معرفی آلومینیوم

[ghasem motamedi]

واکنش در چنین سلولی:
Al2O3(diss) = 2 Al(l) + 3/2 O2(g)

در طی 40 سال اخیر تلاش های زیادی صورت گرفته است.


سطح الکترواکتیو یک آند خنثی باید اکسیدی با خواص نیمه هادی باشد
همه ی اکسیدها در محلول خورنده الکترولیت فلوراید انحلال محدودی دارند
لذا یک آند صد درصد خنثی وجود نخواهد داشت
سرعت خوردگی حدود 10میلیمتر در سال نیز مطلوب است



خواص مورد انتظار یک آند خنثی:

انحلال ناچیز در الکترولیت
مقاوم به اکسیژن تولید شده در آند
پایداری حرارتی و همچنین شوک پذیری حرارتی کافی
هدایت الکترونی بالا، هدایت یونی ناچیز
مقاومت به تجزیه الکترولیتی ماده اکسیدی
استحکام مکانیکی مناسب
اتصال الکتریکی آسان
عدم ایجاد آلودگی در ساخت، استفاده و دفع
آلودگی قابل پذیرش در آلومینیم تولیدی
جاذبه اقتصادی


تحقیقات روی سه نوع ماده متمرکز گردید

سرامیک ها
مواد سرامیک فلزی
فلزات



آندهای سرامیکی:

اولین تحقیقات روی سرامیک های اکسیدی به دلیل پایداری ذاتی آنها به اکسیژن
ابتدا آند SnO2 دپ شده با Sb2O3 و CuO بررسی شد

عدم موفقیت به دلیل

سرعت خوردگی بالای این ترکیب در الکترولیت به دلیل حضور قلع و مقاومت به شوک حرارتی کم


ماده دیگر، NiFe2O4
انحلال ناچیز در الکترولیت اما مقاومت ویژه بالا


آندهای سرامیک-فلز

سرامیک – فلز یک ماده کامپوزیتی از فاز سرامیکی و فاز فلزی
فاز فلزی هدایت الکتریکی و مقاومت به شوک حرارتی مطلوب را فراهم می کند
اما فلز تمایل به اکسیداسیون داشته و اکسید هم تمایل به انحلال در الکترولیت
سرمتال های نیکل فریتی، NiFe2O4 را به عنوان فاز اصلی دارند
فاز اصلی می تواند، Fe، Ni، Cu و یا آلیاژهایی از همین مواد باشد
فلزات دیگری مثل Ag نیز ممکن است حضور داشته باشند



آندهای فلزی

اکثر فلزات در دماهای بالا در حضور اکسیژن ناپایدار هستند به خصوص در حضور فلوراید
لذا باید سطح الکترود با لایه ای اکسید پوشیده شده باشد
این لایه با اکسیداسیون سطح فلز ایجاد می گردد که باید دنس و چسبیده به سطح باشد و هدایت الکتریکی بالا داشته باشد
سرعت تشکیل با سرعت انحلال در الکترولیت باید برابر باشد
مواد فلزی که عموما برای تولید این آندها استفاده می گردند
می توانند آلیاژهای Fe-Ni-Cu ، Cu-Al یا فولاد ضد زنگ باشد
آندهای فلزی به راحتی با ریخته گری یا زینترینگ در اشکال بزرگ نیز قابل تولید می باشند

از خواص آنها

ترد نیستند، خواص هدایت الکتریکی مطلوب و مقاومت به شوک حرارتی بالا



مزایای آند های خنثی:

1.کارایی انرژی تا 25 درصد افزایش می یابد(آند، پایدار و کاتد، خیس شونده)

2.کاهش هزینه ها تا 10 درصد

3.کاهش گازهای گلخانه ای

4.افزایش تولید بیشتر از 5 درصد

[ghasem motamedi]

آلومینیوم یکی از فلزات پر مصرف و استراتژیک می باشد. این فلز پس از آهن با تولیدی در حدود 17 ملیون تن در سال بالاترین

تولید جهانی فلزات را دارد. روش های تولید آلومینیوم را می توان در پنج روش مختلف گنجاند و بررسی کرد. ولی در حال حاضر آلومینیوم از الکترولیز ملح مذاب اکسید آن ( آلومین ) بدست می آید. با وجود آنکه آلومینیوم سومین

عنصر فراوان پوسته زمین ( پس از اکسیژن و سیلیسیوم) است و مقدار آن در پوسته زمین 8.8% است. ولی تنها منبع اقتصادی برای تولید اکسید آلومینیوم (Al2O3) ، سنگ معدنی به نام بوکسیت می باشد. بوکسیت یک کانی ن

بوده و مینرال های آن بوهمیت و ژیپست است. بوکسیت از نظر عیار 50 تا 60 درصد آلومینا(Al2O3) داردو مهمترین ناخالصی های آن Fe2O3, SiO2, Tio2 می باشند.


مراحل تولید آلومینیوم در روش الکتریکی عبارت اند از:

1- استخراج و آماده سازی بوکسیت :

این مرحله مثل سایر فلزات ، شامل خرد کردن ، آسیاب کردن و... است.

2- تولید Al2O3 خالص:

که شامل مراحل زیر است: لیچینگ گرم ، جدا کردن رسوب ها از محلول ، رسوب دادن Al(OH)3 از محلول و تکلیس Al(OH)3 و تولید پودر Al2O3

لیچینگ گرم: بوکسیت نرم شده وارد سود غلیظ می شود و در دمای بین 180 تا 220 و فشار بین 4 تا 25 اتمسفر آلومینات سدیم تولید می شود( NaAlO2 )

جدا کردن رسوب ها از محلول : به روش Settling( ته نشین شدن به علت آرام بودن سیال) عمده رسوب های ته نشین شده ، جدا می گردند. به رسوبات باقیمانده گل سرخ Red Mud گفته می شود.

رسوب دادن Al(OH)3 از محلول: که شامل سرد کردن محلول باقیمانده تا دمای 35، افزودن آب به محلول ، اضافه کردن پودر Al2O3 به عنوان جوانه زا، دادن زمان کافی

تکلیس Al(OH)3 و تولید پودر (Al2O3) : خلوص پودر نهایی 99 تا 99.5 درصد است.



