알루미늄은 무엇으로 만들어 졌습니까?

전 세계에서 가장 풍부하고 널리 사용되는 금속 중 하나 인 알루미늄은 자연에서 순수한 형태로 발견되지 않습니다. 대신, 그것은 미네랄의 다른 요소들과 함께 존재하므로 특수 추출 및 분리가 필요합니다. 자연 공급원에서 화학적 및 물리적 변형에 이르기까지 -의 알루미늄이 무엇인지 이해하는 것은 -의 특성, 생산 및 산업적 중요성에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다. 이 기사는 알루미늄을 재료로 정의하는 기원, 구성 및 제조 공정을 탐구합니다.
자연 소스 : 보크 사이트 광석
알루미늄의 여정은 알루미늄이 도출되는 1 차 광석 인 보크 사이트로 시작됩니다. 보크 사이트는 열대 또는 아열대 기후에서 알루미늄 - 풍부한 암석 (화강암)의 풍화로 형성된 퇴적 암석으로, 높은 강우량과 따뜻한 온도가 실리카와 다른 미네랄을 피하고 농축 알루미늄 산화물을 남겨 두는 곳에서 퇴적 된 암석입니다.
보크 사이트의 화학적 조성은 수산화 알루미늄에 의해 지배되며, 다음을 포함하는 전형적인 성분이 있습니다.
• Gibbsite (Al (OH) ₃) : 보크 사이트에서 미네랄을 베어링하는 가장 일반적인 알루미늄 -는 높은 - 품질 예금에서 조성의 50-70%를 차지합니다.
• Boehmite ({- alo (OH)) 및 diaspore (- alo (OH)) :이 수화 된 알루미늄 산화물은 냉각기 또는 건조 영역에서 보크 사이트에서 더 널리 퍼져 있으며, 알루미늄을 추출하기 위해 더 높은 가공 온도가 필요합니다.
• 불순물 : 보크 사이트에는 종종 산화철 (붉은 색 - 갈색), 실리카, 이산화 티타늄 (Tio₂) 및 소량의 유기물이 포함됩니다. 이러한 불순물은 최종 알루미늄의 품질을 손상시킬 수 있으므로 가공 중에 제거되어야합니다.
글로벌 보크 사이트 매장량은 기니, 호주 및 중국과 같은 국가에 집중되어 있으며, 예금은 지질 학적 형성에 따라 순도가 다양합니다. 높은 - 등급 보크 사이트에는 45-55% 산화 알루미늄 (ALATER)이 포함되어있어 효율적인 알루미늄 생산에 이상적입니다.
보크 사이트에서 알루미나까지 : 바이어 과정
알루미늄 금속이 생산되기 전에 보크 사이트는 알루미나 (알루미늄 산화 알루미늄, 알루미늄) - 흰색, 가루 중간체 제품으로 정제됩니다. 이 변화는 1887 년에 개발되었으며 오늘날에도 여전히 업계 표준을 통해 달성됩니다.
Bayer 프로세스의 주요 단계 :
1. 크러싱 및 분쇄 : 보크 사이트 광석은 작은 입자 (1-2cm)로 분쇄되고 미세한 슬러리로 분쇄되어 화학 반응을위한 표면적을 증가시킵니다.
2. 디지털 : 슬러리는 140-280도에서 높은 - 압력 용기 (소화기)에서 뜨거운 농축 수산화 나트륨 (NAOH) 용액과 혼합됩니다. 이것은 보크 사이트에서 알루미늄 산화 알루미늄과 반응하여 가용성 나트륨 알루미 네이트 (Naalo₂)를 형성하는 반면, 산화철 및 이산화 티타늄은 불용성 고체로 남아 있습니다.
al (OH) ₃ + naoh → naalo₂ + 2 h₂o
(Gibbsite는 수산화 나트륨과 반응하여 나트륨 알루미 네이트를 형성합니다)
3. 분류 : 혼합물을 여과하여 불용성 불순물 ( "적색 진흙", 주로 산화철 및 실리카)에서 나트륨 알루미 네이트 용액 ( "임신 주류")을 분리하기 위해 여과된다. 적색 진흙은 배치되지만 재활용하려는 노력 (예 : 건축 자재의 경우)은 진행 중입니다.
