آلومینیوم

آلومینیوم یا آلومینیم (به انگلیسی: Aluminum) عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۱۳ و نشان شیمیایی Al است. چگالی آلومینیوم کمتر از سایر فلزات رایج است، و تقریباً یک سوم چگالی فولاد است. این عنصر میل زیادی به اکسیژن دارد و هنگام قرار گرفتن در معرض هوا ، یک لایه اکسید محافظ بر روی سطح تشکیل می دهد. آلومینیوم از نظر ظاهری، هم از نظر رنگ و هم از نظر توانایی زیاد در انعکاس نور، به نقره شباهت دارد. این عنصر نرم، غیر مغناطیسی و شکل پذیر است. آلومینیوم یک ایزوتوپ پایدار دارد، 27Al؛ این ایزوتوپ بسیار رایج است و آلومینیوم را به دوازدهمین عنصر رایج در جهان تبدیل می کند. خاصیت رادیواکتیویته 26Al در تاریخ‌یابی رادیومتریک استفاده می‌شود.

آلومینیوم، 13Al
آلومینیوم
تلفظ
  • aluminium: ‎i‎/ˌæljʊˈmɪniəm/‎
    (AL-yuu-MIN-ee-əm)
  • aluminum: ‎i‎/əˈljuːmɪnəm/‎
    (ə-LEW-min-əm)
ظاهرنقره‌ای خاکستری فلزی
جرم اتمی استاندارد Ar, استاندارد(Al)۲۶٫۹۸۱۵۳۸۴(۳)[1]
آلومینیوم در جدول تناوبی
بور
↑
Al
↓
گالیم
منیزیم ← آلومینیوم → سیلیسیم
عدد اتمی (Z)13
گروهگروه بور
دورهدوره 3
بلوکبلوک-p
دسته Post-transition metal
آرایش الکترونی[Ne] 3s2 3p1
لایه الکترونی2, 8, 3
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STPsolid
نقطه ذوب933.47 کلوین ​
(660.32 سانتی‌گراد ​)
نقطه جوش2743 کلوین ​
(2470 سانتی‌گراد ​)
چگالی (نزدیک r.t.)2.70 گرم بر سانتی‌متر مکعب
در حالت مایع (در m.p.)2.375 گرم بر سانتی‌متر مکعب
آنتالپی ذوب10.71 ژول بر مول
آنتالپی تبخیر284 کیلوژول بر مول
ظرفیت حرارتی مولی24.20 ژول بر (مول در کلوین)
فشار بخار
فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K
در دمای (K) 1817 2054 2364 2790
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش−2, −1, +1,[2] +2,[3] +3 (یک اکسید آمفوتر)
الکترونگاتیویمقیاس پائولینگ: 1.61
شعاع اتمیempirical: 143 پیکومتر
شعاع کووالانسی۱۲۱±4 pm
شعاع واندروالسی184 pm
Color lines in a spectral range
خطوط طیف نوری آلومینیوم
دیگر ویژگی‌ها
ساختار بلوری ​(fcc)
سرعت صوت thin rod(rolled) 5000 m/s (at r.t.)
انبساط حرارتی23.1 µm/(m·K) (at 25 °C)
رسانندگی گرمایی237 وات بر (کلوین در متر)
مقاومت ویژه و رسانندگی الکتریکی26.5 nΩ·m (at 20 °C)
مغناطیسپارامغناطیس[4]
پذیرفتاری مغناطیسی+۱۶٫۵×۱۰−۶ سانتی‌متر مکعب بر مول
مدول یانگ70 GPa
مدول برشی26 GPa
مدول حجمی76 GPa
نسبت پواسون0.35
سختی موس2.75
سختی ویکرز160–350 MPa
سختی برینل160–550 MPa
شماره ثبت سی‌ای‌اس7429-90-5
تاریخچه
کشفهانس کریستین اورستد (1824)
نام‌گذاریهمفری دیوی
ایزوتوپ‌های اصلی آلومینیوم
ایزوتوپ فراوانی طبیعی نیمه‌عمر (t۱/۲) واپاشی هسته‌ای محصول واپاشی
26Al trace ۷٫۱۷×105 y β+ 1.17 26Mg
ε – 26Mg
γ 1.8086 –
27Al 100% ضریب ایزوتوپ پایدار با 14 نوترون

ویژگی‌های کلی

پایین بودن نسبی قیمت و بالا بودن استحکام آلومینیوم و آلیاژهای آن سبب شده‌است که آلومینیوم در بین فلزات غیر آهنی بیشترین کاربرد را در ساخت قطعات داشته باشد. قطعات آلومینیومی را می‌توان به روش‌های ریخته‌گری ماسه ای، ریخته‌گری تحت فشار، کارسرد (Cold Working) یا کار گرم (Hot Working) و اکستروژن ساخت.[5]

آلیاژهای آلومینیوم دارای قابلیت ماشینکاری، پرسکاری، لحیم کاری نرم، لحیم کاری سخت و جوشکاری می‌باشند. آلومینیوم خالص در دمای ۶۶۰ درجه سلسیوس ذوب می‌شود، که برای تولید قطعات به روش ریخته‌گری ماسه ای یا ریخته‌گری تحت فشار بسیار مناسب است.[5]

شیت آلومینیوم که به صورت رول درآمده است.