3- استخراج الکتریکی آلومینیوم:

برای این منظور از روش الکترولیز موسوم به Hall- Heroult استفاده می شود. شکل زیر اجزای این دستگاه الکترولیز را نشان می دهد:

الکترولیت نمک مذاب شامل AlF3, NaF,Al2O3است. اگر آلومینیوم تولیدی ته نشین نمی شد. مقاومت الکترولیت را بالا می برد و مهمتر اینکه دوباره اکسید می شد و تلفات افزایش می یافت. سیستم طوری تنظیم می گرددکه به

طور مداوم Al2O3 وارد محلول شود و درصد آن در محلول ثابت بماند. آند گرافیتی در اثر واکنش با اکسیژن اطرافش و Al2O3 موجود در محلول ، مصرف می گردد و باید جایگزین شود. فرآیند الکترولیز مداوم است و در نتیجه

شارژ مواد اولیه نیز باید مداوم باشد. به طوری که همیشه یک لایه Al2O3 روی الکترولیت موجود باشد. خروج آلومینیوم بوسیله پمپ خلا صورت می گیرد.




اثرات زیست محیطی:

1- استخراج و آماده سازی بوکسیت :

مرحله اول عملیات اکتشاف است که ارتباط نزدیکی بین حوزه های آب زیر زمینی ، ذخایر خاکی با مراحل مختلف معدن کاری وجود دارد. عملیات اکتشاف شامل بررسی های هیدرولیکی و عملیات اکتشافی است. که به اختصار

آلودگی های زیستمحیطی در این مرحله عبارت اند از:

- تست های ردیاب : از خطرات این روش وارد شدن مواد ردیاب و رادیواکتیو در منطقه است

- تست های پمپاژ بلند مدت: در این روش پایین بودن سطح آب های زیرزمینی در مجاورت یک چاه باعث خسارت موقتی به چاه کناری می شود.

– تست های تزریق: تغییر موقتی رژیم آب های زیرزمینی و مشکل همساز بودن آب تزریقی با محیط زیست منطقه از تأثیرات این روش است.

– چاه های عمودی و تو نل ها : این روش باعث زهکشی و رسوخ آب به لایه های داخلی می شود .

– عملیات تخلیه: از تأثیرات این روش می توان به مشکلات ناشی از پسماند فلاشینگ و ذخیره سازی مواد حفاری در چال های آزمایشی و تونل ها، فرسایش مواد توسط باد، رسوب و نشست مواد به داخل منابع آب که باعث آلودگی آب

می شود، اشاره کرد .

- حفاری : از تأثیرات این روش می توان به مشکلات صوتی ناشی از حفاری به صورت اختلال در زندگی انسانی و حیوانی ، ایجاد آلودگی در آب های زیرزمینی در صورت حفر چاه نزدیک محل حفاری، بالا آمدن سطح نمک در

خاک ، کاهش کیفیت منابع بکر،

- کاواک های آزمایشی: از تأثیرات این روش می توان اثرات ناشی از برداشت خاک و آسیب به پوشش گیاهی منطقه را ذکر کرد.

مرحله بعد استخراج سنگ معدن است که تاثیرات محیطی زیادی دارد . اما در کل ، ضربه اصلی در از بین بردن پوشش های گیاهی وارد می شود. روبرداری بی رویه یا مدریت غلط منجر به کم شدن زیستگاه های حیوانات و گیاهان

می گرددو توسعه جنگل ها و زراعت و .. را مشکل می سازد. همچنین استخراج معدن روی آب های محلی و هوا تاثیر می گذارد. به طور مثال ، با برداشتن لایه های روی زمین ، آب های سطحی می توانند آلوده ، اسیدی و گل آلود

شوند. فرسایش در ناحیه معدن به سرعت صورت می گیرد. اگر خاک پوشش و محافظ نداشته باشد فرسایش خاک زیاد شده ، شرایط آب و هوایی تغییر کرده ، گرد و غبار در هوا زیاد شده و نیاز به تصویه آب بوجود می آید. معدن

روباز مناظر بدی از لحاظ بصری ایجاد میکنند. همچنین می توان سر و صدای ماشین ها و صدای انفجار که موجب آلودگی شدید صوتی می شود را به مجموعه عوامل فوق اضافه کرد.


2- تولید Al2O3 خالص:

در تهیه و پالایش سنگ معدن مقدار آلودگی ایجاد شده بستگی به روش بکار برده شده ، میزان خلوص و کیفیت سنگ معدن دارد. خطر اصلی در این مرحله باقی مانده بوکسیت ، یعنی گل سرخ است، که دارای خاصیت قلیایی بوده و از

کارخانه آلومینیوم سازی خارج می شود. این ماده روی زمین رها شده و یا در دریا ریخته می شود و یا در جاهای خاصی پلمپ می شود. این گلاب و خروجی دارای تاثیرات زیر است:

- نشت قلیا به درون آب های زیرزمینی که ممکن است این آب وارد چرخه صنعت ،خانگی و یا کشاورزی شود.

- کاهش زمین های مناسب برای کشاورزی

- آلودگی مناطق خشک و ایجاد مناظر زشت

نوع دیگری از آلودگی ها که در حین خرد کردن ، تکلیس و انبار داری بوجود می آید ، آلودگی هوا ( غبار و گازهای سمی) است. این آلودگی ها شامل بوکسیت ، آهک ، ذرات آلومینیوم ، SO2 ، NO2 ، ذرات بوکسیت کم عیار و

ذرات معلق پنتا اکسید وانادیم است. مقدار SO2بستگی به نوع سوخت مصرف شده و همچنین نوع دستگاه های مصرف کننده و سرویس بودن آنها دارد. گازهای تولید شده جمع آوری نمی شوند و موجب تاثیرات محیطی ، اثر گلخانه

ای و بوجود آمدن باران اسیدی خواهند شد. در فرآیندهای هیدرومتالوژی به طور حتم مایعات دور ریز و مواد جامد ناخواسته داریم که قبل از هر اقدامی باید این مواد تحت پروسه های بازیابی و تصفیه قرار گیرند. محلول های آبی دور

ریز ممکن است شامل فلزات سنگین باشند هرچند ممکن است قیمت این اجزا در محلول های دور ریز کم بوده باشد اما این عناصر می توانند در زنجیره غذایی حیوانات وارد شده و با مصرف اغذیه آلوده ؛ به سلامت اندام های بدن آسیب

رسانند.