4. 배출 : 임신 주류가 냉각되고, 수산화 알루미늄 씨앗이 첨가되어 순수한 알루미늄 수산화물 (Al (OH) ₃) 입자의 결정화를 유발합니다.
naalo₂ + 2 h₂o → al (OH) ₃ ↓ + naoh
(나트륨 알루미 네이트는 물과 반응하여 수산화 알루미늄을 형성하고 수산화 나트륨을 재생합니다)
5. 계정화 : 수산화 알루미늄은 회전 가마에서 1000-1200 도로 가열되어 순수한 알루미나 (Al₂o₃)를 형성하기 위해 물을 운전합니다.
2AL (OH) → ALATER + 3 HATER
결과 알루미나는 99.5% 순수하며, 높은 용융점 (2072도)으로 알루미늄 금속 생산에 적합합니다.
알루미나에서 알루미늄 금속으로 : 홀 - héroult 공정
Alumina 자체는 전기 절연체이므로 순수한 알루미늄을 추출하려면 용융 및 전기 분해가 필요합니다. 이것은 1886 년 Charles Hall과 Paul Héroult가 독립적으로 개발 한 홀 - Héroult 프로세스를 통해 달성됩니다. 이는 1 차 알루미늄을 생산하는 유일한 산업 방법으로 남아 있습니다.
홀의 주요 단계 - héroult 프로세스 :
1. 전해질 제제 : 알루미나는 용매로 작용하는 광물 인 용융 cryolite (na₃alf)에 용해된다. Cryolite는 알루미나의 용융점을 2072도에서 ~ 960 도로 낮추어 에너지 요구 사항을 줄입니다. 전해질의 점도 및 전도도를 조정하기 위해 소량의 알루미늄 불소 (ALF₃) 및 칼슘 불소 (CAF)가 첨가된다.
2. 전자 분해 : 용융 전해질은 큰 탄소 - 라이닝 강철 냄비 (세포)로 고정됩니다. 탄소 양극 (양의 전극)은 전해질에 침지되고, 탄소 라이닝은 캐소드 (음성 전극) 역할을한다. 전류 (200–500 ka)가 셀을 통과 할 때 :
◦ 음극에서 : 알루미늄 이온 (Al³⁺)은 전자를 얻고 용융 알루미늄 금속으로 감소되어 세포의 바닥으로 가라 앉습니다.
al³ 0 + 3 e⁻ → al (l)
◦ 양극에서 : 산화물 이온 (o²⁻)은 전자를 잃고 탄소와 반응하여 이산화탄소를 형성합니다.
2o²⁻ + c → Co₂ (g) + 4 e⁻
3. 알루미늄 수집 : 용융 알루미늄 (99.7–99.9% 순수)은 세포로부터 주기적으로 사이 폰트되어 용광로로 옮겨집니다.
4. 합의 (선택 사항) : 순수한 알루미늄은 종종 강도, 부식 저항 또는 기타 특성을 향상시키기 위해 다른 요소 (예 : 구리, 마그네슘, 실리콘)와 합금됩니다. 예를 들어, 4-5% 구리를 첨가하면 항공 우주에 사용되는 2024 알루미늄이 생성됩니다.
홀 - héroult 프로세스는 에너지 - 집중적 - 1 톤의 알루미늄을 생산하려면 ~ 13 mWh의 전기가 필요합니다 - 낮은 - 비용, 낮은- Carbon Power (eg, Hydroelecel}} Carbontricity)에 대한 액세스가 필요합니다.
재활용 알루미늄 : 닫힌 - 루프 시스템
1 차 알루미늄은 보크 사이트에서 파생되지만 재활용 알루미늄은 또 다른 주요 원천으로, 전 세계 알루미늄 공급의 ~ 30%를 차지합니다. 재활용 알루미늄은 더 간단한 프로세스를 통해 스크랩 알루미늄 (예 : 음료 캔, 자동차 부품, 건축 폐기물)으로 만들어집니다.
