يصل الألومنيوم إلى السوق من خلال سلسلة من أربع عمليات مختلفة تمامًا: تنقية الخام إلى ألومينا نقية، وتقليل الألومينا إلى معدن منصهر، وصب المعدن في مخزون نصف نهائي، وتشكيل هذا المخزون إلى أجزاء تامة الصنع. ولكل مرحلة توازنها المادي، والطلب على الطاقة، وضوابط الجودة، وتحدد المعايير المحددة في المراحل المبكرة ما يمكن تحقيقه في المراحل النهائية.
تكرير البوكسيت إلى الألومينا
تبدأ السلسلة بالبوكسيت، وهو خام لاتريتي غني بأكاسيد الألومنيوم المائية. تقوم عملية باير بإذابة الخام في هيدروكسيد الصوديوم الساخن تحت الضغط، وتحويل المعادن الحاملة للألمنيوم إلى ألومينات الصوديوم القابلة للذوبان بينما تظل المركبات الحاملة للحديد والتيتانيوم والسيليكا غير قابلة للذوبان. يتم تصفية هذه البقايا، المعروفة باسم الطين الأحمر، وتخزينها في أحواض احتواء مصممة هندسيًا بسبب قلويتها وحجمها الكبير.
يتم تبريد محلول ألومينات الصوديوم المصفى ويتم زرعه في خزانات الترسيب، حيث يتبلور هيدروكسيد الألومنيوم على مدى عدة أيام. يتم غسل البلورات ثم تكليسها في أفران دوارة عند حوالي 1000 درجة مئوية لطرد المياه المرتبطة كيميائيا، مما ينتج عنه ألومينا لا مائي (Al2O3).
التوازن المادي هو أوضح طريقة للحكم على حجم هذه الخطوة. يتم استهلاك ما يقرب من 4 إلى 5 أطنان من البوكسيت لإنتاج طنين من الألومينا، وتعد عملية التكرير واحدة من أكثر المراحل استهلاكًا للطاقة في السلسلة بأكملها. يعد محتوى السيليكا في الخام هو المحرك الرئيسي للتكلفة، لأن السيليكا التفاعلية تستهلك الصودا الكاوية وتزيد من استهلاك القلويات والطاقة.
الصهر في -خلايا هيرولت
يتم تحويل الألومينا إلى الألومنيوم المعدني عن طريق الاختزال الكهربائي في الخلايا المبطنة بالكربون. يتم إذابة الألومينا في الكريوليت المنصهر عند حوالي 950 درجة مئوية، مما يخفض درجة حرارة العمل إلى مستوى عملي للتشغيل المستمر مع الحفاظ على توصيل المنحل بالكهرباء.
يتم غمر أنودات الكربون في الحمام ويتم استهلاكها بشكل مستمر، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون عندما يتحد الأكسجين من الألومينا مع الكربون. يعمل التيار المباشر في نطاق 150.000 إلى 300.000 أمبير لكل خط خلية على تقسيم رابطة الأكسجين الألومنيوم، ويتجمع الألومنيوم المنصهر، الذي يكون أكثر كثافة من الحمام، في قاع الخلية. يتم سحب المعدن كل 24 إلى 48 ساعة ونقله في مغارف إلى بيت الصب.
استهلاك الطاقة هو تكلفة التشغيل المهيمنة. تستهلك الخلية الحديثة ما يقرب من 13 إلى 15 كيلووات في الساعة لكل كيلوغرام من الألومنيوم المنتج، وتعد الأنودات وبطانة الخلايا من المواد الاستهلاكية التي يجب استبدالها في دورة مخطط لها. ولهذا السبب تقع المصاهر في أماكن تكون فيها الكهرباء رخيصة ومستقرة، ولهذا السبب تترجم المكاسب الإضافية في الكفاءة الحالية مباشرة إلى أداء التكلفة والكربون.
صب المنتجات ولفها في-شبه نهائية
يتم تحويل المعدن السائل إلى مخزون نصف نهائي في مصنع الصب. ينتج الصب بالتبريد المباشر (DC) ألواحًا مدلفنة يصل وزنها إلى حوالي 30 طنًا للمنتجات المسطحة، بالإضافة إلى قوالب البثق للمنتجات الطويلة. تتحكم معلمات الصب، وخاصة معدل التبريد، في بنية السبيكة وكمية الفصل التي يجب إزالتها لاحقًا.
التجانس:يتم تثبيت الألواح عند درجة حرارة 500 إلى 600 درجة مئوية لمدة 8 إلى 24 ساعة لإذابة وإعادة توزيع العناصر المنفصلة ولجعل الهيكل موحدًا للتدحرج.
المتداول الساخن:يتم تقليل السمك من حوالي 600 مم إلى 2 إلى 10 مم في مطحنة عكسية من خلال ممرات متعددة عند درجة حرارة مرتفعة.
المتداول الباردة:يتم أيضًا تقليل اللفائف المدرفلة على الساخن إلى مقاييس دقيقة، وصولاً إلى حوالي 0.006 مم للرقائق، مع الاحتفاظ بتسامح السمك في حدود زائد أو ناقص 3 بالمائة.
التلدين المتوسط:يتم تطبيق تصلب بدرجة حرارة 350 درجة مئوية بين مراحل الدرفلة على البارد لاستعادة الليونة بحيث يكون من الممكن إجراء مزيد من التخفيض دون تشقق الحواف.
يتم مراقبة التحكم في المقياس، التسطيح ونظافة السطح بشكل مستمر في هذه المرحلة، لأنه لا يمكن تصحيح عيب التدحرج لاحقًا في سلسلة العملية.