محیط کاری نیز می تواند برای کارگران بشدت خطرناک باشد. زمانی که کارگران با مواد خورنده چون اسید و سود سروکار دارندو دوروبر آنها آلودگی شدید صوتی به همراه ذرات غبار و مواد سمی وجود دارد.

[ghasem motamedi]

3- استخراج الکتریکی آلومینیوم:

مهمترین مشکل زیست محیطی در این بخش نشر و پخش فلورید است. که تاثیرات مخربی روی سلامتی افرادی که مشغول به کار هستند دارد( منجر به مسمومیت فلوریدی و اختلالات استخوانی می شود) بخارات و ذرات فلورین از

مذاب کریولیت نشت می کنند این بخارات در گاز خروجی از آند هم یافت می شوند. همچنین بخارات SO2 ( اگر اند شامل ترکیبات گوگرد باشد) و بخارات قطران نیز از آند متصاعد می شود. این بخارات در حین پخت آند نیز ظاهر

می گردد. خارج شدن ذرات غبار و دی اکسید نیتروژن را نیز می توان به قسمت های قبل اضافه کرد.


مشکلات دیگر این قسمت عبارت اند از : آلودگی آب ، زباله ها ، سر وصدا ، گرما


آلودگی آب زمانی است که سیستم تمیزکاری آبی( پاشش آب) برای تمیز کردن بخارات سلول ها بکار رود. این آب شامل فلورید و ذرات معلق جامد مثل آلومینا و کربن است که نیاز به تصفیه قبل از تخلیه دارد . مشکل دیگر زباله

های جامد است که شامل محفظه های از بین رفته می باشد( سلول ها هر 4-5 سال نیاز به تعویض دارند.) که قبل از قرار دهی آنها در هوای آزاد و یا انبار باید از مواد سمی و فلوئور دار تصفیه گردند. همچنین داخل کوره ذوب

پسماندهایی تولید می شود که می تواند تولید ذرات ناپایدار یا گازهایی مثل آمونیاک کند. سروصدا و گرما در قسمت کوره شرایط سختی را بوجود می آورد که روی سلامتی کارگران تاثیر می گذارد.


آلودگی غیر مستقیم دیگر مصرف بسیار بالای الکتریسیته است . که باید کارخانه در نزدیکی نیروگاه تاسیس شود. که تاسیس نیروگاه های سوخت فسیلی نیز آلودگی های مختص به خود را دارد.



آلومینا در دمای حدود 950 درجه سانتیگراد در الکترولیت NaF-AlF3 حل می شود و به کمک الکترولیز با آند های فداشونده مانند کربن در فرآیند Hall، فلزآلومینیم تولید می گردد.

Al2O3(diss) + 3/2 C(s) = 2 Al(l) + 3/2 CO2(g)

در این روش مصرف انرژی بالا

حدودkg 400 کربن به ازای تولید یک تن آلومینیم مصرف می شود.

نشر گازهای گلخانه ای افزون بر CO2، CF4 و C2F6 که اثر گلخانه ای مخرب تری دارند

[ghasem motamedi]

آلومینیم و آلیاژهای آن

آلومینیوم ، فلزی نرم و سبک ، اما قوی است، با ظاهری نقره‌ای - خاکستری٬ مات و لایه نازک اکسیداسیون که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری می‌کند. وزن آلومینیوم تقریبأ یک سوم فولاد یا مس است . چکش خوار ، انعطاف پذیر و به راحتی خم می‌شود. همچنین بسیار بادَوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است. بعلاوه ، این عنصر غیر مغناطیسی ، بدون جرقه ، دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر است.





خواص فیزیکی
حالت ماده
جامد
نقطه ذوب
933.47 K (1220.58 °F)
نقطه جوش
2792 K (4566 °F)
گرمای تبخیر
293.4 kJ/mol
گرمای هم جوشی
10.79 kJ/mol
فشار بخار
2.42 E-06 Pa at __ K
سرعت صوت
5100 m/s at 933 K


خواص اتمی
وزن اتمی
26.981538 amu
شعاع اتمی (calc.)
125 (118) pm
شعاع کووالانسی
118 pm
شعاع وندروالس
اطلاعات موجود نیست
ساختار الکترونی
Ne]3 s2 3p1]
-e بازای هر سطح انرژی
2, 8, 3
درجه اکسیداسیون اکسید
3 (آمفوتریک)
ساختار کریستالی
مکعبی face centered



آلومینیوم از جمله جدیدترین مصالح ساختمانی است که در آغاز قرن 20 یک فلز نسبتا کمیاب بود و این روزها از متداولترین فلزات است که به صورت آلیاژی و غیر آلیاژی به کار می رود .

ویژگی های عمومی خوردگی :

آلومینیوم یک فلز پست ( فعال ) است که با محیط اطراف میل ترکیبی شدیدی دارد . یعنی سطح آلومینیوم در معرض هوا به سرعت از یک لایه نازک اکسید آلومینیوم حدود 0.01 میکرومتر پوشیده می شود که فلز را از حمله بعدی خوردگی محافظت می کند . معادله زیر به معادله لگاریتمی معکوس معروف است که در مورد خوردگی و اکسید شدن فلزاتی نظیر آلومینیوم به کار می رود :
1/y = 1/y0 – k9( Ln[a(t-t0)+1])

y0 : ضخامت قشر اکسید در بدو آزمایش
t0 : زمان آزمایش در بدو شروع
k9 : ثابت

این معادله در مورد اکسید شدن آلومینیوم د ردرجه حرارت معمولی و اکسیژن خشک صادق است . هم چنین د راین فلز و در فلز زیرکونیوم رشد فیلم به روش اکسید شدن آنودیک از این معادله پیروی می کند . وقتی آلومینیوم د رمجاورت اکسیژن خالص و خشک قرار می گیرد بین اکسیژن وآلومینیوم یک نوع پیل الکتریکی موضعی تشکیل می شود که سبب رشد فیلم می شود .

