Aluminium er et af de mest udbredte metaller og også det mest genanvendte.
Alumina (aluminiumoxid, Al2O3) er et enestående industrielt keramisk materiale, der giver fremragende slidstyrke og korrosionsbeskyttelse til en rimelig pris. Denne alsidige keramik har en bred vifte af anvendelsesmuligheder inden for mange områder.
Hall-Heroult-processen kræver et ekstremt højt smeltepunkt for aluminiumoxid; derfor tilsættes kryolit som en forebyggende foranstaltning for at sænke smeltepunktet, før elektrolysen finder sted.
Det høje smeltepunkt for aluminiumoxid
Aluminas høje smeltepunkt gør det til et uvurderligt materiale i mange anvendelser, herunder fremstilling af ildfaste materialer, der kan modstå barske industrielle miljøer, glasproduktion, sintret keramik og elektriske anvendelser. Aluminiumoxid forbliver også strukturelt intakt ved høje temperaturer, hvilket gør det velegnet som ingrediens i produktionen af disse produkter, samtidig med at det giver styrke og stabilitet under fremstillingen. Desuden kan aluminiumoxid også sintres til tætte keramiske strukturer, der giver styrke og isoleringsevne, som der er brug for i elektriske anvendelser.
Aluminiumoxid er et naturligt mineral, der findes som naturlig bauxit eller som hydratiserede former som gibbsit, diaspore og boehmit. Derudover udvindes alumina ofte sammen med aluminium, kobber og zink og fungerer som et biprodukt fra minedrift. Aluminiumoxid er et ugiftigt og inert materiale med lav elektrisk ledningsevne, overlegen kemisk modstandsdygtighed og hårdhed (ni på Mohs skala). Desuden er det ubrændbart, har lav varmeudvidelse og gode elektriske isoleringsegenskaber, hvilket gør aluminiumoxid til en fremragende isolator mellem forskellige metaller som kobber og zink fra minedrift.
På grund af sit ekstremt høje smeltepunkt kan aluminiumoxid ikke reduceres direkte fra fast form. I stedet skal det først raffineres kemisk til aluminiumoxid, før aluminium kan udvindes gennem Hall-Heroult elektrolytisk reduktion - dette er dets vigtigste kilde og faktor bag dets relativt overkommelige omkostninger.
Sikkerheden skal altid komme i første række, når man håndterer smeltet aluminium, da direkte kontakt kan forårsage alvorlige forbrændinger på huden og resultere i alvorlige skader, hvis det kommer i direkte kontakt med kroppen. Desuden kan vand eller andre forurenende stoffer potentielt udløse eksplosive reaktioner, som truer medarbejderne.
Da der er flere metoder til at beskytte sig mod utilsigtet eksponering for smeltet aluminium, anbefales det at arbejde under en beskyttende atmosfære med et gasrensningssystem for at minimere utilsigtet eksponering. Desuden bør der være iltovervågning på dette rensningssystem for at sikre en ensartet luftkvalitet i hele produktionsprocessen, og personale, der arbejder med smeltet aluminium, bør bære personlige værnemidler mod stænk og direkte kontakt.
Ildfaste materialer
Ildfaste materialer med høj aluminiumoxid er designet til at modstå ekstreme temperaturer uden at opleve væsentlige strukturelle ændringer, hvilket gør dem perfekte til brug i ovne og andet industrielt udstyr, der vil blive udsat for sådanne temperaturer over længere perioder. Desuden udviser disse materialer også andre vigtige kvaliteter som lav elektrisk ledningsevne og modstandsdygtighed over for kemiske angreb.
Der findes en række ildfaste materialer af aluminiumoxid, alle med lidt forskellige sammensætninger, som udgør ildfaste materialer af aluminiumoxid. Nogle eksempler er mullit og korund, som begge består af store enkeltkrystalkorn, der holdes sammen af et bindings- eller matrixsystem; deres kornfase kan bestå af materialer som bauxit, grafit eller magnesia, mens deres bindingssystem kan omfatte lerbindemidler eller fine pulvere som fumed silica eller aluminiumoxidcementer (afsnit 27.3).
SNBSC (nitridbundet siliciumcarbid) ildfaste materialer har længe været brugt i aluminiumssmelteprocesser på grund af deres overlegne modstandsdygtighed over for oxidation og korrosion, høje varmeledningsevne og evne til at blive støbt tyndere end ildfaste sidevægsbeklædninger - kvaliteter, der muliggør større anoder og højere effekttilførsel uden at øge produktivitetsomkostningerne.
Disse materialer kan også bruges i forskellige applikationer på grund af deres hårdhed, fremragende slidstyrke og isoleringsegenskaber. Deres alsidige formulering gør, at de kan opfylde stort set alle tænkelige anvendelsesbehov - bløde eller hårde formuleringer kan fremstilles afhængigt af kravene. Deres modstandsdygtighed over for stød og slag gør disse materialer velegnede til mange formål, f.eks. skæreværktøjer, slibeskiver, trækforme og ekstruderingsforme, ligesom deres Mohs-hårdhed på 9 gør dem velegnede til bearbejdning af keramiske substrater, sokler og tændrør.
