Hliník sa na trh dostáva prostredníctvom reťazca štyroch veľmi odlišných operácií: rafinácia rudy na čistý oxid hlinitý, redukcia tohto oxidu hlinitého na roztavený kov, odlievanie kovu do polotovaru-a tvarovanie tohto materiálu na hotové diely. Každá etapa má svoju vlastnú materiálovú bilanciu, dopyt po energii a kontrolu kvality a parametre nastavené v počiatočných fázach určujú, čo je možné dosiahnuť na výstupe.
Rafinácia bauxitu na oxid hlinitý
Reťazec začína bauxitom, lateritickou rudou bohatou na hydratované oxidy hliníka. Bayerov proces rozpúšťa rudu v horúcom hydroxide sodnom pod tlakom, čím sa minerály obsahujúce hliník premieňajú na rozpustný hlinitan sodný, zatiaľ čo zlúčeniny obsahujúce železo, titán a oxid kremičitý zostávajú nerozpustné. Tento zvyšok, známy ako červené bahno, sa pre svoju zásaditosť a vysoký objem odfiltruje a uskladní v upravených nádržiach.
Vyčírený lúh hlinitanu sodného sa ochladí a naočkuje do zrážacích nádrží, kde počas niekoľkých dní vykryštalizuje hydroxid hlinitý. Kryštály sa premyjú a potom kalcinujú v rotačných peciach pri teplote asi 1 000 C, aby sa odstránila chemicky viazaná voda, čím sa získa bezvodý oxid hlinitý (Al2O3).
Materiálová rovnováha je najjasnejším spôsobom, ako posúdiť rozsah tohto kroku. Na výrobu 2 ton oxidu hlinitého sa spotrebuje približne 4 až 5 ton bauxitu a rafinácia je jednou z energeticky najnáročnejších fáz celého reťazca. Obsah oxidu kremičitého v rude je hlavným faktorom nákladov, pretože reaktívny oxid kremičitý spotrebúva lúh sodný a zvyšuje spotrebu alkálií aj energie.
Tavenie v Hall-Heroult Cells
Oxid hlinitý sa premieňa na kovový hliník elektrolytickou redukciou v uhlíkových článkoch. Oxid hlinitý je rozpustený v roztavenom kryolite pri teplote asi 950 C, čo znižuje pracovnú teplotu na úroveň, ktorá je praktická pre nepretržitú prevádzku pri zachovaní vodivosti elektrolytu.
Uhlíkové anódy sa ponoria do kúpeľa a nepretržite sa spotrebúvajú, pričom sa uvoľňuje oxid uhličitý, keď sa kyslík z oxidu hlinitého spája s uhlíkom. Jednosmerný prúd v rozsahu 150 000 až 300 000 ampérov na bunkovú líniu rozdeľuje hliníkovú kyslíkovú väzbu a roztavený hliník, ktorý je hustejší ako kúpeľ, sa zhromažďuje na dne článku. Kov sa vysáva každých 24 až 48 hodín a v naberačkách sa prenáša do odlievacej haly.
Spotreba energie je dominantným prevádzkovým nákladom. Moderný článok spotrebuje približne 13 až 15 kWh na kilogram vyrobeného hliníka a anódy a výstelka článku sú spotrebný materiál, ktorý sa musí v plánovanom cykle vymeniť. To je dôvod, prečo sa huty nachádzajú tam, kde je elektrina lacná a stabilná, a prečo sa prírastkové zisky v súčasnej účinnosti premietajú priamo do nákladov a emisií uhlíka.
Odlievanie a valcovanie do polotovarov-hotových výrobkov
Tekutý kov sa v odlievacej hale premení na polotovar{0}}. Odlievanie priamym chladením (DC) produkuje valcované dosky s hmotnosťou až 30 ton pre ploché výrobky spolu s vytláčanými predvalkami pre dlhé výrobky. Parametre odlievania, najmä rýchlosť chladenia, riadia štruktúru ingotu a množstvo segregácie, ktorá sa musí neskôr odstrániť.
Homogenizácia:dosky sa udržiavajú pri 500 až 600 °C počas 8 až 24-hodinových cyklov, aby sa rozpustili a prerozdelili oddelené prvky a aby sa štruktúra stala jednotnou na valcovanie.
Valcovanie za tepla:hrúbka sa zníži z približne 600 mm na 2 až 10 mm v reverznej fréze prostredníctvom viacerých prechodov pri zvýšenej teplote.
Valcovanie za studena:zvitok valcovaný za tepla sa ďalej redukuje na presné meradlá, až na približne 0,006 mm pre fóliu, s toleranciou hrúbky udržiavanou v rozmedzí približne plus alebo mínus 3 percentá.
Stredné žíhanie:medzi fázami valcovania za studena sa aplikuje žíhanie na 350 °C, aby sa obnovila ťažnosť, takže je možné ďalšie zníženie bez trhlín na hranách.
Kontrola meradla, rovinnosť a čistota povrchu sa v tejto fáze nepretržite monitorujú, pretože chybu valcovania nemožno opraviť neskôr v reťazci procesu.
