprodukter som f.eks. rødt mudder kræver omhyggelig håndtering før bortskaffelse.

Bauxitmalm behandles med en kaustisk sodaopløsning og nedbrydes ved høje tryk og temperaturer for at udtrække de opløselige aluminiumsværdier, hvilket skaber fortyndet natriumaluminat og en uopløselig kaustisk rest kendt som rødt mudder. Dette ildfaste materiale kræver særlig håndtering, da det kan indeholde tungmetaller, alkaliske forbindelser og fenolforbindelser; derfor klassificeres det som farligt affald af de lokale myndigheder.

Kaustisk sodaopløsning ledes derefter gennem en række seks etager høje udfældningstanke, hvor frøkrystaller af aluminiumoxidhydrat tilsættes og får lov til at vokse, så de til sidst trækker alle vandmolekyler i opløsningen til sig og skaber et hvidt fast stof af aluminiumoxidhydroxid, som senere bruges i Hall-Heroult-smelteprocessen til fremstilling af aluminiummetal.

Filtreret og vasket aluminiumoxid behandles derefter yderligere for at fjerne eventuel resterende kaustisk soda og andre urenheder, før det tørres og opvarmes for at fjerne overskydende fugt forårsaget af krystallisering gennem kalcinering - et vigtigt trin.

Vandfri aluminiumoxid, der produceres under forarbejdningen, er klar til brug med det samme og formes derefter i forskellige former ved hjælp af metoder som tørpresning, isostatisk presning, rulleformning, sprøjtestøbning og/eller glidestøbning. Når det er formet, kan det laves til støbegods i form af plader og stænger samt isostatisk pressede isolerings- og tætningsmaterialer, der bruges i forskellige industrier - hvor størstedelen af produktionen tjener metalurgiske formål, mens resten bruges i specialanvendelser eller som kemikalier, der stammer fra det.

Kryolit-badet

Charles Martin Hall begyndte at forske i metoder til aluminiumsproduktion i 1880. Han opdagede, at elektrisk strøm gennem aluminiumoxid fik det til at bryde sammen i ilt og aluminiummetal, og Halls efterfølgende opdagelse var, at kryolitopløsning kunne opløse dette materiale og frigive dets værdifulde egenskaber; dermed skabtes den elektrolytiske Hall-Heroult-proces, som blev en vigtig vej til produktion af primæraluminium i 1908.

Smeltning af aluminium kræver konstante og store mængder elektrisk energi. Et kryolitbad skal forblive ved en ideel driftstemperatur for at muliggøre en kontinuerlig produktion, hvor overskydende aluminium, der ophobes ved katoden, med jævne mellemrum suges ud og sendes til store opbevaringsovne, hvor urenheder kan fjernes, legeringselementer tilsættes og derefter støbes til barrer.

For at gøre denne proces økonomisk levedygtig er det afgørende, at tilførselshastigheden af aluminiumoxid til et kryolitbad styres, så der opretholdes en konstant koncentration inden for et optimalt område. Mange faktorer, herunder partikelstørrelse og omrøring, kan have indflydelse på denne faktor.

Ved at foretage en røntgendiffraktionsanalyse af kryolitbadet kan man nemt kontrollere mængden af calcium og magnesium. Desværre lider denne røntgenteknik dog af flere ulemper, som begrænser dens nøjagtighed: Disse omfatter vanskeligheder med at analysere dens pulvermønster samt overlapning mellem semiamorf kryolit NaCaAlF6-topanalyse med både chiolit- og weberit-analysetoppe; det er vanskeligt at skelne neiborit fra neibourit med denne røntgenmetode alene!

Smelteværker bruger højtryksdiffraktionssystemer til nøjagtigt at overvåge kryolitbadets temperatur i realtid og forudsige, hvornår det vil fryse - begge væsentlige komponenter i deres proces. Desuden kan dette system opdage kulstofurenheder - som udgør en sundhedsrisiko for arbejdere, der udsættes for det i miner, støberier og fabrikker - samt mineralindeslutninger som pyrit eller calcit, der indikerer urenheder i selve aluminiumoxidet.

Smeltningsprocessen

Aluminium kan udvindes (til en uøkonomisk pris) fra nogle lerarter, men størstedelen af produktionen kommer fra minedrift og raffinering af bauxit til alumina (aluminiumoxid). Aluminiumoxid fungerer derefter som råmateriale til fremstilling af aluminiummetal; denne energikrævende proces bruger store mængder elektricitet. I dag vokser den globale produktion af aluminiumoxid hurtigt ved hjælp af variationer af Bayers procesteknologi (selvom vanskeligere bauxitter med højt indhold af diasporer kan kræve andre variationer).