آلومینیوم به صورت ورق، مفتول، تسمه، فویل، میل گرد، لوله و پروفیل‌های ساختمانی و اکسترود شده در بازار موجود است. در جوشکاری یا لحیم کاری قطعات آلومینیومی بایستی به نکات خاصی توجه کرد چرا که همه آلیاژهای آلومینیوم قابلیت جوشکاری ندارند.

مقاومت به خوردگی آلیاژهای آلومینیوم بستگی به کیفیت پوشش اکسیدی نازکی دارد که بر روی آنها تشکیل می‌شود. از آنجا که آلومینیوم فلز فعالی است، این پوشش به سرعت بر روی آن شکل می‌گیرد. خراش یا سایش این پوشش امکان خوردگی این فلز را به وجود می‌آورد. به روش آنودایز کردن می‌توان یک پوشش اکسیدی ضخیم بر روی سطح آلومینیوم ایجاد کرد.[5]

تاریخچه
فریدریش وولر، شیمیدانی که اولین بار عناصر فلزی آلومینیوم را به‌طور کامل شرح داد.

تاریخچه آلومینیوم در ارتباط با میزان مصرف آلوم شکل گرفته‌است. اولین مطلب نوشته شدهٔ راجع به آلوم توسط مورخ یونانی هرودوت، به قرن پنجم قبل از میلاد بازمی‌گردد. مشخص شده‌است که گذشتگان از آلوم به عنوان یک تثبیت‌کننده رنگ و دفاع از شهر استفاده می‌کردند. پس از جنگ‌های صلیبی، آلوم، به عنوان یک مادهٔ ضروری در صنعت نساجی اروپا، موضوع تجارت بین‌المللی بود؛ که آن را تا اواسط قرن بیستم از غرب دریای مدیترانه وارد اروپا می‌کردند.[6]

ماهیت آلوم ناشناخته باقی ماند تا اینکه در حدود سال ۱۵۳۰ میلادی، پاراسلسوس پزشک سوئیسی پیشنهاد کرد که آلوم نمکی از خاک آلوم است. در سال ۱۵۹۵ میلادی، شیمیدان آلمانی آندریاس لیباویوس این فرضیه را به صورت تجربی تأیید کرد؛ در سال ۱۷۲۲ میلادی، فردریش هافمن، شیمیدان آلمانی، اعتقاد خود را مبنی بر اینکه پایه آلوم یک خاک مجزا است، اعلام کرد. در سال ۱۷۵۴ میلادی، آندریاس سیگیزموند مارگراف، شیمیدان آلمانی، آلومینا را با جوشاندن خاک رس در اسید سولفوریک و سپس افزودن پتاسیم به آن، ترکیب کرد.[7]

تلاش‌ها برای تولید فلز آلومینیوم به تاریخ ۱۷۶۰ میلادی برمیگردد. با این حال اولین تلاش موفق در سال ۱۸۲۴ میلادی توسط فیزیکدان و شیمیدان دانمارکی هانس کریستین اورستد به انجام رسید. او آلومینیم کلرید بی آب را با آمالگام پتاسیم واکنش داد، که محصول این واکنش کلوخی از فلز مشابه قلع بود. او نتایج خود را ارائه داد و نمونه ای از این فلز جدید را در سال ۱۸۲۵ میلادی به نمایش گذاشت. در سال ۱۸۲۷ میلادی، فردریش وولر، شیمیدان آلمانی، آزمایش‌های اورستد را تکرار کرد اما هیچگونه آلومینیومی را شناسایی نکرد. (دلیل این ناسازگاری در سال ۱۹۲۱ میلادی کشف شد) او آزمایش مشابهی را در سال ۱۸۲۷ میلادی با مخلوط کردن کلرید آلومینیوم بدون آب با پتاسیم انجام داد و یک پودر آلومینیوم تولید کرد. در سال ۱۸۴۵ میلادی او قادر به تولید قطعات کوچکی از فلز بود و برخی از خواص فیزیکی این فلز را شرح داد. سال‌ها پس از آن، وهلر به عنوان کاشف آلومینیوم شناخته شد. با استفاده از روش وهلر نمی‌توان مقدار زیادی از آلومینیوم تولید کرد و فلز آلومینیوم نادر بود؛ به‌طوری که هزینه آن بیش از طلا بود.[8]

شیمیدان فرانسوی هنری اتین سنت-کلیر دویل یک روش صنعتی برای تولید آلومینیوم در سال ۱۸۵۴ میلادی در فرهنگستان علوم فرانسه ارائه کرد. تری کلرید آلومینیوم را می‌توان با سدیم کاهش داد، که فرایندی راحت‌تر و ارزان‌تر از پتاسیم بود، که وهلر از آن استفاده کرده بود. در سال ۱۸۵۶ میلادی، دویل همراه با همکارانش اولین تولید صنعتی آلومینیوم را تأسیس کرد. از سال ۱۸۵۵ میلادی تا ۱۸۵۹ میلادی، قیمت آلومینیوم به ترتیب از ۵۰۰ دلار تا ۴۰ دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش یافت. حتی پس از آن، آلومینیوم تولیدی هنوز خلوص زیادی نداشت و آلومینیوم تولید شده از نظر خواص از نمونه ای به نمونه دیگر متفاوت بود.[9]

مجسمه آنتروس در پیکدیلی سرکس، لندن، در سال ۱۸۹۳ ساخته شده‌است و یکی از اولین مجسمه‌های ریخته شده از آلومینیوم است.

