L'alto punto di fusione dell'allumina

L'alluminio è uno dei metalli più diffusi, nonché il più riciclato.

L'allumina (ossido di alluminio, Al2O3) è un eccezionale materiale ceramico industriale, che offre un'eccellente resistenza all'usura e protezione dalla corrosione a un costo ragionevole. Questa versatile ceramica trova ampie applicazioni in numerosi settori.

Il processo Hall-Heroult richiede un punto di fusione estremamente elevato per l'allumina; pertanto, la criolite viene aggiunta come misura preventiva per abbassare il punto di fusione prima che avvenga l'elettrolisi.

L'alto punto di fusione dell'allumina

L'elevato punto di fusione dell'allumina la rende un materiale prezioso in molte applicazioni, tra cui la produzione di materiali refrattari che resistono ad ambienti industriali difficili, la produzione di vetro, ceramiche sinterizzate e applicazioni elettriche. L'allumina rimane strutturalmente intatta anche ad alte temperature, il che la rende adatta come ingrediente per la produzione di questi prodotti, fornendo forza e stabilità durante la fabbricazione. Inoltre, l'allumina può essere sinterizzata in strutture ceramiche dense, fornendo resistenza e capacità isolante, come richiesto dalle applicazioni elettriche.

L'allumina è un minerale naturale abbondante che si trova sotto forma di bauxite nativa o di forme idrate come la gibbsite, la diaspora e la boehmite. Inoltre, l'allumina viene spesso estratta insieme ad alluminio, rame e zinco e funge da sottoprodotto delle operazioni minerarie. Materiale inerte e non tossico, l'allumina presenta una bassa conducibilità elettrica, una resistenza chimica e una durezza superiori (nove sulla scala Mohs). Inoltre, non è infiammabile, ha un basso tasso di espansione termica e buone qualità di isolamento elettrico che rendono l'allumina un eccellente isolante tra metalli diversi, come nelle operazioni di estrazione di rame e zinco.

A causa del suo punto di fusione estremamente elevato, l'allumina non può essere ridotta direttamente dalla forma solida. Deve invece essere raffinato chimicamente in ossido di allumina prima di poter estrarre l'alluminio attraverso la riduzione elettrolitica di Hall-Heroult, che è la sua fonte principale e il fattore alla base dei suoi costi relativamente accessibili.

La sicurezza deve essere sempre al primo posto quando si maneggia l'alluminio fuso, poiché il contatto diretto può provocare gravi ustioni alla pelle e gravi lesioni se lasciato a diretto contatto con il corpo. Inoltre, l'acqua o altri contaminanti possono potenzialmente innescare reazioni esplosive che minacciano i lavoratori.

Poiché esistono diversi metodi per proteggersi dall'esposizione accidentale all'alluminio fuso, si raccomanda di lavorare in un'atmosfera protettiva con un sistema di lavaggio dei gas per ridurre al minimo l'esposizione accidentale. Inoltre, il monitoraggio dell'ossigeno dovrebbe essere incluso in questo sistema di lavaggio per garantire una qualità dell'aria costante durante il processo di produzione e il personale che lavora con l'alluminio fuso dovrebbe indossare dispositivi di protezione personale contro gli spruzzi e il contatto diretto.

Materiali refrattari

I materiali refrattari ad alto tenore di allumina sono progettati per resistere a temperature estreme senza subire cambiamenti strutturali significativi, il che li rende perfetti per l'uso in forni e altre apparecchiature industriali che saranno esposte a tali temperature per periodi prolungati. Inoltre, questi materiali presentano anche altre importanti qualità, come la bassa conducibilità elettrica e la resistenza agli attacchi chimici.

Esiste una serie di materiali refrattari a base di allumina, tutti con composizioni leggermente diverse, che costituiscono i refrattari a base di allumina. Alcuni esempi sono la mullite e il corindone, entrambi composti da grandi grani di cristallo singolo tenuti insieme da un sistema di legami o matrice; la fase dei grani può essere costituita da materiali come la bauxite, la grafite o la magnesia, mentre il sistema di legami può includere leganti argillosi o polveri fini come la silice fumata o i cementi di allumina (sezione 27.3).

I refrattari SNBSC (carburo di silicio legato al nitruro) sono da tempo utilizzati nelle operazioni di fusione dell'alluminio grazie alla loro superiore resistenza all'ossidazione e alla corrosione, all'elevata conducibilità termica e alla capacità di essere colati con uno spessore inferiore rispetto ai rivestimenti refrattari a parete laterale - qualità che consentono anodi più grandi e input di potenza più elevati senza aumentare i costi di produttività.

Questi materiali possono essere utilizzati in diverse applicazioni grazie alla loro durezza, all'eccellente resistenza all'usura e alle proprietà isolanti. La loro formulazione versatile consente di soddisfare praticamente tutte le esigenze applicative: si possono produrre formulazioni morbide o dure a seconda delle necessità. La resistenza agli urti e agli impatti rende questi materiali adatti a molti scopi, come utensili da taglio, dischi abrasivi, matrici di trafilatura ed estrusione, mentre la loro durezza Mohs di 9 li rende adatti alla lavorazione di substrati ceramici, zoccoli e candele.

