Hliník se na trh dostává prostřednictvím řetězce čtyř velmi odlišných operací: rafinace rudy na čistý oxid hlinitý, redukce tohoto oxidu hlinitého na roztavený kov, odlévání kovu do polotovaru-a tvarování tohoto materiálu na hotové díly. Každá fáze má svou vlastní materiálovou bilanci, spotřebu energie a kontrolu kvality a parametry nastavené v raných fázích určují, čeho je možné dosáhnout.
Rafinace bauxitu na oxid hlinitý
Řetězec začíná bauxitem, lateritickou rudou bohatou na hydratované oxidy hliníku. Bayerův proces rozpouští rudu v horkém hydroxidu sodném pod tlakem a přeměňuje minerály obsahující hliník na rozpustný hlinitan sodný, zatímco sloučeniny obsahující železo, titan a oxid křemičitý zůstávají nerozpustné. Tento zbytek, známý jako červené bahno, je odfiltrován a skladován v uměle vytvořených nádržích kvůli své zásaditosti a vysokému objemu.
Vyčeřený louh hlinitanu sodného se ochladí a naočkuje do srážecích nádrží, kde hydroxid hlinitý vykrystalizuje během několika dnů. Krystaly se promyjí a poté kalcinují v rotačních pecích při teplotě asi 1 000 C, aby se odstranila chemicky vázaná voda, čímž se získá bezvodý oxid hlinitý (Al2O3).
Materiálová bilance je nejjasnějším způsobem, jak posoudit rozsah tohoto kroku. Na výrobu 2 tun oxidu hlinitého se spotřebuje zhruba 4 až 5 tun bauxitu a rafinace je jednou z energeticky nejnáročnějších fází celého řetězce. Obsah oxidu křemičitého v rudě je hlavním hnacím motorem nákladů, protože reaktivní oxid křemičitý spotřebovává louh sodný a zvyšuje spotřebu alkálií i energie.
Tavení v Hall-Heroult Cells
Oxid hlinitý se přeměňuje na kovový hliník elektrolytickou redukcí v článcích potažených uhlíkem. Oxid hlinitý se rozpouští v roztaveném kryolitu při teplotě asi 950 C, což snižuje pracovní teplotu na úroveň, která je praktická pro nepřetržitý provoz při zachování vodivosti elektrolytu.
Uhlíkové anody se ponoří do lázně a jsou nepřetržitě spotřebovávány, přičemž se uvolňuje oxid uhličitý, když se kyslík z oxidu hlinitého slučuje s uhlíkem. Stejnosměrný proud v rozsahu 150 000 až 300 000 ampér na buněčnou linii štěpí vazbu hliníku a kyslíku a roztavený hliník, který je hustší než lázeň, se shromažďuje na dně článku. Kov je vysáván každých 24 až 48 hodin a převáděn v pánvích do slévárny.
Spotřeba energie je dominantní provozní náklady. Moderní článek spotřebuje zhruba 13 až 15 kWh na kilogram vyrobeného hliníku a anody a obložení článku jsou spotřební materiál, který se musí vyměnit v plánovaném cyklu. To je důvod, proč jsou hutě umístěny tam, kde je elektřina levná a stabilní, a proč se postupné zvýšení současné účinnosti promítá přímo do nákladů a uhlíkové výkonnosti.
Odlévání a válcování na polotovary-
Tekutý kov se v litovně přemění na polotovar{0}}. Odlévání přímým chlazením (DC) produkuje válcované desky o hmotnosti až 30 tun pro ploché výrobky spolu s vytlačovanými předvalky pro dlouhé výrobky. Parametry odlévání, zejména rychlost chlazení, řídí strukturu ingotu a množství segregace, která musí být později odstraněna.
Homogenizace:desky se udržují při 500 až 600 °C po dobu 8 až 24 hodinových cyklů, aby se rozpustily a redistribuovaly oddělené prvky a aby byla struktura jednotná pro válcování.
Válcování za tepla:tloušťka je snížena z přibližně 600 mm na 2 až 10 mm v reverzní fréze vícenásobnými průchody při zvýšené teplotě.
Válcování za studena:za tepla válcovaný svitek je dále redukován na přesné rozměry, až na asi 0,006 mm pro fólii, s tolerancí tloušťky udržovanou v rozmezí asi plus nebo mínus 3 procenta.
Mezižíhání:mezi fázemi válcování za studena se aplikuje žíhání na 350 C, aby se obnovila tažnost, takže je možné další snížení bez praskání hran.
Kontrola měřidla, rovinnost a čistota povrchu jsou v této fázi nepřetržitě monitorovány, protože defekt odvalování nelze později v procesním řetězci opravit.