خوردگی یکنواخت :

خوردگی یکنواخت فلز آلومینیوم در فضای باز معمولا قابل اغماض است . محلول های دارای PH خارج از دامنه اثر ناپذیری در نمودار پتانسیل PH سبب خوردگی مواد ساخته شده از آلومینیوم می شوند. ملاط تازه تهیه شده هم قلیایی است ولذا خورنده آلومینیوم است از این رو برای اجتناب از گسترش مناطق حک شده در سطح فلز باید مراقبت شود که از پخش شدن ملاط جلوگیری شود . سطوح آلومینیومی که در تماس با بتون تازه هستند حتما در آغاز زدوده می شوند ولی به زودی با تشکیل اندود آلومینات کلسیم برروی آن ها از خوردگی بعدی جلوگیری می شود.







تشکیل حفره :

در اتمسفرهای باز آلوده ٬ حفره های کوچکی تشکیل می شوند که با چشم قابل رویت نیستند . روی این حفره ها جرم های کوچک محصولات خوردگی معمولا اکسید آلومینیوم و هیدروکسید آلومینیوم هستند ٬ تشکیل می شوند . حفره های کم عمق معمولا اثر چندانی بر استحکام مکانیکی ساختمان ها ندارند ٬ با این وجود جلای درخشنده فلز به تدریج از بین می رود و به جای آن اندود خاکستری – زنگاری محصولات خوردگی ظاهر می شود. اگر اتمسفر حاوی دوده فراوان باشد دوده توسط محصولات خوردگی جذب و رنگ زنگاری تیره ایجاد می شود .
اگر آلومینیوم به طور دائم در معرض آب قرار گیرد حفره دار شدن آن خیلی جدی خواهد بود . به خصوص اگر آب راکد باشد حضور اکسیژن وکلرید و یا یون های دیگر هالید ها تعیین کننده وجود حمله و شدت حمله خواهد بود . اگر یون های HCO3 و Cu2+وجود داشته باشند خطر حفره دار بودن بیشتر خواهد بود البته مشروط بر این که پتانسیل تشکیل حفره بالا رود . بیرون حفره واکنش کاتدی انجام می گیرد که کنترل کننده سرعت تشکیل حفره است .
خوردگی دو فلزی :

چون آلومینیوم یک فلز پست است خطر خوردگی دو فلزی در تماس مستقیم آن با یک فلز نجیب تر مثل فولاد وجود دارد . ولی شرط وقوع حمله ٬ حضور یک الکترولیت در نقطه تماس است . لذا خوردگی دو فلزی در فضای بسته خشک به وجود نمی آید و خطر حمله خوردگی دو فلزی در اتمسفر باز وجود دارد . البته این نوع خوردگی روی سطحی که با دوده آلوده شده باشد هم پیش می آید .

خوردگی شکافی:

نوعی خوردگی شکافی در آلومینیوم در حضور آب پیش می آید نتیجه این خوردگی شکافی می تواند تشکیل اکسید آلومینیوم باشد که به صورت لکه های آب سبب بی رنگ شدن سطح می شود . زدودن لکه هاب آب دشوارو احتمالا غیر ممکن است .

خوردگی لایه ای :

خوردگی لایه ای که به خوردگی پوسته شدن هم معروف است بیشتر به موادی که غلتک می خورند یا روزن ران می شوند ازنوع AlCuMg و AlZnMg محدود می شود . مکان حمله د رلایه های موازی نازک در جهت حرکت به جلو بوده است و سبب می شود که رویه های فلزی که مورد حمله قرار گرفته اند از هم جدا شده و یا تاول هایی بر سطح فلز ایجاد شود . خوردگی لایه ای با قرار گرفتن فلز در آب راکد و یا اتمسفر در یایی هم به وجود می آید و مقاومت در برابر خوردگی لایه ای هم از روی عملیات پیر سازی تعیین می شود .
یکی دیگر از خواص مشخصه آلیاژهای آلومینیوم مقاومت در مقابل خوردگی است. آلومینیوم خالص وقتی که در هوا قرار گیرد بلافاصله با یک لایه چسبنده اکسید آلومینیومی پوشیده می‌شود، این لایه پوششی، مانع خوردگی می‌گردد. اگر در اثر سائیدگی این لایه کنده شود بلافاصله دوباره تشکیل می‌گردد. ضخامت این لایه نازک طبیعی در حدود 025/0 میکرون (یک میکرون = یک هزارم میلی‌متر) است، با این وجود بقدری محکم است که مانع موثری در مقابل اغلب مواد خورنده محسوب می‌گردد.
البته برخی از آلیاژهای خاص آلومینیوم نسبت به دیگران مقاومتر است. برای مثال گروه آلیاژهای Al-mg مخصوصاً در مقابل هوا و آب دریا مقاوم است. از طرف دیگر آلیاژهای آلومینیوم حاوی مس یا روی از نظر مقاومت خوردگی ضعیف‌تر و از نظر استحکام مکانیکی قویتر می‌باشد.

روش های زیر در جلوگیری از خوردگی به کار می رود :

حفاظت کاتد ی:

مصالح آلومینیوم غوطه ور در آب را می توان به روش حفاظت کاتدی در مقابل تشکیل حفره حفظ کرد. برای این کار پتانسیل الکترودی را تا مقدار زیر پتانسیل تشکیل حفره جسم در محیط مورد نظر پایین می آورند٬ با وجود این گاز هیدروژن می تواند در کاتد تشکیل شود که نتیجه آن بالا رفتن مقدار PH است . هرگاه PH بسیار بالا رود آلومینیوم احتمالا مورد حمله قرار می گیرد لذا از حفاظت اضافی آن باید اجتناب کرد .