طرق التشكيل والتشكيل
-يتم تحويل المخزون شبه النهائي إلى الشكل الهندسي النهائي من خلال إحدى الطرق المتعددة، كل منها يتوافق مع حجم الجزء والتسامح وحجم الإنتاج:
النتوء:يتم تسخين الكتل المعدنية إلى حوالي 500 درجة مئوية من خلال قالب عند ضغوط تصل إلى 100 ميجا باسكال تقريبًا، مما ينتج مقاطع عرضية طويلة وثابتة للبناء والنقل والاستخدام الكهربائي.
تزوير القالب المغلق:يتم تشكيل المعدن الساخن بين القوالب المتطابقة بحيث يتبع تدفق الحبوب مسار الحمل، وهذا هو السبب في أن مكونات التعليق والتوجيه المطروقة تحمل أحمال إجهاد عالية.
صب الضغط العالي:يتم حقن المعدن المنصهر في قوالب الفولاذ عند ضغوط أعلى من حوالي 70 ميجا باسكال، مما يعطي أجزاء ذات جدران رقيقة وقريبة من الشكل الشبكي للمبيت والأقواس بمعدلات دورة عالية.
الرسم العميق:يتم سحب الورقة إلى أكواب ثم إعادة رسمها لصنع علب مشروبات غير ملحومة وحاويات رقيقة الجدران مماثلة.
التصنيع الإضافي:يؤدي الصهر الانتقائي بالليزر إلى بناء أقواس معقدة ونوى مبادل حراري طبقة بعد طبقة، وهو طريق يستخدم عندما تكون الأدوات التقليدية غير عملية.
المعالجة السطحية والتشطيب
يحدد التشطيب كيفية أداء الجزء أثناء الخدمة ومدة احتفاظه بمظهره.
أنودة:وهي عملية تحليل كهربائي تعمل على تنمية طبقة أكسيد مسامية تصل سماكتها إلى حوالي 25 ميكرون، وتستخدم في التشكيلات المعمارية والمنتجات الاستهلاكية حيث تكون الصلابة ومقاومة الطقس مهمة.
طلاء مسحوق:طبقة بوليمر يتم تطبيقها كهروستاتيكيًا ومعالجتها عند درجة حرارة 200 درجة مئوية تقريبًا، مما يوفر لونًا متينًا وقابلية للطقس الخارجي.
طلاء التحويل:طبقة كيميائية رقيقة تعمل على تحسين التصاق الطلاء وإضافة الحماية من التآكل دون تغيير الأبعاد، وتستخدم على نطاق واسع في مكونات الطيران والسيارات.
التلميع والفرشاة الميكانيكية:إنتاج أسطح زخرفية ومنخفضة الاحتكاك للتطبيقات المعمارية والأجهزة.
تركيب الليزر:يخلق أخاديد دقيقة يمكن التحكم فيها والتي تعمل على تحسين احتجاز مواد التشحيم على الأسطح المنزلقة وأدوات التشكيل.
الأسئلة المتداولة
س: ما هي كمية البوكسيت اللازمة لصنع الألومينا؟
كرقم عملي، يتم استهلاك 4 إلى 5 أطنان من البوكسيت لإنتاج 2 طن من الألومينا. تعتمد النسبة الدقيقة على محتوى الألومينا المتوفر في الخام وعلى مقدار السيليكا التفاعلية التي يجب رفضها أثناء عملية الهضم.
س: ما هو الطين الأحمر ولماذا يتم تخزينه في الأحواض؟
الطين الأحمر هو البقايا غير القابلة للذوبان المتبقية بعد هضم البوكسيت، ويتكون من مركبات تحمل الحديد والتيتانيوم والسيليكا مع القلويات المتبقية. وتتطلب قلويته وحجمه احتواءًا هندسيًا، وهو عنصر الإدارة البيئية الرئيسي في مرحلة التكرير.
س: لماذا يستخدم الكريوليت في صهر الألمنيوم؟
يذيب الكريوليت الألومينا ويسمح بعملية الاختزال عند حوالي 950 درجة مئوية، أي أقل بكثير من نقطة انصهار الألومينا النقية. درجة الحرارة المنخفضة هذه هي ما يجعل التحليل الكهربائي الصناعي المستمر عمليًا.
س: ما هي كمية الكهرباء التي يتطلبها الصهر؟
تستهلك خلية الاختزال الحديثة حوالي 13 إلى 15 كيلووات في الساعة لكل كيلوغرام من الألومنيوم، مما يجعل تكلفة الطاقة واستقرارها من العوامل الحاسمة في موقع المصهر.
س: ما الفرق بين الدرفلة على الساخن والدرفلة على البارد؟
تقلل الدرفلة على الساخن سمك البلاطة من حوالي 600 مم إلى 2 إلى 10 مم عند درجة حرارة مرتفعة، حيث يكون المعدن ناعمًا ويمكن أن تكون التخفيضات كبيرة في كل تمريرة. بعد ذلك، يأخذ الدرفلة على البارد الملف إلى المقياس النهائي، وصولاً إلى حوالي 0.006 مم، مع تحمل سمك أكثر إحكامًا وتشطيب أفضل للسطح.
س: ما هي عملية التشكيل التي يجب اختيارها لجزء معين؟
يناسب البثق المقاطع العرضية الثابتة، ويناسب الحدادة الأجزاء الحاملة التي تحتاج إلى تدفق محبب مناسب، ويناسب صب القوالب المساكن ذات الجدران الرقيقة ذات الحجم الكبير، ويناسب الرسم العميق الحاويات غير الملحومة، ويناسب التصنيع الإضافي الأشكال الهندسية المعقدة ذات الحجم المنخفض.