اولین روش تولید صنعتی در مقیاس بزرگ به‌طور مستقل در سال ۱۸۸۶ میلادی توسط مهندس فرانسوی پل هرولت و مهندس آمریکایی چارلز مارتین هال توسعه یافت، اکنون به عنوان فرایند هال-هرولت معروف است. فرایند هال-هرولت آلومینا را به فلز تبدیل می‌کند. کارل جوزف بایر، شیمیدان اتریشی، در سال ۱۸۸۹ میلادی راهی برای خالص سازی بوکسیت برای تولید آلومینا، که در حال حاضر به عنوان فرایند بایر شناخته می‌شود، کشف کرد. تولید مدرن فلز آلومینیوم بر اساس فرایندهای بایر و هال-هرولت است.[10]

قیمت آلومینیوم کاهش یافت و آلومینیوم در سال‌های ۱۸۹۰ میلادی و اوایل قرن بیستم به‌طور گسترده‌ای در جواهرات، وسایل روزمره، قاب عینک، ابزارهای نوری، کارد و چنگال و فویل مورد استفاده قرار گرفت. توانایی آلومینیوم برای تولید آلیاژهای سخت در عین حال سبک در قیاس با فلزات دیگر، باعث شد که به صورت گسترده‌ای مورد استفاده قرار گیرد. در طول جنگ جهانی اول، دولت‌های اصلی خواستار حمل محموله‌های آلومینیومی برای ساخت هواپیماهای سبک مستحکم بودند.[9]

در اواسط قرن بیستم، آلومینیوم به بخشی از زندگی روزمره و جزئی از لوازم خانگی تبدیل شده بود. در اواسط قرن بیستم، آلومینیوم به عنوان یک ماده در مهندسی عمران، با کاربردهای ساختمانی در هر دو مرحلهٔ ساخت و ساز پایه ای و کار داخلی پایانی، و به‌طور فزاینده ای در مهندسی نظامی برای هواپیما و همچنین موتورهای وسایل نقلیه زره پوش مورد استفاده قرار گرفت. اولین ماهواره مصنوعی زمین، که در سال ۱۹۵۷ میلادی به فضا پرتاب شد، شامل دو نیم کرهٔ آلومینیومی جدا از هم که به هم متصل شده بودند و تمام وسایل نقلیه هوایی پس از آن از آلومینیوم ساخته شدند. قوطی‌های آلومینیومی در سال ۱۹۵۶ میلادی اختراع شده و به عنوان ذخیره‌سازی برای نوشیدنی‌ها در سال ۱۹۵۸ میلادی به کار گرفته شدند.[9]

در طول قرن بیستم، تولید آلومینیوم به سرعت افزایش یافت: در حالی که تولید جهانی آلومینیوم در سال ۱۹۰۰ میلادی ۶٬۸۰۰ تن بود، تولید سالیانه در سال ۱۹۱۶میلادی از ۱۰۰۰۰۰ تن در سال تجاوز کرد؛ ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تن در سال ۱۹۴۱؛ ۱۰٬۰۰۰٬۰۰۰ تن در سال ۱۹۷۱. در دهه ۱۹۷۰ میلادی، افزایش تقاضا برای آلومینیوم آن را به یک کالای مبادلاتی تبدیل کرد؛ در سال ۱۹۷۸ میلادی آلومینیوم وارد بورس فلزات لندن شد که قدیمی‌ترین بورس مبادلاتی فلزات صنعتی در جهان به‌شمار می‌آید. خروجی همچنان به رشد ادامه داد: تولید سالانه آلومینیوم بیش از ۵۰٬۰۰۰٬۰۰۰ تن در سال ۲۰۱۳ میلادی است.[11]

قیمت واقعی آلومینیوم از ۱۴۰۰۰ دلار به ازای هر تن در سال ۱۹۰۰ به ۲٬۳۴۰ دلار در سال ۱۹۴۸ کاهش یافت (به دلار آمریکا در سال ۱۹۹۸ میلادی). هزینه‌های استخراج و پردازش با پیشرفت تکنولوژی و اندازه بنگاه‌های اقتصادی کاهش یافته‌است. با این حال، نیاز به بهره‌برداری از ذخایر کم کیفیت درجه پایین و استفاده از هزینه‌های در حال افزایش (به ویژه انرژی) هزینه‌های خالص آلومینیوم را افزایش داد؛ قیمت واقعی در دهه ۱۹۷۰ میلادی با افزایش قیمت انرژی رشد کرد. تولید از کشورهای صنعتی به کشورهایی منتقل شد که تولید در آن کشورها ارزانتر بود. هزینه‌های تولید در اواخر قرن بیستم به دلیل پیشرفت تکنولوژی، کاهش قیمت‌های انرژی، نرخ ارز دلار ایالات متحده و قیمت آلومینا تغییر کرد. سهم مشترک کشورهای BRIC در دهه اول قرن بیست و یکم از ۳۲٫۶ درصد به ۵۶٫۵ درصد در تولید اولیه و از ۲۱٫۴ درصد در مصرف اولیه به ۴۷٫۸ درصد رشد کرد. چین با توجه به فراوانی منابع، انرژی ارزان و محرک‌های دولتی، سهم بزرگی از تولید جهانی را به خود اختصاص می‌دهد؛ همچنین سهم مصرف خود را از ۲٪ در سال ۱۹۷۲ میلادی به ۴۰٪ در سال ۲۰۱۰ میلادی افزایش داد. در ایالات متحده، اروپای غربی و ژاپن، اکثر آلومینیوم در حمل و نقل، مهندسی، ساخت و ساز و بسته‌بندی مصرف شده‌است.[12]

