Как се рафинира алуминият и какви елементи съдържа?

Алуминият (Al) е лек, сребристобял метал, който се нарежда на трето място по разпространение в земната кора, след кислорода и силиция. Поради високата си химическа реактивност обаче, той никога не се среща естествено в чиста метална форма. Вместо това се среща в съединения, предимно в бокситови руди, смес от хидратирани алуминиеви оксиди, включително гибсит (Al(OH)₃), бемит (AlO(OH)) и диаспор.

Процесът на рафиниране в два етапа

Пътят от суров боксит довключва алуминий с висока чистотадва отделни промишлени процеса.

Първият етап е процесът на Байер, разработен през 1888 г. Натрошен боксит се смесва с горещ разтвор на натриев хидроксид под налягане, разтваряйки съдържащите алуминий минерали, оставяйки примеси като железни оксиди и силициев диоксид. Полученият разтвор на натриев алуминат след това се филтрира, за да се отстрани остатъкът от червената кал, посява се с кристали алуминиев хидроксид и се калцинира при приблизително 1100°C, за да се получи чист бял алуминиев оксид или алуминиев оксид (Al₂O₃). Над 90% от алуминиевия оксид в света сега се произвежда чрез този метод.

Вторият етап е процесът на Хол-Еру. Алуминиевият оксид има точка на топене над 2000°C, което прави директната електролиза непрактична. Решението се крие в разтварянето на Al₂O₃ в разтопен криолит (Na₃AlF₆), което понижава работната температура до около 950~1000°C. След това през сместа се пропуска електрически ток. Разтопеният алуминий се събира на дъното (катодът), докато кислородът се свързва с въглеродните аноди, за да образува CO₂. Този електролитен метод остава единственият индустриален процес за производство на първичен алуминий, даващ метал с чистота 99,5~99,8%.

Какви елементи съдържа алуминият?

Самият чист алуминий се състои единствено от елемента Al, с атомен номер 13 и атомно тегло приблизително 26,98 g/mol. Алуминият с търговска чистота (98,8–99,7% Al) съдържа незначителни следи от желязо и силиций като естествени примеси. Въпреки това, повечето...приложенията разчитат на алуминиеви сплави, където специфични елементи се добавят целенасочено, за да се пригодят механичните свойства.

За структурни приложения, серията 6000 (напр. 6061) използва магнезий и силиций като основни легиращи елементи, обикновено 0,8~1,2% Mg и 0,400~0,8% Si. Тази сплав предлага отличен баланс между умерена якост, добра заваряемост и превъзходна обработваемост.

За изисквания за висока якост, серията 7000 (напр. 7075) включва цинк и мед като основни легиращи елементи, с приблизително 5,16~0,1% Zn и 1,2~2,0% Cu. Твърдостта T6 на 7075 осигурява почти два пъти по-голяма якост на опън от 6061-T6, което го прави предпочитан материал за аерокосмическата индустрия и високопроизводителни структурни компоненти.

Следови количества хром, манган и титан също често присъстват в търговските сплави, като всеки от тях играе роля в рафинирането на зърната и устойчивостта на корозия. Разбирането на точния елементен състав на всяка сплав е от съществено значение за избора на правилния материал за специфични изисквания за обработка или производство.