Alumiinium jõuab turule neljast väga erinevast toimingust koosneva ahela kaudu: maagi rafineerimine puhtaks alumiiniumoksiidiks, alumiiniumoksiidi redutseerimine sulametalliks, metalli valamine pool{0}}tooteks ja selle vormimine valmisdetailideks. Igal etapil on oma materjalibilanss, energiavajadus ja kvaliteedikontroll ning varajases staadiumis seatud parameetrid määravad ära, mis on allavoolu saavutatav.
Boksiidi rafineerimine alumiiniumoksiidiks
Ahel algab boksiidist, lateriitsest maagist, mis on rikas hüdraatunud alumiiniumoksiidide poolest. Bayeri protsess lahustab maagi rõhu all kuumas naatriumhüdroksiidis, muutes alumiiniumi sisaldavad mineraalid lahustuvaks naatriumaluminaadiks, samal ajal kui rauda, titaani ja ränidioksiidi sisaldavad ühendid jäävad lahustumatuks. See jääk, mida tuntakse punase mudana, filtreeritakse välja ja hoitakse selle aluselise ja suure mahu tõttu konstrueeritud isoleeritud tiikides.
Selitatud naatriumaluminaadi vedelik jahutatakse ja külvatakse sadepaakidesse, kus alumiiniumhüdroksiid kristalliseerub mitme päeva jooksul. Kristalle pestakse ja seejärel kaltsineeritakse pöördahjudes umbes 1000 C juures, et eemaldada keemiliselt seotud vesi, saades veevaba alumiiniumoksiidi (Al2O3).
Materjali tasakaal on kõige selgem viis selle sammu ulatuse hindamiseks. 2 tonni alumiiniumoksiidi tootmiseks kulub ligikaudu 4–5 tonni boksiidi ja rafineerimine on kogu ahela üks energiamahukamaid etappe. Ränisisaldus maagis on peamine kulutekitaja, sest reaktiivne ränidioksiid tarbib seebikivi ja suurendab nii leelise kui ka energia tarbimist.
Sulatamine Hall{0}}Heroult Cellsis
Alumiiniumoksiid muundatakse metalliliseks alumiiniumiks süsinikvoodriga elementide elektrolüütilise redutseerimise teel. Alumiiniumoksiid lahustatakse sulas krüoliidis umbes 950 C juures, mis alandab töötemperatuuri tasemeni, mis on otstarbekas pidevaks tööks, hoides samal ajal elektrolüüdi juhtivana.
Süsinikanoodid sukelduvad vanni ja neid tarbitakse pidevalt, vabastades süsinikdioksiidi, kui alumiiniumoksiidi hapnik ühineb süsinikuga. Alalisvool vahemikus 150 000 kuni 300 000 amprit rakuliini kohta lõhustab alumiiniumi hapnikusideme ja sulaalumiinium, mis on vannist tihedam, koguneb raku põhja. Metall sifoonitakse välja iga 24–48 tunni järel ja kantakse kulpidena valumajja.
Energiatarbimine on domineeriv tegevuskulu. Kaasaegne element tarbib ligikaudu 13–15 kWh toodetud alumiiniumi kilogrammi kohta ning anoodid ja elemendivooder on kulumaterjalid, mis tuleb kavandatud tsükli jooksul välja vahetada. See on põhjus, miks sulatustehased asuvad seal, kus elekter on nii odav kui ka stabiilne, ning voolutõhususe järkjärguline suurenemine väljendub otseselt kuludes ja süsinikdioksiidis.
Valamine ja poolvalmistoodeteks valtsimine{0}}
Vedel metall muudetakse valatud majas{0}}pooltooteks. Otsejahutusega (DC) valamisel saadakse kuni umbes 30-tonniseid valtsplaate lamedate toodete jaoks koos ekstrusioontoorikutega pikkade toodete jaoks. Valamise parameetrid, eriti jahutuskiirus, reguleerivad valuploki struktuuri ja hiljem eemaldatava segregatsiooni suurust.
Homogeniseerimine:plaate hoitakse 500–600 C juures 8–24-tunniste tsüklitena, et lahustada ja ümber jaotada eraldatud elemente ning muuta struktuur valtsimiseks ühtlaseks.
Kuumvaltsimine:paksust vähendatakse umbes 600 mm-lt 2-10 mm-ni pöördveskis mitme läbikäiguga kõrgendatud temperatuuril.
Külmvaltsimine:Kuumvaltsitud spiraali vähendatakse veelgi täpsete mõõtudega, fooliumi puhul umbes 0,006 mm-ni, kusjuures paksuse tolerants jääb umbes pluss-miinus 3 protsendi piiresse.
Vaheline lõõmutamine:350 C lõõmutamist rakendatakse külmvaltsimise etappide vahel elastsuse taastamiseks, nii et edasine vähendamine on võimalik ilma servade pragunemiseta.
Mõõdikute kontrolli, tasasust ja pinna puhtust jälgitakse selles etapis pidevalt, sest valtsimisdefekti ei ole võimalik protsessiahelas hiljem parandada.