پیدایش و منابع
ریزساختار سطح سونش شده یک میله آلومینیومی با خلوص ۹۹٫۹۹۹۸٪

اگر چه Al، یک عنصر فراوان در پوسته زمین است (۱۸٪)، این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی گرانبهاتر از طلا به حساب می‌آمد؛ بنابراین، به‌عنوان فلزی صنعتی اخیراً مورد توجه قرار گرفته و در مقیاس‌های تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده‌است. در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن از سنگ‌ها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین به صورت ترکیب بود، مشکل‌ترین فلز از نظر تهیه به‌شمار می‌آمد.

آلومینیوم در قرن نوزدهم برای مدتی از طلا با ارزش‌تر بود، اما بعد از ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹، قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد. تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد. بازیافت آلومینیوم موضوع تازه‌ای نیست، بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با اینهمه تا اواخر دهه ۶۰ این یک کار کم منفعت بود تا زمانی‌که بازیافت قوطی‌های آلومینیومی آشامیدنی‌ها بالاخره بازیافت این فلز را مورد توجه قرار داد. منابع بازیافت آلومینیوم عبارت‌اند از: اتومبیل‌ها، پنجره‌ها، درها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات. یکی از ویژگی‌های مهم آلومینیوم که بازیافت آن را مورد توجه قرار می‌دهد آن است که هیچ تفاوتی بین کیفیت آلومینیوم بازیافتی و آلومینیوم تازه تولید شده وجود ندارد.

کاربردها

از نظر کیفیت و از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است، به عبارتی آلومینیوم پرکاربردترین آلیاژ غیر آهنی است و تقریباً در تمامی بخش‌های صنعت دارای اهمیت می‌باشد. آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما می‌تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیم، منگنز، سیلیکن و دیگر عناصر به وجود آورد که این آلیاژها ویژگی‌های مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکت‌ها را می‌سازند.

وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل می‌دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می‌کند. این پوشش‌ها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را به وجود می‌آورند که همانند پوشش‌های نقره خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی است.

فهرست کاربردها

برخی از کاربردهای اصلی آلومینیوم عبارت‌اند از:

  • حمل و نقل (اتومبیل‌ها، هواپیماها، کامیون‌ها، کشتی‌ها، ناوگان‌های دریایی، راه‌آهن و…). از آلومینیوم به دلیل چگالی پایین آن استفاده می‌شود؛
  • بسته‌بندی (قوطی‌ها، فویل و…). از آلومینیوم به دلیل غیرسمی بودن، جاذب نبودن و تراشه‌تراشه نشدن استفاده می‌شود؛
  • ساختمان‌ها و ساخت‌وساز (درب، پنجره، دیوار پوش‌ها و…). از آنجایی که فولاد ارزان‌تر از آلومینیوم است، زمانی از آن استفاده می‌شود که عواملی مثل زنگ‌نزن بودن، سبکی یا عوامل مهندسی مدنظر باشد؛
  • بسیاری از لوازم خانگی (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه،...)
  • خطوط انتقال برق (هدایت الکتریکی آلومینیوم از مس و طلا کمتر می‌باشد. استحکام مکانیکی ان در برابر کشش نیز از مس کمتر می‌باشد و لذا برای ساخت هادی‌های آلومینیوم به منظور استفاده در خطوط انتقال از هسته ای فولادی برای تقویت استحکام ان در برابر کشش استفاده می‌کنند معروف‌ترین هادی آلومینیومی با ویژگی‌های بالا که در ۹۰ درصد خطوط انتقال استفاده می‌شود هادی ACSR می‌باشد)
  • ماشین آلات اکسید آلومینیوم (آلومینا) به‌طور طبیعی و به صورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم‌نوسان بکار می‌روند.
  • آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشک‌های با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود.
  • استفاده از ورق‌های آلومینیوم برای ساخت انواع عایق رطوبتی و ساختمان سازی کاربرد دارد. برای مثال در ساخت مصالح ساختمانی پیش ساخته پنل ساندویچی، سوله، کانکس کاربرد بسیاری دارد.[13]
  • یک قهوه جوش آلومینیمی
  • قسمتی از فن جاروبرقی که از آلومینیم ریختگی ساخته شده‌است.
  • یک هیت سینک رایانه که به دلیل ضریب انتقال حرارت خوب و دفع بالای حرارت از آلومینیم ساخته شده‌است.