1. 분류 및 청소 : 스크랩은 합금 유형 (오염을 피하기 위해)으로 정렬하고 청소하여 페인트, 오일 또는 플라스틱을 제거합니다.
2. 멜팅 : 깨끗한 스크랩은 ~ 660 도로 용광로에서 녹습니다 (홀보다 훨씬 낮습니다 - héroult 공정 온도). 플럭스 또는 불활성 가스는 마그네슘이나 수소와 같은 불순물을 제거하는 데 사용됩니다.
3. 캐스트 : 녹은 재활용 알루미늄은 제조 준비가 된 잉곳, 시트 또는 막대로 캐스트됩니다.
재활용 알루미늄은 품질 손실없이 1 차 알루미늄을 생산하는 데 필요한 에너지의 5% 만 사용합니다. 이로 인해 재활용 알루미늄은 글로벌 탈탄화 목표와 일치하는 지속 가능한 금속 생산의 핵심 구성 요소가됩니다.
알루미늄 금속의 화학적 조성
순수 알루미늄 (99.9%+ AL)은 부드럽고 연성 금속이지만 산업용 알루미늄은 거의 항상 성능을 향상시키기 위해 합금됩니다. 일반적인 합금 요소는 다음과 같습니다.
• 구리 (CU) : 열처리를 통해 강도를 높이기 위해 2000- 시리즈 합금 (예 : 2024)에 추가.
• 마그네슘 (MG) : 5000 시리즈 합금 (예 : 5052)에 사용되어 내식성 및 용접성을 향상시킵니다.
• 실리콘 (SI) : 6000 시리즈 합금 (예 : 6061)의 마그네슘과 결합하여 mgsi 층을 형성하여 강도를 향상시킵니다.
• 아연 (Zn) : 항공 우주에 사용되는 가장 강력한 알루미늄 합금을 생성하기 위해 구리 및 마그네슘으로 7000 시리즈 합금 (예 : 7075)에 추가되었습니다.
• 리튬 (LI) : 로켓 성분에 사용되는 알루미늄 - 리튬 합금 (예 : 2195)의 밀도를 감소시킵니다.
합금에서도 알루미늄은 지배적 인 요소 - 일반적으로 85-99 중량% -로 남아 있습니다.
구성이 중요한 이유
알루미늄의 구성 - 순수한 금속, 합금 또는 재활용 재료 -은 성능을 직접 결정합니다. 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예 : 예의 예 : 예의 예 : 예의 그렇습니다 : 예.
• 높은 - 순도 알루미늄 (99.99% AL)은 전기 도체에서 전도도에 사용됩니다.
• 5083 알루미늄 (4.5% 마그네슘, 0.7% 망간)은 바닷물 부식에 저항하여 해양 응용에 이상적입니다.
• 재활용 3004 알루미늄 (1.2–1.8% 망간)은 성형 성과 강도를 위해 음료 캔에 사용됩니다.
보크 사이트에서 합금, 재활용 스크랩에 이르기까지 -의 알루미늄이 무엇인지 이해하면 제조업체는 지속 가능성을 최적화하면서 요구에 맞는 적절한 재료를 선택할 수 있습니다.
요약하면, 알루미늄은 근본적으로 보크 사이트 광석으로 만들어졌으며 바이어 공정을 통해 알루미나로 변형 된 다음 홀 - héroult 공정을 통해 금속으로 변형됩니다. 스크랩에서 파생 된 재활용 알루미늄은 점점 더 중요한 역할을하며 낮은 - 에너지, 폐쇄 - 루프 시스템을 활용합니다. 그 구성 - 순수 또는 합금이든 -은 그 특성을 지시하여 산업 전반에 걸쳐 다재다능한 재료로 만듭니다. 낮은 - 탄소 재료에 대한 수요가 증가함에 따라, 보크 사이트 가공, 전기 분해 효율 및 재활용의 발전은 알루미늄이 어떻게 "만들어 졌는지"미래의 지속 가능한 금속으로서의 역할을 보장 할 것입니다.