ボーキサイトの採掘とアルミナへの精製

ボーキサイトは、アルミニウムの製造に使用される主原料である。この粘土状の鉱物は、ギブサイト、ボーマイト、ダイアスポアなどのアルミニウム水酸化物から成り、激しいラテライト風化プロセスによって形成された。

ボーキサイト鉱石は、"グリーン・リカー "と呼ばれる高温の苛性ソーダ溶液に溶解する前に、まず粉砕・洗浄される。この緑液を、温度が冷えるにつれて固体のアルミナ水和物を沈殿させるために水酸化アルミニウムの種を加えた背の高い沈殿槽に移した後、沈殿槽を利用して固化を促進することもある。

バイエルプロセス

大規模な工業プラントでは、バイエルプロセスがすべての魔法をかける場所です。ここでは、原材料を社会に役立つ製品に変えることで、工業化学が形づくられる。この多段階プロセスでは、さまざまなろ過・分離装置が使用され、環境問題への配慮も必要とされる。赤泥などの副産物は、廃棄前に慎重な取り扱いが求められる。

ボーキサイト鉱石は、苛性ソーダ溶液を使用して処理され、可溶性アルミナ値を抽出するために、高い圧力と温度で消化され、希アルミン酸ナトリウム液と赤泥として知られる不溶性苛性残渣を生成する。この耐火物は、重金属、アルカリ化合物、フェノール化合物を含む可能性があるため、特別な取り扱いが必要である。

苛性ソーダ溶液はその後、6階建ての高さの沈殿槽に通され、そこでアルミナ水和物の種結晶を加えて成長させ、最終的に溶液中の水分子をすべて引き寄せ、最終的に水酸化アルミナの白い固体を作り、後にホール-ヘロウルト製錬プロセスでアルミニウム金属を製造するために使用される。

濾過され洗浄されたアルミナは、苛性ソーダやその他の不純物を取り除くためにさらに処理され、乾燥された後、焼成によって結晶化による余分な水分を取り除くために加熱される。

加工中に生産された無水アルミナはすぐに使用できるようになり、ドライプレス、アイソスタティックプレス、ロール成形、射出成形、スリップキャスティング加工などの方法を用いて様々な形状に成形される。一旦成形されると、様々な産業で使用されるシートやロッドストック鋳物、アイソスタティックプレス断熱材やシール材にすることができる。

クライオライト風呂

チャールズ・マーティン・ホールは、1880年にアルミニウム製造法の研究を始めた。彼はアルミナに電流を流すと、アルミナが酸素とアルミニウム金属に分解されることを発見しました。その後ホールは、氷晶石溶液がこの物質を溶解し、その貴重な性質を放出することを発見しました。それゆえ、ホール-ヘロルト電解プロセスが誕生し、1908年までに一次アルミニウムの生産に不可欠なルートとなりました。

アルミニウムの製錬には、常に大量の電気エネルギーが必要である。陰極に溜まった余分なアルミニウムは定期的に吸い上げられ、大きな保持炉に送られ、そこで不純物が取り除かれ、合金元素が添加され、インゴットに鋳造される。

このプロセスを経済的に実行可能にするには、最適範囲内の一定濃度を維持するように、氷晶石浴へのアルミナ供給速度を管理することが重要である。粒子サイズや攪拌を含む多くの要因が、この要因に影響を与える可能性がある。

氷晶石浴のX線回折分析を行うことで、存在するカルシウムとマグネシウムの量を容易にコントロールすることができる。しかし、残念ながら、このX線法は、その精度を制限するいくつかの欠点に悩まされています。これらには、粉末パターンの分析が困難であること、半晶質の氷晶石NaCaAlF6のピーク分析とカイオライトおよびウェベライトの分析ピークの重なりがあること、このX線法だけではネーボライトとネーボライトを区別することが困難であることなどが挙げられます！

製錬会社は、高圧回折システムを使用して、氷晶石浴の温度をリアルタイムで正確に監視し、いつ凍結するかを予測します。さらに、このシステムは、鉱山、鋳物工場、工場で炭素不純物にさらされる作業員に健康被害をもたらす炭素不純物や、アルミナ自体の不純物を示す黄鉄鉱や方解石などの鉱物内包物を検出することができます。