استخراج، تولید و خالص سازی
استخراج بوکسیت از معدن.
کانی بوکسیت مهمترین سنگ معدنی حاوی این فلز است. رنگ قرمز آن به دلیل وجود مقداری عنصر آهن است.

برای تولید آلومینیم به انرژی فراوانی نیاز است، به همین دلیل تولیدکنندگان سعی می‌کنند کارخانه‌های ذوب خود را در مکان‌هایی بنا کنند که هم برق فراوان موجود و هم ارزان باشد.[14] در سال ۲۰۱۲ بزرگترین کارخانه‌های ذوب آلومینیم در چین، روسیه، بحرین، امارات متحده عربی و آفریقای جنوبی واقع شده بود.[15] در سال ۲۰۱۶، چین بزرگترین تولیدکننده آلومینیوم در جهان با سهم ۵۵ درصد بود. بزرگترین کشورهای تولیدکننده بعدی روسیه، کانادا، هند و امارات متحده عربی بودند.[15]

در سال ۲۰۱۹ چین با تولید ۳۶ میلیون تن بزرگترین تولیدکننده آلومینیوم بوده‌است[16]

فرایند بایر
نوشتار اصلی: فرایند بایر

سنگ معدنی بوکسیت توسط فرایند بایر به آلومینیم اکسید تبدیل می‌شود. برای ایجاد یک ترکیب یکنواخت این سنگ معدنی ابتدا مخلوط شده و سپس خرد و تبدیل به خاک می‌شود. سپس دوغاب ایجاد شده با محلول داغی از سدیم هیدروکسید مخلوط می‌شود. سپس این مخلوط در داخل مخزن هضم کننده در فشارهایی خیلی بیشتر از فشار اتمسفر نگهداری می‌شود؛ این کار باعث انحلال آلومینیم هیدروکسید در داخل بوکسیت شده و در عین حال ناخالصی‌ها را نیز به ترکیب‌هایی غیرقابل انحلال تبدیل می‌کند:[17]

پس از این واکنش، دمای دوغاب به بالاتر از دمای جوش در فشار اتمسفری خود می‌رسد. با حذف بخار موجود در محفظه و کاهش فشار، این محلول خنک سازی می‌شود. پسماند بوکسیت از محلول جداسازی و دفع می‌شود. محلول فاقد اجزای جامد، توسط کریستال‌های کوچک آلومینیم هیدروکسید بذر دهی می‌شود؛ این کار باعث انباشته شدن یون‌های منفی [Al(OH)4] بر روی آلومینیم هیدروکسید می‌شود. پس از رسوب تقریباً نیمی از آلومینیم، مخلوط وارد classifierها می‌شود. کریستال‌های کوچک آلومینیوم هیدروکسید جمع‌آوری می‌شوند تا از آنها به عنوان بذر استفاده شود. ذرات درشت با گرم شدن به اکسید آلومینیوم تبدیل می‌شوند؛ محلول اضافی در صورت لزوم با تبخیر حذف، و سپس خالص سازی و بازیافت می‌شود.[17]

فرایند هال–هرولت
نوشتار‌های اصلی: فرایند هال–هرولت و ذوب آلومینیوم
شمشال‌های آلومینیم آماده جهت انجام مراحل فراوری بیشتر.

تبدیل آلومینا به فلز آلومینیم توسط فرایند هال-هرولت انجام می‌شود. در این فرایند با مصرف انرژی خیلی بالا، برای تولید فلز آلومینیم، محلولی از آلومینا در مخلوط مذاب کریولیت (Na3AlF6) و کلسیم فلوئورید، (در دمای ۹۵۰ تا ۹۸۰ درجه سلسیوس) الکترولیز می‌شود. فلز آلومینیم مذاب در کف مخزن انباشه شده و از آنجا تخلیه می‌شود. این فلز مذاب برای فراوری بیشتر در آینده معمولاً در قالب‌های بزرگی ریختگری می‌شود که به آن شمشال آلومینیم می‌گویند.[17]

میله‌های آند فرایند الکترولیز از جنس کربن ساخته می‌شوند، چرا که کربن مقاوم‌ترین ماده در برابر خوردگی فلوراید می‌باشد. همچنین این میله‌ها یا پیش-پخته بوده یا در فرایند پخت می‌شوند. کربن برای آندها ترجیحاً باید خالص باشد تا نه آلومینیوم و نه الکترولیت به خاکستر آلوده نشوند. علی‌رغم مقاومت کربن به خوردگی، این میله‌ها با نرخ ۰٫۴ تا ۰٫۵ کیلوگرم به ازای هر کیلوگرم آلومینیم تولیدی مصرف می‌شوند. جنس میله‌های کاتد از آنتراسیت می‌باشد. برای میله‌های کاتد نیازی به خلوص بالا نیست چرا که ناخالصی‌ها با نرخ بسیار کمی از آنها انتشار می‌یابد. کاتد با نرخ ۰٫۰۲ تا ۰٫۰۴ کیلوگرم به ازای هر کیلوگرم آلومینیم تولیدی مصرف می‌شود. یک سلول معمولاً پس از ۲ تا ۶ سال تعطیل می‌شود که پس از شکست کاتد انجام می‌شود.[17]