Metódy tvarovania a tvarovania
Polotovar{0}} sa prevedie na hotovú geometriu jednou z niekoľkých ciest, z ktorých každá je prispôsobená veľkosti dielu, tolerancii a objemu výroby:
Extrúzia:predvalky zahriate na asi 500 C sa tlačia cez matricu pri tlakoch až do zhruba 100 MPa, čím sa vytvárajú dlhé profily s konštantným prierezom pre stavebné, dopravné a elektrické použitie.
Zápustkové kovanie:horúci kov je tvarovaný medzi prispôsobenými matricami tak, aby tok zrna sledoval dráhu zaťaženia, a preto kované komponenty zavesenia a riadenia nesú vysoké únavové zaťaženie.
Vysokotlakové odlievanie:roztavený kov sa vstrekuje do oceľových lisovníc pri tlakoch nad približne 70 MPa, čím sa získajú tenkostenné časti s takmer čistým tvarom pre kryty a konzoly pri vysokých rýchlostiach cyklu.
Hlboká kresba:plech sa natiahne do pohárov a potom sa prekreslí, aby sa vytvorili bezšvové nápojové plechovky a podobné tenkostenné nádoby.
Aditívna výroba:selektívne laserové tavenie vytvára zložité držiaky a jadrá výmenníkov tepla vrstvu po vrstve, čo je cesta, ktorá sa používa tam, kde by konvenčné nástroje boli nepraktické.
Povrchová úprava a konečná úprava
Konečná úprava určuje, ako sa diel správa v prevádzke a ako dlho si zachová svoj vzhľad.
Eloxovanie:elektrolytický proces, ktorý vytvára poréznu oxidovú vrstvu s hrúbkou približne 25 mikrónov, používa sa na architektonické profily a spotrebné výrobky, kde záleží na tvrdosti a odolnosti voči poveternostným vplyvom.
Práškové lakovanie:elektrostaticky nanesená polymérna vrstva vytvrdená pri teplote asi 200 C, ktorá poskytuje trvanlivú farbu a odolnosť voči vonkajším vplyvom.
Konverzný náter:tenký chemický film, ktorý zlepšuje priľnavosť farby a dodáva ochranu proti korózii bez zmeny rozmerov, široko používaný pre letecké a automobilové komponenty.
Mechanické leštenie a kefovanie:vyrábajú dekoratívne povrchy a povrchy s nízkym trením pre architektonické aplikácie a aplikácie spotrebičov.
Laserové textúrovanie:vytvára kontrolované mikrodrážky, ktoré zlepšujú zadržiavanie maziva na klzných plochách a tvárniacich nástrojoch.
Často kladené otázky
Otázka: Koľko bauxitu je potrebné na výrobu oxidu hlinitého?
Ako pracovný údaj sa na výrobu 2 ton oxidu hlinitého spotrebuje 4 až 5 ton bauxitu. Presný pomer závisí od dostupného obsahu oxidu hlinitého v rude a od toho, koľko reaktívneho oxidu kremičitého sa musí počas digescie vylúčiť.
Otázka: Čo je to červené bahno a prečo sa skladuje v rybníkoch?
Červené bahno je nerozpustný zvyšok po rozklade bauxitu, ktorý pozostáva zo zlúčenín obsahujúcich železo, titán a oxid kremičitý spolu so zvyškovými zásadami. Jeho zásaditosť a objem si vyžadujú technické zabezpečenie a je hlavnou položkou environmentálneho manažmentu v etape rafinácie.
Otázka: Prečo sa kryolit používa pri tavení hliníka?
Kryolit rozpúšťa oxid hlinitý a nechá prebiehať redukciu pri teplote asi 950 °C, čo je výrazne pod teplotou topenia čistého oxidu hlinitého. Táto nižšia teplota robí kontinuálnu priemyselnú elektrolýzu praktickou.
Otázka: Koľko elektriny si vyžaduje tavenie?
Moderný redukčný článok spotrebuje približne 13 až 15 kWh na kilogram hliníka, vďaka čomu sú náklady na energiu a stabilita energie rozhodujúcimi faktormi pri umiestnení tavby.
Otázka: Aký je rozdiel medzi valcovaním za tepla a valcovaním za studena?
Valcovanie za tepla redukuje hrúbku dosky z približne 600 mm na 2 až 10 mm pri zvýšenej teplote, kde je kov mäkký a zmenšenie na jeden prechod môže byť veľké. Valcovaním za studena sa potom zvitok dostane na konečný rozmer, až na približne 0,006 mm, s oveľa užšou toleranciou hrúbky a lepšou povrchovou úpravou.
Otázka: Aký proces tvarovania zvoliť pre danú časť?
Extrúzia vyhovuje profilom s konštantným prierezom, kovanie vyhovuje nosným dielom, ktoré vyžadujú priaznivý tok zrna, tlakové liatie vyhovuje tenkostenným krytom vo veľkom objeme, hlboké ťahanie vyhovuje bezšvovým nádobám a výroba aditív vyhovuje nízkoobjemovým zložitým geometriám.