Metody tvarování a tváření
Polotovar se převádí na hotovou geometrii jednou z několika cest, z nichž každá odpovídá velikosti dílu, toleranci a objemu výroby:
Extruze:Sochory zahřáté na asi 500 C se protlačují průvlakem při tlacích až zhruba 100 MPa, čímž se vytvoří dlouhé profily konstantního průřezu pro stavebnictví, dopravu a elektrotechnické použití.
Uzavřené zápustkové kování:horký kov je tvarován mezi lícovanými matricemi tak, aby tok zrna sledoval dráhu zatížení, a proto kované součásti zavěšení a řízení nesou vysoké únavové zatížení.
Vysokotlaké lití:roztavený kov je vstřikován do ocelových forem při tlacích nad asi 70 MPa, čímž se získávají tenkostěnné díly s téměř čistým tvarem pro pouzdra a konzoly při vysokých rychlostech cyklu.
Hluboká kresba:plech je natažen do kelímků a poté překreslen tak, aby vznikly bezešvé nápojové plechovky a podobné tenkostěnné nádoby.
Aditivní výroba:selektivní laserové tavení vytváří složité držáky a jádra výměníků tepla vrstvu po vrstvě, což je cesta používaná tam, kde by konvenční nástroje byly nepraktické.
Povrchová úprava a konečná úprava
Dokončení určuje, jak bude díl fungovat v provozu a jak dlouho si zachová svůj vzhled.
Eloxování:elektrolytický proces, který vytváří porézní oxidovou vrstvu až do tloušťky asi 25 mikronů, používaný pro architektonické profily a spotřební výrobky, kde záleží na tvrdosti a odolnosti vůči povětrnostním vlivům.
Práškové lakování:elektrostaticky nanášená polymerní vrstva vytvrzená při cca 200 C, která poskytuje trvanlivou barvu a odolnost vůči venkovním povětrnostním vlivům.
Konverzní nátěr:tenký chemický film, který zlepšuje přilnavost laku a dodává ochranu proti korozi beze změny rozměrů, široce používaný pro letecké a automobilové komponenty.
Mechanické leštění a kartáčování:vyrábíme dekorativní povrchy a povrchy s nízkým třením pro architektonické aplikace a aplikace spotřebičů.
Laserové texturování:vytváří řízené mikrodrážky, které zlepšují zadržování maziva na kluzných plochách a tvářecích nástrojích.
Často kladené otázky
Otázka: Kolik bauxitu je potřeba k výrobě oxidu hlinitého?
Jako pracovní údaj se na výrobu 2 tun oxidu hlinitého spotřebuje 4 až 5 tun bauxitu. Přesný poměr závisí na dostupném obsahu oxidu hlinitého v rudě a na tom, kolik reaktivního oxidu křemičitého musí být odstraněno během vyhnívání.
Otázka: Co je to červené bahno a proč se ukládá v rybnících?
Červené bahno je nerozpustný zbytek po digesci bauxitu, tvořený sloučeninami obsahujícími železo, titan a oxid křemičitý spolu se zbytkovou alkálií. Jeho zásaditost a objem vyžadují technické omezení a je hlavní položkou environmentálního managementu ve fázi rafinace.
Otázka: Proč se kryolit používá při tavení hliníku?
Kryolit rozpouští oxid hlinitý a nechává redukci probíhat při teplotě asi 950 C, tedy hluboko pod bodem tání čistého oxidu hlinitého. Díky této nižší teplotě je kontinuální průmyslová elektrolýza praktická.
Otázka: Kolik elektřiny vyžaduje tavení?
Moderní redukční článek spotřebuje asi 13 až 15 kWh na kilogram hliníku, díky čemuž jsou náklady na energii a stabilita energie rozhodujícími faktory při umístění tavírny.
Otázka: Jaký je rozdíl mezi válcováním za tepla a válcováním za studena?
Válcování za tepla zmenšuje tloušťku desky z přibližně 600 mm na 2 až 10 mm při zvýšené teplotě, kde je kov měkký a redukce na jeden průchod mohou být velké. Válcování za studena pak dostane svitek na konečnou tloušťku, až na asi 0,006 mm, s mnohem užší tolerancí tloušťky a lepší povrchovou úpravou.
Otázka: Jaký proces tvarování zvolit pro daný díl?
Vytlačování vyhovuje profilům konstantního průřezu, kování vyhovuje dílům nesoucím zatížení, které vyžadují příznivý tok zrna, tlakové lití vyhovuje tenkostěnným pouzdrům ve velkém objemu, hluboké tažení vyhovuje bezešvým nádobám a výroba aditiv vyhovuje složitým geometriím s malým objemem.