ایزوتوپ‌ها

آلومینیوم، دارای ۹ ایزوتوپ است که عمده‌ترین آن‌ها بین ۲۳ تا ۳۰ مرتب شده‌اند. تنها Al-۲۷ (ایزوتوپ پایدار) و Al-۲۶ (ایزوتوپ رادیواکتیو) به‌طور طبیعی وجود دارند. Al-۲۶ از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتون‌های اشعه کیهانی رخ می‌دهد، تولید می‌شود. ایزوتوپ‌های آلومینیوم، کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی، خاستگاه منگنز، یخ‌های دوران یخبندان، کوارتز در صخره‌ها و شهاب سنگ‌ها دارد.

Al-۲۶ اولین بار در مطالعات ماه و شهاب‌سنگ‌ها بکار رفت. اجزاء شهاب‌سنگ‌ها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم ۲۷ پایدار می‌شود. بعد از سقوط روی زمین، حفاظ اتمسفر مانع از تولید Al-۲۶ بیشتر از قطعات شهاب‌سنگ‌ها می‌شود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آن‌ها مؤثر است. تحقیقات روی شهاب‌سنگ‌ها ثابت کرده‌است که Al-۲۶ در زمان شکل‌گیری سیاره ما نسبتاً به مقدار فراوان وجود داشته‌است. احتمالاً انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی Al-۲۶، ذوب شدن مجدد و جدایی سیارک‌ها بعد از شکل‌گیری آن‌ها را ۲–۴ میلیارد سال پیش در پی داشته‌است.

خوردگی در آلیاژهای آلومینیم

در برخی آلیاژهای آلومینیوم لازم است عملیات ترمو-مکانیکی انجام شود. در این عملیات که بیشتر ویژه آلیاژهای سری ۲۰۰۰ ،۷۰۰۰ و ۶۰۰۰ است، ذرات در مرزدانه‌ها رسوب کرده و در نتیجه نواحی اطراف مرزدانه‌ها از عنصر آلیاژی تهی می‌شوند و این خود می‌تواند شروعی برای خوردگی موضعی به ویژه خوردگی حفره ای و بین دانه ای باشد؛ بنابراین، آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالا مانند ۲۰۲۴ ،۷۰۷۵ و ۶۰۶۱ که در صنایع گوناگون کاربرد فراوانی دارند، حساسیت زیادی به خوردگی‌های موضعی به ویژه حفره ای و بین‌دانه ای دارند. این نوع خوردگی‌ها می‌توانند شروعی برای انواع خوردگی مثل پوسته ای شدن (Exfoliation)، خوردگی تنشی SCC و ترک‌های خستگی در آلیاژهای آلومینیوم باشند. فرایندهایی مانند عملیات حرارتی محلول جامد، کوئنچ و رسوب سختی، اثر قابل ملاحظه‌ای بر ترکیب شیمیایی موضعی آلیاژهای با استحکام بالا و قابل عملیات دارد.

به‌طور کلی به علت وجود میزان کمی آب در ساختار آلومینیوم هر نوع عملیاتی که باعث از بین رفتن یکنواختی در میکروساختار آلیاژ شود مقاومت به خوردگی را کاهش می‌دهد. بررسی خوردگی موضعی آلیاژهای آلومینیوم مورد نظر در محیط‌های هالیدی از اهمیت بالایی برخوردار است. محیط‌های هالیدی شامل یون‌های کلرید یا برومید می‌توانند لایه رویین روی سطح آلومینیوم را بشکنند و سبب ایجاد خسارت روی سطح شوند. از سوی دیگر، در این آلیاژها استحکام با انجام عملیات حرارتی و با رسوب ترکیبات شامل مس، روی و منیزیم افزایش می‌یابد. انحلال این رسوبات در دماهای بالا (حدود ۴۸۰ درجه سلسیوس) محلول فوق اشباع از این عناصر را به وجود می‌آورد که تحت عملیات حرارتی، ترکیبات ریز شامل این عناصر رسوب می‌کنند. رشد همین ترکیبات، سبب ایجاد ساختاری ناهمگون شده که افزون بر کاهش استحکام، در رشد لایه غیرفعال تشکیل شده چه در هوا و چه در محیط‌های آبی، اخلال به وجود می‌آورند.

از این رو، محل شروع حفره‌دار شدن را می‌توان به نقاط ضعیف در لایه غیرفعال مرتبط دانست. برخلاف فلزات دیگر که خوردگی باعث کاهش کلی ضخامت می‌شود در آلومینیوم خوردگی تمایل دارد به صورت موضعی در سراسر سطح، حفره‌های زیادی تولید کند و در کل بخش وسیعی از سطح دست نخورده باقی می‌ماند.