آندی کردن:

لایه اکسید تشکیل شده در سطح آلومینیوم در معرض هوا از خصلت حفاظتی خوبی برخوردار است اما این لایه اکسید را می توان با برقکافت ضخیم تر کرد . این کار را آندی کردن می گویند و اکسیدی که به این ترتیب تشکیل می شود اندود اکسید آندی نامیده می شود . با آندی کردن فلز مقاومت در برابر خوردگی افزایش می یابد ضمن اینکه سطح با قرار گرفتن در فضای باز ظاهر جدیدی پیدا خواهد کرد . در موقع آندی کردن آلومینیوم شی فلزی اند پیل الکترولیتی را تشکیل می دهد . اندود اکسید آندی که طی برقکافت ایجاد می شود شامل یک لایه فشرده به صورت سد در نزدیک سطح فلز و لایه دیگری با منافذ ریز بر روی آن است .

رنگ کاری :

مصالح آلومینیومی را برای فضای باز مثل ساختمان ها نیاز به رنگ مقاوم به خوردگی ندارند . خوردگی اتمسفری ان قدر شدید نیست که بر مقاومت ساختمان اثر گذارد . در هر حال رنگ کردن آلومینیوم بیشتر به منظور زیبا سازی انجام می شود.
اگر مقاومت طبیعی آلومینیوم برای بعضی از محیط‌ها کافی نباشد در آن صورت روش هایی وجود دارد که بتوان مقاومت آن را افزایش داد. برخی از این روشها عبارتند از: پوشش دادن با آلومینیم ٬ آندایزه کردن یا آبکاری ٬ پوشش سخت دادن ومحافظت کاتدی .

پوشش آلومینیومی دادن Alcladding:

بطور کلی آلیاژهای آلومینیوم با استحکام زیاد از نظر خوردگی کم مقاومترین آنها محسوب می‌گردند. این مطلب بخصوص در مورد آلیاژهای حاوی درصدهای زیاد مس یا روی صادق است. از طرف دیگر مقاومت به خوردگی آلومینیوم خالص بسیار زیاد است. پوشش آلومینیومی دادن یکی از روش های افزایش مقاومت خوردگی به یک آلیاژ با استحکام زیاد است. در این فرآیند یک لایه آلومینیوم خالص به سطح آلیاژ مورد نظر متصل شده و در نتیجه در مجموعه خواص مورد نظر حاصل می‌شود. این روش مخصوصاً در محصولات ورقه‌ای مناسب است.

آندایزه کردن (آبکاری) Anodizing:

در این روش از مقاومت زیاد در مقابل خوردگی لایه پوششی که بلافاصله بر روی سطح آلومینیوم تازه بریده شده تشکیل می‌گردد استفاده می‌شود. همانگونه که قبلاً ذکر گردید این لایه عامل مقاومت به خوردگی طبیعی این فلز است. آندایزه کردن در واقع یک نوع ضخیم کردن لایه اکسیدی به ضخامت تا چندین هزار برابر ضخامت لایه اکسید طبیعی است. نتیجه عمل، لایه‌ای است سخت با ضخامت حدود 5/25 میکرون بر تمام سطح آلومینیوم که علاوه بر مقاومت به خوردگی در مقابل سایش نیز استحکام کافی دارد. آندایزه کردن یک روش الکتریکی است که انواع مختلف آن اساساً از نظر محلولی که فلز در آن مورد عمل قرار می‌گیرد و ضخامت لایه اکسیدی حاصل، فرق می‌نماید. از این طریق پوشش دادن علاوه بر حفاظت سطحی گاهی به منظور تزئینی نیز استفاده می‌گردد اگر فلز آندایزه شده را با انواع رنگهای مختلف پوشش دهند رنگ حاصل تقریباً بصورت قسمتی از اکسید سطحی بدست می‌آید.


تاول زدن سطح قطعات آلومینیمی در هنگام عملیات حرارتی :

عواقب نفوذ هیدروژن بداخل مذاب از طریق واکنش سطحی مذاب با بخار آب در ریخته گری کاملا مشخص است. یک چنین واکنشی ممکن است در خلال عملیات حرارتی انحلال نیز با آلومینیوم جامد انجام گیرد که منجر به جذب اتم های هیدروژن شود. این اتم ها می توانند در حفره های داخلی با هم ترکیب شده و تشکیل مجموعه های گاز ملکولی دهند. در اثر حرارت دادن ماده فشار گازی موضعی ایجاد می شود و با توجه به اینکه در این دماهای بالا فلز دارای پلاستیسیته نسبتا زیادی است این امر منجر به تشکیل تاولهای غیر قابل جبران سطحی می گردد.
تاولهای ایجاد شده بر سطح قطعات آلیاژ آلومینیومی عملیات حرارتی شده در محیط مرطوب حفره های داخلی که این تاولها در آنجا ایجاد می شوند از تخلخل های اولیه شمش که از بین نرفته اند ترکیبات بین فلزی که در خلال تغییر شکل ترک خورده اند و احتمالا خوشه های مکانهای خالی اتمی در شبکه که ممکن است در اثر حل شدن رسوبات یا ترکیبات حاصل شده باشند ناشی می شوند. در این گونه موارد وجود تاولی که باعث خرابی ظاهر سطحی قطعه می گردد ممکن است تاثیر برروی خواص مکانیکی قطعات بگذارد. در هر حال بیش از حد گرم کردن قطعه منجر به تاول زدن می گردد زیرا هیدروژن به آسانی می تواند توسط مناطق ذوب شده جذب گردد که در این صورت مساله جدی تر می شود و باعث مردود شدن قطعه کار می گردد.
از آنجائی که حذف کامل حفره های داخلی در محصولات کار شده مشکل است ٬ لازم است مقدار بخار آب موجود در محیط کوره را به حداقل رسانید.اگر این امر امکان پذیر نباشد در آن صورت ورود یک نمک فلورایدی بداخل کوره در خلال عملیات حرارتی قطعات حساس می تواند از طریق کاهش واکنش سطحی قطعه با بخار آب مفید واقع شود.

[ghasem motamedi]

آلومينيم و آلیاژهای آن‌ پس‌ از فولاد پرمصرف‎ترين‌ فلز جهان است و نقش‌ تعيين كننده‌اي در صنعت‌ معاصر دارند. حجم‌ توليد این فلز‌ بيشتر از همۀ فلزات ‌غيرآهني‌ بوده و مجموعۀ‌ خصوصیات آن، بسيار نادر و غيرقابل ‌جايگزيني‌ است‌. آلومينيم‌ با 7.3 درصد پس از اکسیژن با 49.2 درصد و سیلیسیم با 25.8 درصد، سومین عنصر متداول و رایج‎ترین فلز در پوستۀ زمین است که در اغلب‌ سنگ‎ها، گياهان‌ و حيوانات‌ وجود دارد.