製錬プロセス

アルミニウムは一部の粘土から（不経済なコストで）抽出できるが、ほとんどの生産はボーキサイトを採掘し、アルミナ（酸化アルミニウム）に精製することから行われる。アルミナはその後、アルミニウム金属を製造するための原料となる。このエネルギー集約的なプロセスには、大量の電力が使用される。今日、世界のアルミナ生産は、バイエル・プロセス技術のバリエーションを用いて急速に拡大している（ただし、ディアスポアを多く含むより困難なボーキサイトでは、他のバリエーションが必要になる場合もある）。

細かく粉砕されたボーキサイトは、消化槽で苛性ソーダ（NaOH）の高温溶液と加圧下で結合され、アルミニウムを含有する鉱物（ギブサイト、ボーマイト、ディアスポア）を溶解し、妊娠酒として知られるアルミン酸ナトリウムの過飽和溶液となる。この溶液に含まれる反応性シリカもまた、さらなる処理によって除去され、「アルミナスラッジ」とも呼ばれる赤泥水懸濁液となる。

還元ポットは、アルミナ（苛性ソーダの残りもある）と炭素を組み合わせて溶融電解質を形成し、この電解質に電流を流してアルミナ中のアルミニウムと酸素の化学結合を切断して酸素を放出し、アルミニウムは最終的に陽極金属として底部に析出し、炭酸ガスは陰極金属として上昇する。

背の高い沈殿槽では、アルミナ水和物溶液は、少量の微細な結晶アルミナ粉末を液体溶液に加えることによって、苛性ソーダからさらに分離され、硬いアルミノケイ酸塩アルミナ水和物固体として沈殿する。

このアルミナ粉末は、例えばドライプレス、アイソスタティックプレス、ホットプレスプレスプレス、スリップキャスティング、テープキャスティングなど、さまざまな技法を用いてさまざまな製品に成形することができ、射出成形やマイクロエレクトロニクス回路用の薄型基板の製造など、製造や生産工程を容易にするために追加材料（バインダーや熱可塑性プラスチック）を加えることも、加えないこともできる。さらに、フィラーとして使用することで、セラミックスの絶縁特性を向上させることができる。

焼成プロセス

ボーキサイトの残渣は、焼成によってさらに処理することができる。焼成では、ボーキサイトをロータリーキルンに投入して高温にさらし、残っている水分や化学的に結合した元素を除去する。

発熱反応は、高温の苛性ソーダ（NaOH）によって触媒される。温度プロファイルを制御し、異なるグレードのアルミナを製造するために、例えばジアスポーアとギブサイトを組み合わせるなど、組成の異なる反応剤を添加することもできる。

アルミナ生産の大半はアルミニウム製錬産業向けだが、耐火物やテクニカルセラミックスとして使用される特殊アルミナの市場も大きい。これらの特殊製品は、非常に高い比表面積を持つ微細な結晶構造を特徴としており、腐食性攻撃に抵抗する。さらに、断熱特性、高い強度レベル、熱安定性を有しているため、炉建設プロジェクトの貴重な構成要素となっている。

アルミナの他の用途としては、耐火物、研磨剤、触媒担体などのセラミック製造がある。例えば、射出成型部品用の熱可塑性プラスチックは、加熱してアルミナと混合してから冷却工程で焼き切る。テープキャスティングのもうひとつの用途は、有機液体と混合してマイクロエレクトロニクス回路用の薄い基板を製造することである。

柔らかく脆いため、使用中の衝撃や引張応力に耐えられない傾向がある他のセラミック材料とは対照的に、アルミナは硬く、耐久性があり、膨張係数が低いという、ベアリングやシールにとって理想的な性質を持っています。残念なことに、その微細な構造は、衝撃応力や過度の引張ひずみを受けると、亀裂や崩壊のような弱体化欠陥につながる可能性があります。

焼成は、水を気化させ、汚染物質を揮発させ、質量の酸化部分を分解することによって、固体物質の化学的分離を達成するために使用される工業的加熱方法である。焼成は、無水アルミナを製造する効率的な方法として、石膏廃材からウォールボードを製造する方法として、高純度ルチル製造のためにアナターゼから高純度ルチルを抽出する方法として、またその他の工業的な目的としても、長い間採用されてきた。