Aluminium bereikt de markt via een keten van vier zeer verschillende bewerkingen: het raffineren van het erts tot zuiver aluminiumoxide, het reduceren van dat aluminiumoxide tot gesmolten metaal, het gieten van het metaal in half-afgewerkt materiaal en het vormen van dat materiaal tot afgewerkte onderdelen. Elke fase heeft zijn eigen materiaalbalans, energievraag en kwaliteitscontroles, en de parameters die in de vroege stadia zijn vastgesteld, bepalen wat stroomafwaarts haalbaar is.
Het raffineren van bauxiet tot aluminiumoxide
De keten begint met bauxiet, een lateritisch erts dat rijk is aan gehydrateerde aluminiumoxiden. Het Bayer-proces lost het erts op in heet natriumhydroxide onder druk, waardoor de aluminiumhoudende mineralen worden omgezet in oplosbaar natriumaluminaat, terwijl ijzer-, titanium- en silicahoudende verbindingen onoplosbaar blijven. Dit residu, bekend als rode modder, wordt afgefilterd en opgeslagen in speciaal ontworpen opvangvijvers vanwege de alkaliteit en het hoge volume.
De geklaarde natriumaluminaatvloeistof wordt gekoeld en geënt in neerslagtanks, waar aluminiumhydroxide gedurende enkele dagen uitkristalliseert. De kristallen worden gewassen en vervolgens gecalcineerd in draaiovens bij ongeveer 1000 C om chemisch gebonden water af te drijven, wat watervrij aluminiumoxide (Al2O3) oplevert.
De materiële balans is de duidelijkste manier om de omvang van deze stap te beoordelen. Er wordt grofweg 4 tot 5 ton bauxiet verbruikt om 2 ton aluminiumoxide te produceren, en raffinage is een van de meest energie-intensieve fasen van de hele keten. Het silicagehalte in het erts is de belangrijkste kostenveroorzaker, omdat reactief silica bijtende soda verbruikt en het verbruik van zowel alkali als energie verhoogt.
Smelten in Hall-Heroult-cellen
Alumina wordt omgezet in metallisch aluminium door elektrolytische reductie in met koolstof beklede cellen. Het aluminiumoxide wordt bij ongeveer 950 C opgelost in gesmolten kryoliet, waardoor de werktemperatuur wordt verlaagd tot een niveau dat praktisch is voor continu gebruik, terwijl de elektrolyt geleidend blijft.
Koolstofanodes dompelen in het bad en worden continu verbruikt, waarbij kooldioxide vrijkomt terwijl de zuurstof uit het aluminiumoxide zich vermengt met de koolstof. Gelijkstroom in het bereik van 150.000 tot 300.000 ampère per cellijn splitst de aluminiumzuurstofbinding, en het gesmolten aluminium, dat dichter is dan het bad, verzamelt zich op de bodem van de cel. Metaal wordt elke 24 tot 48 uur overgeheveld en in pollepels naar de gieterij overgebracht.
Het energieverbruik is de dominante bedrijfskosten. Een moderne cel verbruikt grofweg 13 tot 15 kWh per kilogram geproduceerd aluminium, en de anodes en celbekleding zijn verbruiksartikelen die volgens een geplande cyclus moeten worden vervangen. Dit is de reden waarom smelterijen zich bevinden waar elektriciteit zowel goedkoop als stabiel is, en waarom toenemende winsten in de huidige efficiëntie zich rechtstreeks vertalen in kosten en koolstofprestaties.
Gieten en walsen tot half-afgewerkte producten
In de gieterij wordt vloeibaar metaal omgezet in half-afgewerkt materiaal. Direct chill (DC) casting produceert walsplaten tot ongeveer 30 ton voor platte producten, samen met extrusieblokken voor lange producten. De gietparameters, met name de koelsnelheid, bepalen de structuur van de gieteling en de hoeveelheid segregatie die later moet worden verwijderd.
Homogenisatie:platen worden gedurende cycli van 8 tot 24 uur op 500 tot 600 C gehouden om de gescheiden elementen op te lossen en opnieuw te verdelen en om de structuur uniform te maken voor het walsen.
Heet walsen:De dikte wordt teruggebracht van ongeveer 600 mm tot 2 tot 10 mm in een omkeermolen door middel van meerdere passages bij verhoogde temperatuur.
Koudwalsen:de warmgewalste spoel wordt verder verkleind tot nauwkeurige afmetingen, tot ongeveer 0,006 mm voor folie, met een diktetolerantie van ongeveer plus of min 3 procent.
Tussentijds gloeien:tussen de koudwalsfasen wordt een gloeien van 350 C toegepast om de ductiliteit te herstellen, zodat verdere reductie mogelijk is zonder barsten aan de randen.
Spoorcontrole, vlakheid en oppervlaktereinheid worden in dit stadium voortdurend gecontroleerd, omdat een rolfout later in de procesketen niet kan worden gecorrigeerd.