آلومينيم‌ فلز جواني‌ است‌ و‌ در زمان کوتاهی، جایگاه مهمی در صنعت و فناوری پيدا كرده است. آلومینیم در سال 1845 میلادی به روش الکترولیز کلرید سدیم/کلرید آلومینیم مذاب، اولین بار توسط دویل (Devielle) در فرانسه و بونزن (Bunsen) در آلمان به صورت مستقل از یکدیگر، تولید شد. اما به علت‌ مشكلات‌ استخراج‌ اين‌ فلز از اكسيد آن، آلومينيم تنها از حدود صد سال‌ پیش به صورت تجاری در دسترس‌ قرار گرفت.

روش توليد آلومينيم‌ در حال‌ حاضر بر اساس فرايند الكتروليز مذاب است که دو دانشمند جوان به نام‏های هال در ایالات متحدۀ آمريكا و هرولت در فرانسه،‌ به صورت‌ جداگانه‌ و بدون‌ آگاهي‌ از كار يكديگر در سال‌ 1886 میلادی‌ اختراع‌ كردند و به فرايند هال/ هرولت (Hall-Heroult) معروف شد. در این روش با عبور جريان‌ الكتريكي‌ از داخل محلول الکترولیت حاوی اکسیدهای آلومینیم (آلومینا) و کریولیت، آلومینا به فلز مذاب‌ احیا و در کف سلول الکترولیز جمع می‎شود.

آلومينيم‌ مانند اغلب‌ فلزات‌ به‌ صورت‌ فلز آزاد در طبيعت‌ وجود ندارد‌ و تنها به‌ صورت‌ تركيبي‌ (كانسنگ‌ معدن‌) يافت می‎شود. آلومينيم با علامت شیمیایی Al و چگالی 2.7 گرم به ازای هر سانتیمتر مکعب، عنصري‌ سبك ،‌محكم‌، چكش‌خوار و هادي گرما و الكتريسيته است.

مهمترین کانۀ آلومينيم، بوکسيت، مخلوطي از Al2O3.H2O، Al2O3.3H2O، Fe2O3، SiO2 و TiO2 و مقداري CaO، MnO2، Cr2O3 و P2O3 است. بوکسیت باید حداقل 50 درصد Al2O3 داشته تا استخراج آن مقرون به صرفه باشد. مهم‏ترین کانه‎های آلومینیم و ترکیب شیمیایی برخی از بوکسیت‎ها، در جدول‎های زیر آمده است. سایر ناخالصی‎های همراه بوکسیت عبارت از 0.3 تا 1.5 درصد آهک، 0.1 تا 1 درصد فسفات‎ها و 0.01 تا 0.1 درصد اکسید وانادیم است.

This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 945x625 and weights 116KB.

[ghasem motamedi]

ذخایر بوکسیت در ایران و جهان

با وجود مطالعاتی که دربارۀ معادن بوکسیت ایران انجام شده، هنوز بهره‎برداری مناسبی از این معادن صورت نگرفته است. نتیجۀ مطالعات انجام شده حاکی از وجود معادن بوکسیت غنی از نوع بوهیمیت و دیاسپور با عیار 85 درصد آلومینا در کشور است. معادن کانسنگ بوکسیت در ایران، نوع کانی، عیار آلومینا و ذخیرۀ آن در جدول اول آورده شده است. گرچه تولید آلومینا در معدن جاجرم با ظرفیت کمی در حال انجام است، اما قسمت عمدۀ آلومینای مورد نیاز دو کارخانۀ تولید آلومینیم اولیه در ایران، یعنی آلومینیم ایران در اراک (ایرالکو) و آلومینیم المهدی در بندرعباس، از خارج وارد شده و ارز قابل توجهی نیز به همین سبب از کشور خارج می‎شود. معدن بوکسیت جاجرم بزرگترین معدن بوکسیت ایران از نوع دیاسپور و کائولینیت بوده و ذخیرۀ آن حدود 20 میلیون تن است. آنالیز شیمیایی یک نوع بوکسیت معدن جاجرم، در جدول دوم نشان داده شده است.

ذخایر بوکسیت جهان 55 تا 75 میلیارد تن برآورد می‎شود که از میان 33 درصد در آفریقا، 24 درصد در اقیانوسیه، 22 درصد در آمریکای جنوبی و دریای کاراییب، 15 درصد در آسیا و 6 درصد در سایر نقاط جهان قرار دارند. عمده‎ترین کشورهای صاحب ذخایر و تولید کنندۀ کانسنگ بوکسیت در جدول سوم آورده شده‎اند.

This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 889x593 and weights 133KB.


This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 800x677 and weights 150KB.

[ghasem motamedi]

تولید، عرضه و تقاضای آلومینا در ایران و جهان

کارخانۀ تولید آلومینای جاجرم در شمال غربی استان خراسان واقع و در حال حاضر تنها کارخانۀ تولید آلومینا در کشور است. این کارخانه پس از انجام مطالعات مقدماتی، در سال 1370 شمسی وارد مرحلۀ اجرایی شد. در این کارخانه با توجه به نوع بوکسیت استخراج شده در ایران، از روش بایر برای تولید آلومینا استفاده می‏شود. این کارخانه در سال 1370 شمسی با ظرفیت 280 هزار تن آلومینا، احداث و در سال 1380 شمسی با یک سوم ظرفیت، تولید خود را آغاز کرد. عملکرد کارخانۀ تولید آلومینای جاجرم و مقدار واردات آلومینا به ایران، در فاصلۀ سال‎های 1381 تا 1387 شمسی در جدول زیر آمده است. برای تولید هر تن شمش آلومینیم اولیه به طور تقریبی 2 تن آلومینا مورد نیاز است. بنابراین با توجه به تولید داخلی آلومینا و ظرفیت تولید شمش آلومینیم در کشور، می‎توان کمیت واردات آلومینا را تخمین زد.