خوردگی اتمسفری

خوردگی اتمسفری نوع خاصی از خوردگی بوده که به علت تشکیل یک لایه الکترولیت روی سطح که بیشتر فیلم نازکی از رطوبت است، به وجود می‌آید. ضخامت این لایه از ۱۰۰ میکرومتر تجاوز نمی‌کند و می‌توان فرض کرد این لایه همیشه اشباع از اکسیژن است. وقتی فلز در آب یا محلول نمکی مانند سدیم کلرید غوطه ور است به دلیل کاهش نفوذ اکسیژن در نواحی کاتدی نرخ خوردگی کاهش می‌یابد، ولی در خوردگی اتمسفری به دلیل اینکه گاهی لایه الکترولیت روی سطح خشک می‌شود یک شرایط تناوب خشک و تر به وجود می‌آید که باعث تشدید خوردگی نیز می‌شود. یون کلر نقش اصلی در خوردگی را ایفا می‌کند. مقدار خورندگی محیط به شدت تابع غلظت یون کلر در اتمسفر است. یون کلر باعث تخریب و سوراخ شدن لایه اکسیدی محافظ می‌شود. بر اساس پژوهش‌های بروکشیتیس و کلارک وجود این یون در اتمسفرهای دریایی باعث می‌شود که نرخ خوردگی آلومینیوم حدود ۲۲ برابر بیشتر از نرخ خوردگی اتمسفرهای روستایی شود.[18]

آندش (Anodizing)
نوشتار اصلی: آندش
کلیدهای آلومینیومی که با فرایند آندازینگ به رنگ‌های مختلف درآورده شده‌اند.

آنودایز کردن یا آندش یک فرایند الکتروشیمیایی است که به سطح فلز یک پرداخت تزئینی، با دوام، مقاوم در برابر خوردگی و «اکسید آندی» می‌دهد. اگرچه سایر فلزات غیر آهنی مانند منیزیم و تیتانیم را نیز می‌توان آنودایز کرد، اما آلومینیوم برای اینکار ایده‌آل است.

ساختار اکسید آندی از بستر آلومینیوم سرچشمه گرفته و به‌طور کامل از اکسید آلومینیوم تشکیل شده‌است. این لایه اکسید آلومینیوم مانند رنگ یا آبکاری ایجاد نمی‌شود، بلکه به‌طور کامل با ماده زیرین یکپارچه بوده و به همین دلیل مانند رنگ ریخته نمی‌شود. این لایه دارای ساختاری متخلخل و بسیار مرتب و منظم است که امکان انجام فرایندهای ثانویه ای مانند رنگ آمیزی را فراهم می‌کند.

آنودایز کردن با غوطه ور کردن آلومینیوم در یک حمام الکترولیت اسیدی و عبور جریان الکتریکی از آن انجام می‌شود. در داخل حمام الکترولیت یک کاتد نصب شده و آلومینیوم به عنوان آند عمل می‌کند، به همین دلیل از داخل محلول الکترولیت یون‌های اکسیژن آزاد شده و با اتم‌های روی سطح آلومینیوم ترکیب می‌شوند. در نتیجه، آنودایز کردن نوعی فرایند کاملاً کنترل شده اکسایش است، که در طبیعت به صورت خودکار و بسیار آهسته اتفاق می‌افتد.[19]

آلیاژهای آلومینیم
نوشتار اصلی: آلیاژهای آلومینیوم

آلیاژ آلومینیوم یک ترکیب شیمیایی است که در آن عناصر دیگر به منظور تقویت خواص آلومینیوم خالص، (به ویژه استحکام) به آن اضافه می‌شوند. این عناصر شامل: آهن، سیلیکن، مس، منگنز، منیزیم و روی هستند و روی هم رفته می‌توانند تا ۱۵ درصد جرمی آلیاژ را تشکیل دهند. آلیاژهای آلومینیوم را با اعداد چهار رقمی مشخص می‌کنند، که در آن رقم اول یک کلاس عمومی یا سری خاص را مشخص می‌کند، که تعیین‌کننده دسته خاصی با عناصر آلیاژی اصلی می‌باشد:[20]

1xxx

آلیاژهای سری 1xxx آلومینیوم با خلوص ۹۹ درصد یا بالاتر هستند. این سری از مقاومت در برابر خوردگی عالی، قابلیت شکل‌پذیری و کار عالی و همچنین هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی برخوردار است. به همین دلیل از آلیاژهای سری 1xxx به‌طور معمول در خطوط انتقال برق استفاده می‌شود. از آلیاژهای معروف این سری می‌توان به آلیاژ ۱۳۵۰ برای کاربردهای الکتریکی و ۱۱۰۰ برای جعبه‌های بسته‌بندی غذا اشاره کرد.[20]

2xxx

در سری 2xxx، مس به عنوان عنصر آلیاژی اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد و می‌توان به‌طور چشمگیری استحکام آن را از طریق عملیات حرارتی محلول افزایش داد. این سری از آلیاژها ترکیب خوبی از استحکام بالا و سفتی از خود نشان می‌دهند، اما برخلاف بسیاری از آلیاژهای دیگر آلومینیوم، مقاومت به خوردگی اتمسفری بالایی ندارند. به همین دلیل در چنین کاربردهایی اغلب رنگ شده یا روکش کاری می‌شوند. برای روکش کاری این آلیاژ معمولاً از آلیاژهای سری 6xxx یا آلومینیوم خلوص بالا استفاده می‌شود، چرا که این آلیاژها مقاومت بالایی در مقابل خوردگی دارند. آلیاژ ۲۰۲۴ که در صنعت هواپیماسازی کاربرد دارد یکی از معروف‌ترین آلیاژهای این سری می‌باشد.[20]