Vorm- en vormmethoden
Half{0}}afgewerkte voorraad wordt via een van de verschillende routes omgezet naar voltooide geometrie, elk afgestemd op onderdeelgrootte, tolerantie en productievolume:
Extrusie:tot ongeveer 500 C verwarmde knuppels worden door een matrijs geduwd met een druk tot ongeveer 100 MPa, waardoor lange profielen met constante dwarsdoorsnede ontstaan voor de bouw, transport en elektrisch gebruik.
Gesloten matrijzensmeedwerk:Ruw metaal wordt gevormd tussen op elkaar afgestemde matrijzen, zodat de graanstroom het belastingspad volgt. Daarom dragen gesmede ophangings- en stuurcomponenten hoge vermoeidheidsbelastingen.
Spuitgieten onder hoge druk:Gesmolten metaal wordt bij een druk boven ongeveer 70 MPa in stalen matrijzen geïnjecteerd, waardoor dunwandige, bijna netvormige onderdelen voor behuizingen en beugels met hoge cyclussnelheden ontstaan.
Dieptrekken:vel wordt in kopjes getrokken en vervolgens opnieuw getekend om naadloze drankblikjes en soortgelijke dunwandige containers te maken.
Additieve productie:Door selectief lasersmelten worden complexe beugels en warmtewisselaarkernen laag voor laag opgebouwd, een route die wordt gebruikt waar conventionele gereedschappen onpraktisch zouden zijn.
Oppervlaktebehandeling en afwerking
De afwerking bepaalt hoe het onderdeel presteert tijdens gebruik en hoe lang het zijn uiterlijk behoudt.
Anodiseren:een elektrolytisch proces waarbij een poreuze oxidelaag tot ongeveer 25 micron dik ontstaat, gebruikt voor architectonische profielen en consumentenproducten waarbij hardheid en weersbestendigheid van belang zijn.
Poedercoating:een elektrostatisch aangebrachte polymeerlaag uitgehard bij ongeveer 200 C, waardoor een duurzame kleur en weerbestendigheid buitenshuis ontstaat.
Conversie coating:een dunne chemische film die de hechting van verf verbetert en bescherming tegen corrosie biedt zonder de afmetingen te veranderen, veel gebruikt voor lucht- en ruimtevaart- en auto-onderdelen.
Mechanisch polijsten en borstelen:produceren decoratieve oppervlakken met lage wrijving voor architectonische en huishoudelijke toepassingen.
Lasertextuur:creëert gecontroleerde microgroeven die het vasthouden van smeermiddel op glijoppervlakken en vormgereedschappen verbeteren.
Veelgestelde vragen
Vraag: Hoeveel bauxiet is er nodig om aluminiumoxide te maken?
Als werkcijfer wordt 4 tot 5 ton bauxiet verbruikt om 2 ton aluminiumoxide te produceren. De exacte verhouding hangt af van het beschikbare aluminiumoxidegehalte van het erts en van de hoeveelheid reactieve silica die tijdens de vertering moet worden afgevoerd.
Vraag: Wat is rode modder en waarom wordt het in vijvers opgeslagen?
Rode modder is het onoplosbare residu dat achterblijft na de vertering van bauxiet, bestaande uit ijzer-, titanium- en silicahoudende verbindingen samen met resterende alkali. De alkaliteit en het volume ervan vereisen technische insluiting, en het is het belangrijkste milieubeheeritem van de raffinagefase.
Vraag: Waarom wordt kryoliet gebruikt bij het smelten van aluminium?
Cryoliet lost aluminiumoxide op en laat de reductie plaatsvinden bij ongeveer 950 C, ruim onder het smeltpunt van zuiver aluminiumoxide. Die lagere temperatuur maakt continue industriële elektrolyse praktisch.
Vraag: Hoeveel elektriciteit is er nodig voor het smelten?
Een moderne reductiecel verbruikt ongeveer 13 tot 15 kWh per kilogram aluminium, waardoor de energiekosten en de energiestabiliteit de beslissende factoren zijn voor de locatie van de smelterij.
Vraag: Wat is het verschil tussen warmwalsen en koudwalsen?
Heet walsen vermindert de plaatdikte van ongeveer 600 mm tot 2 tot 10 mm bij verhoogde temperaturen, waarbij het metaal zacht is en de reducties per doorgang groot kunnen zijn. Door koud walsen bereikt de spoel vervolgens de uiteindelijke dikte, tot ongeveer 0,006 mm, met een veel nauwere diktetolerantie en een betere oppervlakteafwerking.
Vraag: Welk vormgevingsproces moet voor een bepaald onderdeel worden gekozen?
Extrusie past bij profielen met constante dwarsdoorsnede, smeden past bij dragende delen die een gunstige graanstroom nodig hebben, spuitgieten past bij dunwandige behuizingen in grote volumes, dieptrekken past bij naadloze containers, en additieve productie past bij complexe geometrieën met een laag volume.