This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 1068x184 and weights 59KB.

عمده‎ترین کشورهای صادر کنندۀ آلومینا به ایران، استرالیا و برزیل هستند. قیمت هر تن آلومینای وارداتی در سال 1387 به همراه هزینۀ حمل و نقل آن به 500 دلار به ازای هر تن رسید. این در حالی است که هزینۀ تمام شده برای هر تن آلومینای تولید داخل، 450 تا 470 دلار است. بنابراین افزایش تولید آلومینا، علاوه بر کاهش وابستگی صنایع آلومینیم ایران به خارج، مزایای اقتصادی قابل توجهی نیز در پی دارد. عمده‎ترین کشورهای تولید کنندۀ آلومینا در جدول زیر آمده است.

This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 1060x414 and weights 99KB.

[ghasem motamedi]

تولید، عرضه و تقاضای آلومینیم در ایران و جهان

صنعت تولید آلومينيم‌ در ايران‌ در سال‌ 1351 شمسی، با راه‌اندازي‌ اولين‌ واحد ذوب‌ آلومينيم‌ در اراك‌ با ظرفيت‌ اسمي‌ 45 هزار تن‌، فعاليت‌ خود را آغاز کرد. در حال حاضر مهم‎ترین کارخانه‌های تولید آلومینیم در ایران، شرکت آلومینیم ایران (ایرالکو) و مجتمع آلومینیم المهدی (عج) هستند. تولید، واردات و صادرات آلومینیم در ایران در فاصلۀ سال‎هاي ‌1381 تا 1387 شمسی در جدول‌ زیر آمده است

آلومينيم‌ در بيش‌ از 40 كشور دنيا توليد مي‌شود. بیش از 50 درصد توليد جهاني‌ آلومینیم متعلق به كشورهاي ‌چین، ایالات متحدۀ آمريكا، استرالیا، كانادا و کشورهای تازه استقلال یافته به همراه روسیه‌ است. عمده‎ترین کشورهای تولید کنندۀ آلومینیم در جدول زیر آمده است

[ghasem motamedi]

فرایندهای تولید آلومینیم

فلز آلومینیم به روش‎های آلومینیم اولیه و آلومینیم ثانویه تولید می‎شود. در صنایع تولید آلومینیم اولیه، کانسنگ بوکسیت پس از فراوری به آلومینا تبدیل، سپس آلومینا، الکترولیز و در مرحلۀ پایانی آلومینیم مذاب ریخته‎گری می‎شود. در روش آلومینیم ثانویه، قراضه‎های آلومینیم مانند قوطی‎های کنسرو، قطعات و بدنۀ اتومبیل، ضایعات آلومینیم‎دار، پس از آماده‎سازی و تمیزکاری، ذوب، پالایش و پس از ریخته‎گری به شمش آلومینیم تبدیل می‎شوند.

تولید آلومینیم ثانویه طی دهۀ 1980 میلادی به نسبت ثابت بود. رشد تقاضای صنعت اتومبیل سازی در جهان برای مصرف آلومینیم در پایان دهۀ 80 میلادی، که ناشی از افزایش میانگین مصرف قطعات آلومینیمی به 78.5 کیلوگرم در هر اتومبیل بود، سبب افزایش تولید آلومینیم ثانویه به بیش از 2 برابر شد. در فاصلۀ سال‎های 1986 تا 1989 میلادی، بازیابی آلومینیم از قوطی‎های کنسرو، با افزایش 26 درصدی به 1.3 تا 1.4 میلیون تن رسید. در سال 1989 میلادی، سهم آلومینیم ثانویه از تولید شمش آلومینیم در جهان بیش از 27.5 درصد بود و این مقدار در سال 2005 میلادی به بیش از 50 درصد رسید.


فرایند تولید آلومینیم اولیه

آلومينيم‌ اوليه‌ طی يك‌ فرايند دو مرحله‌اي‌ تولید می‎شود. در مرحلۀ اول آلومينا از كاني‌ بوكسيت‌ به روش باير استخراج‌ مي‌شود. فرایند بایر در سال 1888 میلادی توسط یک دانشمند آلمانی کشف شد و از آن زمان تا کنون متداول‎ترین روش تولید اکسید آلومینیم (Al2O3) محسوب می‎شود. فرایند بایر با انحلال بوکسیت در هیدروکسید سدیم آغاز می‏شود. محصول این فرایند آلومینات سدیم و سپس هیدروکسید آلومینیم است. در پایان با کلسینه سازی هیدروکسید آلومینیم، اکسید آلومینیم به دست می‎آید. مراحل فرایند تولید آلومینا از بوکسیت به روش بایر، در شکل زیر نشان داده شده است.

This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 771x808 and weights 61KB.

در مرحله‌ دوم‌، اكسيد آلومينيم‌ (آلومینا) به روش هال/ هرولت به آلومینیم خالص مذاب احیا می‎شود. مواد اوليۀ مصرفي در روش ‌هال/ هرولت برای تولید آلومینیم به روش الکترولیز، آلومينا و کريوليت (Na3AlF6)، هستند. کریولیت دمای ذوب آلومینا را کاهش می‌دهد. دمای ذوب آلومینا، 2046 درجۀ سانتیگراد و دمای ذوب کریولیت، 1000 درجۀ سانتیگراد و دمای ذوب مخلوط این دو، 960 تا 970 درجۀ سانتیگراد است. آند و کاتد مصرفی در سلول الکترولیز از جنس گرافیت‎اند، که از مخلوط کک نفتی و قیر، ساخته می‏شوند. در این فرایند، آلومينيم در کاتد رسوب کرده و به علت آزاد شدن اکسیژن در آند، کربن الکترودها مي‌سوزد.

روش الکترولیز هال/ هرولت برای تولید آلومینیم مذاب، بر اساس نوع آند مصرفی و نوع تغذیۀ آلومینا به چهار دسته تقسیم می‎شود. سهم بهره‎برداری از این چهار روش در جدول زیر آورده شده است.

This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 875x249 and weights 60KB.

