Var finns aluminiumoxid?

Bauxit (Al2O3) är det viktigaste råmaterialet som används för att producera aluminium genom elektrolys. Dessutom kan bauxit också kallas aluminiumoxid, aluminiumoxid eller aloxit.

Gibbsit finns naturligt i naturen i olika mängder tillsammans med andra aluminiumhydroxidmineral som gibbsit, boehmit och diasporepolymorfer. Detta högt värderade hygroskopiska mineral har många kommersiella tillämpningar inom cementtillverkning, kemisk, metallurgisk och eldfast industri.

Bauxit

Bauxit, en bergart som består av olika aluminiummineral, är världens främsta aluminiumkälla. Den har fått sitt namn efter Les Baux i Provence i Frankrike där den först upptäcktes. Bauxit har vanligen rödbruna eller gråtonade nyanser och ett jordaktigt utseende som liknar lera eller jord, och finns både ovan och under jord; gruvdrift sker vanligen med dagbrott, medan vissa verksamheter kan använda båda metoderna samtidigt.

Bauxit kan bearbetas för att producera aluminiumoxid, en viktig beståndsdel i produktionen av aluminiummetall. Genom Bayer-processen extraheras aluminiumföreningar från malmen medan järnoxider och andra föroreningar elimineras; sedan kan denna aluminiumoxid som produceras via Bayer smältas för att producera rå aluminiummetall; dock är energianvändningen vid smältning av aluminiumoxidproduktion cirka nio gånger högre än vid produktion av rå aluminiummetall från enbart bauxitmalm.

Aluminium är en extremt hållbar metall med många användningsområden. Från dryckesburkar och flyg- och fordonstillämpningar till byggnadskonstruktion och elektriska tillämpningar, dess mångsidighet har inga gränser. Dessutom är cirka 85% av allt aluminium som någonsin producerats sedan 1900 fortfarande i bruk idag (IAI 2021).

För att raffinera bauxit till aluminiumoxid krävs två stora steg: utvinning och smältning. Aluminiumoxid skapas genom att värma bauxitmalm i ett tryckkärl med natriumhydroxid vid höga temperaturer tills kemiska reaktioner frigör aluminiumföreningar, som sedan kan filtreras och torkas för lagring; allt oreagerat material som återstår kallas "aluminiumslam eller anrikningssand" och innehåller ofta järnoxider, kiseldioxid, kalciumkarbonat eller titania som måste extraheras innan ytterligare bearbetning kan fortsätta för att göra aluminiumproduktion.

Gruvdrift och raffinering av bauxit ger upphov till en mängd hälso- och säkerhetsproblem, eftersom gruvorna ofta är belägna på avlägsna platser med fly-in/fly-out-verksamhet, vilket tvingar arbetarna bort från sina familjer under långa perioder. Exponering för damm från gruvdrift kan leda till luftvägssjukdomar som pneumokonios. Gruvdrift leder också till miljöeffekter som vattenföroreningar och markförstöring, vilket ytterligare förvärrar dessa svårigheter.

Bayer-processen

Bayerprocessen används för att producera aluminiumoxid från bauxit. Bauxitmalmen smälts i het kaustiksodalösning (NaOH) och omvandlas till en uppslamning som innehåller aluminiumhaltiga mineraler som gibbsit, boehmit och diaspore; eventuella föroreningar som kiseldioxid som stör aluminiumoxidproduktionen avlägsnas också i detta steg. När den är klar värms denna filterkaka sedan upp till 1100degC för att ytterligare driva bort fria vattenanslutningar innan den blir kommersiellt rent kommersiellt aluminiumoxidhydroxidpulver som är känt under detta namn.

Aluminiumoxid är en högt värderad industriprodukt, där den största delen förbrukas vid primär aluminiumproduktion. Bortsett från primär aluminiumproduktion spelar aluminiumoxid emellertid också en viktig roll i massproducerade tekniska komponenter samt i processer inom den kemiska industrin som kräver både oxiderande och reducerande egenskaper, inklusive autotermiska reformeringsprocesser som använder adsorbenter för autotermisk reformering.

Aluminiumoxidens höga tryckhållfasthet, hårdhet och slitstyrka gör den till en utmärkt kandidat som stödmaterial för heterogena katalysatorer i industriell petrokemisk bearbetning. Katalysatorer och bärarmaterial av aluminiumoxid har flera viktiga egenskaper gemensamt, t.ex. har båda hög ytarea i förhållande till volymen, vilket gör att reaktanter kan adsorberas på många ställen samtidigt, och båda har egenskaper som Bronsted- och Lewis-syra.