Ildfaste mørtler og monolitter af aluminium er populære produkter i fremstillingsindustrien. Når de blandes med vand, skaber disse pastalignende produkter det ideelle materiale til at skabe ildfaste foringer, lappeopgaver eller belægge vægge og overflader. Alumina-baserede ildfaste mørtler kan også bruges til at reparere afklippede eller udglattede fuger, mens monolitiske produkter giver fugefri belægninger i specielle former.
Metaller
Smeltepunktet er et vigtigt mål for metaller, da det indikerer, hvordan de kan omdannes til brugbare produkter. Et lavere smeltepunkt tyder på større tilpasningsevne, når man former et industrielt produkt af det. Smeltepunkter kan påvirkes af forskellige faktorer, herunder temperatur, tryk og form; legeringer har typisk lidt højere smeltepunkter end rene metaller, mens enhver tilstedeværelse af andre metaller også kan ændre denne egenskab.
Aluminiumoxid er med sit smeltepunkt på 2.072 grader Celsius et af verdens mest udbredte avancerede keramiske materialer. Alumina er en hård og holdbar keramik, der udmærker sig som både elektrisk isolator og varmeleder, og som har mange forskellige anvendelsesmuligheder inden for kemiteknik, rumfart og forsvar - og som er korrosions- og slidbestandig.
Aluminiumoxid har fremragende ildfaste egenskaber og et enestående smeltepunkt, der gør det velegnet til brug i miljøer med ekstreme varmeforhold - hvilket gør det til det ideelle materialevalg til mange industrielle anvendelser.
Bauxit er det primære råmateriale til fremstilling af aluminiumoxid, og det udvindes fra dybe underjordiske miner ved hjælp af en roterovn. Når aluminiumoxid er udvundet, transporteres det til et raffinaderi, hvor urenheder kan fjernes ved hjælp af filtrering og kemisk udfældning, før det videreforarbejdes i en Higgins-ovn for at producere monokrystallinsk aluminiumoxid af ildfast kvalitet med en renhed på 95% eller højere - kendt som "aluminiumoxid af ildfast kvalitet".
Monokrystallinsk aluminiumoxid har et lavere smeltepunkt end almindelig aluminiumoxid på grund af den fusionsproces i ét trin, som det fremstilles ved. Det dannes ved at smelte bauxit sammen med pyrit (FeS2) og svovl, hvilket resulterer i to ublandbare væsker, som afkøles langsomt for at skabe en matrix af sulfidkrystaller, hvori der ligger monokrystallinsk aluminiumoxid, som senere knuses og behandles kemisk og mekanisk for at frigøre individuelle krystaller af monokrystallinsk aluminiumoxid.
Luft- og rumfartsapplikationer
Aluminiumoxidets høje smeltepunkt gør det til et fremragende materialevalg til brug i ildfaste materialer, der skal kunne modstå høj varme, og i rumfartsapplikationer, der kræver ekstrem temperaturbestandighed.
Der er brug for termisk energi til at ændre de kovalente bindinger mellem ilt og aluminium i aluminiumoxid, hvilket skaber det høje smeltepunkt. For at sænke det bruges elektrolyse til at omdanne det til diatomisk ilt i den ene ende og aluminium i den anden med elektricitet; denne Hall-Heroult-proces er en af de mest omkostningseffektive industrielle produktionsteknikker, der findes i dag til fremstilling af aluminium. Aluminiumsproduktion har således haft en enorm indflydelse på den globale økonomi i dag.
Andre industrielle anvendelser af aluminiumoxid omfatter fremstilling af ildfaste produkter til ovne og andet industrielt udstyr til høje temperaturer. Aluminas evne til at bevare sin strukturelle integritet ved høje temperaturer og samtidig være modstandsdygtig over for kemiske angreb gør det til et ideelt materialevalg til sådanne formål.
Elektriske anvendelser af aluminiumoxid omfatter keramiske isolatorer, der bruges i elproduktions- og transmissionssystemer; deres primære anvendelse er at sikre sikker energiproduktion og distributionsnetværk. Aluminiumoxid er hovedingrediensen i disse isolatorer, som skal kunne modstå ekstremt høje temperaturer for at forblive funktionsdygtige i denne anvendelse.
Aluminiumoxid kan også bruges til at fremstille industrielle skæreværktøjer. Når det blandes med zirkoniumoxid- eller siliciumcarbidpartikler, kan dets hårdhed øges, så det kan bruges til skæring og slibning i industrien. Desuden gør den lave elektriske ledningsevne og evnen til at modstå høje temperaturer aluminiumoxid til et uvurderligt materialevalg til denne anvendelse.
På grund af denne egenskab anvendes aluminiumoxid ofte til fremstilling af dele til fly og jetmotorer på grund af deres evne til at modstå ekstreme temperaturer uden at blive deformeret og give pålidelig ydeevne, samtidig med at motorens levetid forlænges. Luft- og rumfartsvirksomheder er stærkt afhængige af dets stabilitet som en grundlæggende bestanddel i mange forskellige anvendelser - fra flyproduktionsdele og jetmotorkomponenter til køretøjer og udstyr i barske miljøer og meget mere - så aluminiumoxid spiller en vigtig rolle.