Vormimis- ja vormimismeetodid
Poolvalmis{0}}varu teisendatakse valmis geomeetriaks ühel mitmest marsruudist, millest igaüks sobitatakse osa suuruse, tolerantsi ja tootmismahuga:
Ekstrusioon:Umbes 500 C-ni kuumutatud kangid surutakse läbi matriitsi rõhul kuni ligikaudu 100 MPa, luues pikad konstantse ristlõike profiilid ehitamiseks, transpordiks ja elektrikasutuseks.
Suletud stantsimine:kuum metall on vormitud sobivate stantside vahel nii, et viljavool järgib koormusteed, mistõttu sepistatud vedrustus ja roolikomponendid kannavad suurt väsimuskoormust.
Kõrgsurve survevalu:sulametall pihustatakse terasstantsidesse rõhul üle 70 MPa, mis annab suure tsüklikiirusega õhukese seinaga, peaaegu võrgukujulised osad korpustele ja sulgudele.
Sügav joonistus:leht tõmmatakse tassidesse ja seejärel joonistatakse uuesti, et valmistada õmblusteta joogipurke ja sarnaseid õhukeseseinalisi anumaid.
Lisandite tootmine:selektiivne lasersulatamine loob kihthaaval keerukad sulgud ja soojusvaheti südamikud, mida kasutatakse seal, kus tavapärased tööriistad oleksid ebapraktilised.
Pinnatöötlus ja viimistlus
Viimistlus määrab, kuidas osa töötab ja kui kaua see säilitab oma välimuse.
Anodeerimine:elektrolüütiline protsess, mis kasvatab kuni umbes 25 mikroni paksuse poorse oksiidikihi, mida kasutatakse arhitektuursete profiilide ja tarbekaupade jaoks, kus kõvadus ja ilmastikukindlus on olulised.
Pulbervärvimine:umbes 200 C juures kõvendatud elektrostaatiliselt kantud polümeerkiht, mis annab püsiva värvi ja välistingimustes ilmastikukindluse.
Konversioonikate:õhuke keemiline kile, mis parandab värvi nakkumist ja lisab korrosioonikaitset ilma mõõtmeid muutmata, mida kasutatakse laialdaselt kosmose- ja autokomponentide jaoks.
Mehaaniline poleerimine ja harjamine:toota dekoratiivseid ja vähese hõõrdumisega pindu arhitektuuri- ja seadmerakenduste jaoks.
Lasertekstureerimine:loob kontrollitud mikrosooned, mis parandavad määrdeaine püsivust libisevatel pindadel ja vormimistööriistadel.
Korduma kippuvad küsimused
K: Kui palju boksiidi on vaja alumiiniumoksiidi valmistamiseks?
Töönäitajatena kulub 2 tonni alumiiniumoksiidi tootmiseks 4–5 tonni boksiidi. Täpne suhe sõltub maagi saadaolevast alumiiniumoksiidi sisaldusest ja sellest, kui palju reaktiivset ränidioksiidi tuleb seedimise käigus tagasi lükata.
K: Mis on punane muda ja miks seda tiikides hoitakse?
Punamuda on pärast boksiidi kääritamist järele jäänud lahustumatu jääk, mis koosneb rauda, titaani ja ränidioksiidi kandvatest ühenditest koos leelise jääkidega. Selle aluselisus ja maht nõuavad konstrueeritud isolatsiooni ning see on rafineerimisetapi peamine keskkonnajuhtimiselement.
K: Miks kasutatakse alumiiniumi sulatamisel krüoliiti?
Krüoliit lahustab alumiiniumoksiidi ja laseb redutseerida temperatuuril umbes 950 C, mis on tunduvalt madalam kui puhta alumiiniumoksiidi sulamistemperatuur. See madalam temperatuur muudab pideva tööstusliku elektrolüüsi praktiliseks.
K: Kui palju elektrit vajab sulatamine?
Kaasaegne redutseerimiselement tarbib umbes 13–15 kWh alumiiniumi kilogrammi kohta, mis muudab võimsuse maksumuse ja võimsuse stabiilsuse sulatustehase asukoha määravaks.
K: Mis vahe on kuumvaltsimisel ja külmvaltsimisel?
Kuumvaltsimine vähendab plaadi paksust umbes 600 mm-lt 2-10 mm-le kõrgendatud temperatuuril, kus metall on pehme ja vähenemine läbisõidu kohta võib olla suur. Külmvaltsimine viib mähise lõpliku gabariidini, kuni umbes 0,006 mm, palju tihedama paksuse tolerantsiga ja parema pinnaviimistlusega.
K: Milline vormimisprotsess tuleks antud detaili jaoks valida?
Ekstrusioon sobib konstantse ristlõikega profiilidele, sepistamine sobib kandvatele osadele, mis vajavad soodsat teravoolu, survevalu sobib õhukese seinaga suure mahuga korpustele, sügavtõmbamine sobib õmblusteta mahutitele ja lisandite tootmine sobib väikesemahuliste keerukate geomeetriatega.