Bayer Process-producerad aluminiumoxid har en exceptionell kvalitet som gör den till ett utmärkt råmaterial för eldfasta material - särskilt för industriella gasapplikationer där de måste motstå utmanande termokemiska och termomekaniska processer. Eftersom dessa eldfasta material innehåller mycket rena och stabila aluminiumoxidmaterial gör deras renhet och stabilitet att oxiderande och reducerande reaktioner under liknande förhållanden kan genomföras utan risk för brott. Aluminiumoxid är en integrerad komponent i katalysatorer som används för ångreformering av kolvätebränslen som naturgas och petroleumkoks, tack vare det höga innehållet av eldfasta material av aluminiumoxid i dessa reaktorer som möjliggör både oxiderande och reducerande reaktioner samtidigt med minskad energiförbrukning.

Sintring

Sinterprocesser producerar olika typer av aluminiumoxid som sedan kan omvandlas till olika produkter genom smältning, gjutning eller andra metoder. Vissa former av aluminiumoxid används vid tillverkning av rostfritt stål, t.ex. 300-serien (304L och 316L), eller i gångjärn och fästen till kirurgiska verktyg, där det ofta krävs rostfritt stål av 630-kvalitet.

Sintring av aluminiumoxid ger täta material med hög specifik hållfasthet, som ofta används i applikationer som flyg-, bil- och elkomponenter. Dessutom kan denna form av aluminiumoxidpulver smältas och gjutas i olika former för att producera keramik.

Tillsatser som talk och kiseldioxidrika eutektiska kompositioner kan tillsättas till aluminiumoxid för att främja hög förtätning, t.ex. genom att skapa fler vakanser i dess gitterstruktur, vilket minskar friktionen mellan partiklar och ökar diffusionshastigheten; sådana tillsatser kan dock resultera i mörkfärgade keramiska produkter.

Aluminiumoxidpulver bör malas till under 0,074 mm för att förhindra störningar i sintringsprocessen och pressas till gröna kroppar för att bilda aluminiumoxidbaserade keramer som sedan kan formas ytterligare genom extrudering, bandgjutning eller enaxlig pressning för att uppfylla olika applikationer. Detta banar väg för oändliga designmöjligheter med hjälp av detta mångsidiga material!

Tillväxtprocesser för mallkorn kan bidra till att öka permeabiliteten hos sinterblandningar genom att använda initial partikelfördelning och inriktning, följt av sintrings- och bildningsprocesser som leder till orientering av mallpartiklar; de kommer sedan att konsumera eventuella icke-orienterade matriskorn som finns, vilket leder till texturerade mikrostrukturer.

Sintring av aluminiumoxidpulver drivs av ytdiffusion med en aktiveringsenergi Q= 580 kJ/mol; denna process är mycket snabbare än förtätning av korn i lösning som följer gitterdiffusion med en aktiveringsenergi mellan 230-280 kJ/mol.

Vid aluminatillverkning används Bayer-processen, som kräver stora mängder röd lera. Eftersom detta avfall innehåller tungmetaller, alkali och andra giftiga ämnen som kan förorena vattenförsörjningen måste det hanteras på ett ansvarsfullt sätt. För närvarande arbetar branschfolk med att ta fram återvinningssystem för avfallet från den röda leran.

Gjutning

Aluminium är en extremt anpassningsbar metall som finns i många konsument- och industriprodukter, från byggmaterial som dörrar och fönsterkarmar, via köksutrustning till apparater som handverktyg eller gräsklippare. På grund av sin överlägsna elektriska ledningsförmåga och lätta vikt har aluminium länge varit uppskattat i komponenter för datorindustrin, t.ex. datorkomponenter eller fodral till bärbara datorer; dessutom utgör det en viktig komponent i flygplan och fartyg och ger det hållfasthetsskydd som astronauter behöver för rymdresor.

Tillverkning av aluminiumgjutning kräver många tekniker. Ett tillvägagångssätt använder en form gjord av granulärt material som sand för att hålla flytande aluminium som har hällts i den, innan den kyls för att låta vätskan stelna och ta form i sin respektive formform. När de är färdiga kan aluminiumgjutgods sedan säljas till tillverkare som använder dem för att tillverka sina egna produkter.

Eftersom ren aluminium saknar stark draghållfasthet måste den ofta legeras med andra material för att få de egenskaper som krävs för en viss tillämpning. Vanliga legeringselement är kisel, järn, magnesium, krom och zink; genom att tillsätta dem kan man förbättra ytkvaliteten, öka hållfastheten och få en bättre kornförfining.

Gjutning gör det möjligt för tillverkare att producera ett sortiment av former och storlekar med hjälp av gjutningsprocessen, även invecklade geometrier och exakta mönster. Gjutgods används av olika branscher: flygindustrin använder det för att bygga flygplan och rymdskepp medan bilindustrin använder det för att tillverka bildelar som ramar och huvar.

Att göra gjutgods av aluminiumoxid kräver avsevärd energitillförsel. Därför tenderar aluminiumsmältverk att lokaliseras till platser med riklig och prisvärd elförsörjning, till exempel Sydamerika, Afrika och Asien där efterfrågan gör aluminium till en attraktiv exportvara.