فناوری الکترولیز با آندهای سودربرگ (افقی و عمودی) بر اساس آندهای پیوسته بوده که در آن خمیر آند پس از انتقال به سلول الکترولیز، بر اثر عبور جریان الکتریکی، گرم و پخت می‎شود. در فناوری الکترولیز با آندهای پیش پخت (تغذیۀ مرکزی و جانبی)، ابتدا آندها در کارگاه آندسازی تولید و پس از میله‎گذاری به کارگاه احیا و سلول الکترولیز منتقل می‎شوند. استفاده از آندهای پیش پخت نسبت به آندهای سودربرگ اقتصادی‎تر بوده، و در 10 سال گذشته تنها یک کارخانه با فناوری سودربرگ ساخته شده و بقیه بر اساس روش پیش پخت توسعه یافته‎اند. طرح کلی یک سلول الکترولیز با آندهای پیش پخت در شکل زیر نشان داده شده است.

This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 686x486 and weights 79KB.

[ghasem motamedi]

فرایند تولید آلومينيم‌ ثانويه

‌فرایند تولید آلومینیم ثانویه در مجموع شامل آماده‎ سازی قراضه، ذوب و پالایش است. آماده سازی شامل دسته‎بندی، شست و شو و تمیزکاری قراضه‎ها است. فرایند ذوب و پالایش نیز شامل ذوب، آلیاژسازی و خالص سازی آلومینیم بازیابی شده است. در توليد آلومينيم ‌ثانويه، قراضه‎ها‌ اغلب در داخل‌ كوره‌ هاي‌ ارتعاشي ‌ گازسوز يا روغن‌سوز با ظرفيت ‌30 تا 100 هزار پوند ذوب‌ مي‌شوند‌


آماده‎سازی قراضه آلومینیم

منابع تامین قراضه ‎های آلومینیم بسیار متنوع‎ اند. قراضه‎ها به دو دسته تقسیم می‎شود:

1) قراضه‎های نو مانند براده‎های ماشین کاری، دریل کاری و سوراخ کاری شمش‎های آلومینیمی که توسط کارخانه‎های سازنده و شکل دهندۀ قطعات آلومینیمی تولید شده، ضایعات حامل آلومینیم مانند لجن، پسماند و سربارۀ مذاب و ضایعات تولید شمش در کارگاه‎های ذوب و ریخته‎گری؛

2) قراضه‎های کهنه شامل محصولات مستهلک شده یا اسقاطی مانند بدنه و اجزای موتور اتومبیل و هواپیما، فویل‎های آلومینیمی، قوطی کنسرو. مرحلۀ آماده‎سازی قراضه‎های آلومینیمی شامل دسته‎بندی و شست و شوی قراضه‎ها برای حذف آلودگی‎هایی مانند روغن، پلاستیک و رنگ و آماده‎سازی مواد برای مرحله ذوب و پالایش است. مراحل آماده‎سازی قراضه‎های آلومینیمی در شکل زیر نشان داده شده است.

This image has been resized. Click this bar to view the full image. The original image is sized 812x807 and weights 76KB.

فرایند تمیزکاری قراضه به شکل مکانیکی، پیرومتالورژیکی و هیدرومتالورژیکی انجام می‎شود. در تمیزکاری مکانیکی ابتدا با استفاده از سنگ شکن‎ های چکشی، گلوله‎ ای و میله‎ ای، یا سایر عملیات‎ های مکانیکی خرد کردن، قراضه‎ های حامل آلومینیم به قطعات ریز تبدیل و سپس سرند می‎شوند تا محصولی با 60 تا 70 درصد آلومینیم به دست آید. از سنگ شکن‎ ها به ویژه برای کاهش اندازه اکسیدها و ذرات غیرفلزی به ذرات ریز و پودری شکل استفاده می ‎کنند تا در حین غربال به راحتی جدا شوند. در این مرحله برای افزایش بازده جداسازی، از جداکننده‎ های مغناطیسی برای تفکیک قطعات آهنی استفاده می‎شود

در روش تمیزکاری پیرو متالورژیکی که در صنعت به روش خشک موسوم است، از حرارت برای جداسازی آلومینیم از مواد همراه و سایر فلزات استفاده می‎شود. روش پیرومتالورژیکی شامل دو مرحلۀ تشویه و تعریق است. در مرحلۀ تشویه، قراضه آلومینیم در کورۀ خشک کن تا دمایی کمتر از دمای ذوب آلومینیم، (660 درجۀ سانتیگراد) حرارت داده شده تا ترکیبات آلی آن تبخیر شوند. فرایند تعریق نیز شامل گرمایش قراضۀ محتوی فلزات همراه در کورۀ Sweat تا بالاتر از دمای ذوب آلومینیم و زیر دمای ذوب فلزات همراه آن نظیر آهن است. چنین شرایطی سبب می‎شود تا آلومینیم و سایر عناصر همراه آن که دمای ذوب پایین دارند ذوب شده و به داخل بوته سرازیر شوند. مذاب به دست آمده Sweated Pig نامیده می‎ شود. از طرفی مواد دیگر مانند آهن و برنج که نقطه ذوب بیشتری دارند، پس از جداسازی به طور مرتب از کوره تخلیه می‎ شوند. برای افزایش بهره‎وری در پالایش آلومینیم، تفاله و پسماندهای هر دو فرایند تشویه و تعریق، دوباره بازیابی می‎ شوند.

در روش تمیزکاری هیدرومتالورژیکی از آب برای تمیز کردن قراضه آلومینیم استفاده می‎شود. مراحل روش هیدرومتالورژی شامل شست و شو و جداسازی فلزات سنگین است. در ابتدا قراضۀ آلومینیم وارد یک آسیای استوانه‎ای شکل شده تا آلودگی‏ های آن با آب شسته و حذف شود. سپس قراضۀ آلومینیم را غربال کرده تا مواد ریز و نمک‎های حل نشده در آب از آن حذف شوند. سپس مواد غربال شده را خشک کرده و مواد آهنی همراه آن توسط یک جدا کنندۀ مغناطیسی حذف می‎ شوند. در مرحلۀ بعد، فلزات سنگین همراه قراضه مانند مس و آهن که چگالی بیشتر از آلومینیم دارند، از آن جدا می ‎شوند.