Fintmalet bauxit kombineres under tryk i kokere med varme opløsninger af kaustisk soda (NaOH) for at opløse de aluminiumholdige mineraler - gibbsit, bohmit og diaspore - i en overmættet opløsning af natriumaluminat, der kaldes svovlholdig væske. Reaktiv silica i opløsningen skal også fjernes gennem yderligere behandling for at skabe en rød slamsuspension, også kaldet "aluminiumoxidslam", før det pumpes ind i forseglede dæmninger, der indeholder uigennemtrængelige materialer for at forhindre lækage og forurening af det omgivende miljø.

Reduktionsgryder kombinerer aluminiumoxid (med nogle rester af kaustisk soda) med kulstof for at danne en smeltet elektrolyt, og en elektrisk strøm passerer gennem denne elektrolyt og bryder kemiske bindinger mellem aluminium og ilt i aluminiumoxid og frigør dermed ilt, hvor aluminium til sidst aflejres i bunden som anodemetal, mens kuldioxidgas stiger op som katodemetal.

I høje fældningskar adskilles aluminiumoxidhydratopløsningen yderligere fra kaustisk soda ved at tilsætte små mængder fint krystallinsk aluminiumoxidpulver til den flydende opløsning, hvilket får det til at udfælde som hårde aluminiumsilikat-aluminiumoxidhydratfaste stoffer, der derefter kan filtreres, vaskes og tørres til hvid pulverform kendt som "kalcineret aluminiumoxid".

Dette aluminiumoxidpulver kan formes til forskellige produkter ved hjælp af forskellige teknikker - f.eks. tør-, isostatisk- og varmpresning, glidestøbning eller båndstøbning - med eller uden tilsætning af yderligere materialer (bindemidler eller termoplast) for at lette fremstillingen og produktionsprocesser som f.eks. sprøjtestøbning eller fremstilling af tynde substrater til mikroelektroniske kredsløb. Desuden hjælper brugen af det som fyldstof med at forbedre keramikkens isolerende egenskaber.

Kalcineringsprocessen

Bauxitrester kan forarbejdes yderligere ved hjælp af kalcinering, hvilket indebærer, at de føres ind i en roterovn, hvor de udsættes for høje temperaturer for at fjerne eventuelt resterende vand og kemisk bundne elementer, hvilket giver et aluminiumoxidpulverprodukt, der er egnet til at blive formet eller brugt som råmateriale i keramiske anvendelser.

Varmegenererende reaktioner katalyseres af varm kaustisk soda (NaOH). Reaktanter med forskellig sammensætning - f.eks. en kombination af diaspore og gibbsit - kan også tilsættes for at styre temperaturprofiler og producere forskellige kvaliteter af aluminiumoxid.

Mens størstedelen af aluminiumoxidproduktionen går til aluminiumsmelteindustrien, er der et betydeligt marked for specialaluminiumoxid, der bruges som ildfaste materialer og teknisk keramik. Disse specialprodukter har fine, krystallinske strukturer med meget høje specifikke overfladearealer for at modstå korrosive angreb; desuden har de isoleringsegenskaber, høje styrkeniveauer og termisk stabilitet, hvilket gør dem til uvurderlige komponenter i ovnkonstruktionsprojekter.

Andre anvendelser af aluminiumoxid omfatter keramisk fremstilling som f.eks. ildfaste materialer, slibemidler og katalysatorstøtter. Bindemidler kan ofte indgå i pulveret; termoplast til sprøjtestøbte dele opvarmes f.eks. og blandes med aluminiumoxid, før det brændes af under afkølingsprocessen. En anden anvendelse af tape-casting er at blande det med en organisk væske for at fremstille tynde substrater til mikroelektroniske kredsløb.

I modsætning til andre keramiske materialer, der har tendens til at være bløde og skøre og derfor ikke kan modstå slag- eller trækbelastninger i drift, er aluminiumoxid hårdt, holdbart og har en lav udvidelseskoefficient - ideelle egenskaber til lejer og tætninger. Desværre kan dets fine struktur føre til svækkelsesdefekter som revner og opløsning, når det udsættes for slagbelastning eller for stor trækbelastning.

Kalcinering er en industriel opvarmningsmetode, der bruges til at opnå kemisk adskillelse af faste materialer ved at fordampe vand, fordampe forurenende stoffer og nedbryde oxiderende dele af massen. Kalcinering har længe været anvendt som en effektiv måde at fremstille vandfri aluminiumoxid på, at fremstille vægplader af gipsaffald, at udvinde rutil af høj renhed fra anatas til produktion af rutil af høj renhed samt til andre industrielle formål.