Le malte e i monolitici refrattari all'allumina sono prodotti molto utilizzati nella produzione. Mescolati con acqua, questi prodotti pastosi creano il materiale ideale per creare rivestimenti refrattari, rappezzare lavori o rivestire pareti e superfici. Le malte refrattarie a base di allumina possono essere utilizzate anche per riparare i giunti tagliati o spatolati, mentre i monolitici forniscono rivestimenti senza giunti in forme speciali.

Metalli

Il punto di fusione è una misura essenziale dei metalli, in quanto indica la loro manipolazione in prodotti utilizzabili. Un punto di fusione più basso suggerisce una maggiore adattabilità quando si plasma un prodotto industriale a partire da esso. Il punto di fusione può essere influenzato da vari fattori, tra cui la temperatura, la pressione e la forma; le leghe possiedono in genere punti di fusione leggermente più alti rispetto ai metalli puri, mentre la presenza di altri metalli può alterare questa proprietà.

L'allumina, con un punto di fusione di 2.072 gradi Celsius, è uno dei materiali ceramici avanzati più utilizzati al mondo. Ceramica dura e resistente che eccelle sia come isolante elettrico che come conduttore termico, l'allumina trova una varietà di impieghi nei settori dell'ingegneria chimica, aerospaziale e della difesa, oltre a essere resistente alla corrosione e all'usura.

L'allumina vanta eccellenti proprietà refrattarie e ha un punto di fusione eccezionale, che la rende adatta all'uso in ambienti con condizioni di calore estreme - il che la rende la scelta ideale per numerose applicazioni industriali.

La bauxite è la materia prima primaria per la produzione di allumina e viene estratta da miniere sotterranee profonde utilizzando un forno rotante. Una volta estratta, l'allumina viene trasportata in una raffineria dove le impurità possono essere rimosse mediante filtrazione e precipitazione chimica, prima di essere ulteriormente lavorata in un forno Higgins per produrre allumina monocristallina di grado refrattario di purezza 95% o superiore, nota come "allumina di grado refrattario".

L'allumina monocristallina ha un punto di fusione più basso rispetto all'allumina normale, grazie al processo di fusione in un unico stadio con cui viene prodotta. Si forma fondendo la bauxite con la pirite (FeS2) e lo zolfo, ottenendo due liquidi immiscibili che si raffreddano lentamente per creare una matrice di cristalli di solfuro all'interno della quale si trova l'allumina monocristallina che viene successivamente frantumata e trattata chimicamente e meccanicamente in modo da liberare i singoli cristalli di allumina monocristallina.

Applicazioni aerospaziali

L'elevato punto di fusione dell'allumina la rende un'ottima scelta per l'uso nei materiali refrattari che devono sopportare un calore elevato e nelle applicazioni aerospaziali che richiedono una resistenza a temperature estreme.

L'energia termica è necessaria per modificare i legami covalenti tra l'ossigeno e l'alluminio nell'allumina, creando il suo elevato punto di fusione. Per abbassarlo, si utilizza l'elettrolisi per convertirlo in ossigeno biatomico da un lato e alluminio dall'altro con l'elettricità; questo processo di Hall-Heroult è una delle tecniche di produzione industriale più efficienti dal punto di vista dei costi oggi disponibili per produrre alluminio. La produzione di alluminio ha quindi avuto un enorme impatto sull'economia globale di oggi.

Altri usi industriali dell'allumina includono la produzione di prodotti refrattari per forni, fornaci e altre apparecchiature industriali ad alta temperatura. La capacità dell'allumina di mantenere l'integrità strutturale alle alte temperature e di essere resistente agli attacchi chimici la rende un materiale ideale per questi impieghi.

Le applicazioni elettriche dell'allumina comprendono gli isolanti ceramici utilizzati nei sistemi di generazione e trasmissione di energia; il loro uso principale è quello di garantire la sicurezza delle reti di produzione e distribuzione dell'energia. L'allumina è l'ingrediente principale di questi isolanti, che devono resistere a temperature estremamente elevate per rimanere funzionali in questa applicazione.

L'allumina può essere utilizzata anche nella produzione di utensili da taglio industriali. Se mescolata con particelle di zirconia o carburo di silicio, la sua durezza può essere aumentata per soddisfare le applicazioni di taglio e rettifica nell'industria. Inoltre, la sua bassa conducibilità elettrica e la capacità di resistere alle alte temperature rendono l'allumina un materiale prezioso per queste applicazioni.

Grazie a questa caratteristica, l'allumina è comunemente impiegata nella produzione di componenti per aerei e motori a reazione, per la sua capacità di resistere a temperature estreme senza deformarsi e di fornire prestazioni affidabili, prolungando la durata del motore. Le aziende del settore aerospaziale fanno grande affidamento sulla sua stabilità come elemento costitutivo in molte applicazioni diverse, dai componenti per la produzione di aeromobili e motori a reazione, ai veicoli e alle attrezzature in ambienti difficili e non solo, per cui l'allumina svolge un ruolo essenziale.