6xxx

سری 6xxx آلیاژ همه‌کاره است؛ قابل عملیات حرارتی بوده، قابلیت شکل دهی بالایی دارد. همچنین قابل جوشکاری بوده و از استحکام تقریباً بالا، به همراه مقاومت به خوردگی خوبی برخوردار است. برای شکل دهی منیزیم سلیسید، این آلیاژها حاوی منیزیم و سلیسیم هستند. در کاربردهای معماری و ساخت سازه آلومینیومی، آلیاژهای 6xxx اولین انتخاب هستند. آلیاژ ۶۰۶۱ پرکاربردترین آلیاژ در این سری است و اغلب در ساخت فریم‌های کامیون‌ها و سازه‌های دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین قاب گوشی آیفون ۶ از این آلیاژ ساخته شده‌است.[20]

7xxx

عنصر روی ماده اصلی آلیاژی این سری است و وقتی منیزیم به مقدار کمتری اضافه شود، نتیجه یک آلیاژ قابل عملیات حرارتی و استحکام بسیار بالا خواهد بود. عناصر دیگری مانند مس و کروم را نیز می‌توان به مقدار کمی اضافه کرد. شناخته شده‌ترین آلیاژهای این سری، آلیاژهای ۷۰۵۰ و ۷۰۷۵ هستند که در صنعت ساخت هواپیما بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساعت آلومینیومی اپل، که در سال ۲۰۱۵ منتشر شد، از آلیاژ سری 7xxx سفارشی ساخته شده‌است.[20]

آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی

استحکام آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی را از طریق کار سرد (Cold Working) افزایش می‌دهند. «کار سرد» در فرایندهایی مانند نورد و آهنگری در دماهای معمولی اتفاق می‌افتد و به عملیات «کار» بر روی فلز برای افزایش استحکام آن گفته می‌شود. برای مثال هر چه یک ورق بیشتر نورد می‌شود و نازکتر می‌گردد استحکام آن افزایش می‌یابد و این به دلیل از بین رفتن حفره‌ها و ترک‌های میکروسکوپی موجود در فلز است. عناصر آلیاژی مانند منیزیم به افزایش این اثر کمک می‌کنند.

3xxx

منگنز عنصر اصلی آلیاژی در این سری است که اغلب با مقادیر کمتری منیزیم اضافه می‌شود. با این حال، تنها درصد محدودی از منگنز را می‌توان به‌طور مؤثر به آلومینیوم اضافه کرد. ۳۰۰۳ یک آلیاژ محبوب برای مقاصد عمومی است زیرا از استحکام متوسط و کارایی خوبی برخوردار است و ممکن است در کاربردهایی مانند مبدل‌های حرارتی و وسایل آشپزی استفاده شود. آلیاژ ۳۰۰۴ و اصلاح شده‌های آن در بدنه قوطی‌های نوشیدنی آلومینیومی استفاده می‌شود.[20]

4xxx

آلیاژهای سری 4xxx با سیلیسیم ساخته می‌شوند، و می‌توان برای کاهش دمای ذوب آلومینیوم مقادیر مناسبی از آن را اضافه کرد، بدون اینکه در آلیاژ تردی و شکنندگی ایجاد شود. به همین دلیل از آلیاژهای سری 4xxx، به دلیل دمای ذوب نسبتاً پایین می‌توان سیم جوش‌ها و سیم لحیم‌های فوق‌العاده ای ساخت. آلیاژ ۴۰۴۳ یکی از پرکاربردترین آلیاژهای این سری محسوب شده و از آن برای تولید سیم جوش در جوشکاری آلیاژهای سری 6xxx در صنایع خودروسازی و سازه‌ها استفاده می‌شود.[20]

5xxx

منیزیم ماده آلیاژی اصلی در سری 5xxx است و یکی از مؤثرترین و پرکاربردترین عناصر آلیاژی آلومینیوم است. آلیاژهای این سری از استحکام متوسط تا زیاد، و قابلیت جوشکاری و مقاومت به خوردگی در محیط‌های دریایی بالایی برخوردار هستند. به همین دلیل از آلیاژهای منیزیم-آلومینیوم به‌طور گسترده‌ای در ساختمان سازی و ساخت مخازن ذخیره‌سازی، مخازن تحت فشار و ساخت تجهیزات دریایی استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از کاربردهای آلیاژی متداول این سری عبارتند از: ۵۰۵۲ در صنعت الکترونیک، ۵۰۸۳ در کاربردهای دریایی، ورق ۵۰۰۵ آنودایز شده برای مصارف معماری و ۵۱۸۲ در ساخت در قوطی‌های آلومینیومی. خودروی جنگی برادلی ارتش آمریکا از آلیاژ ۵۰۸۳ و آلومینیوم سری 7xxx ساخته شده‌است.[20]

تولیدکنندگان آلومینیوم در ایران

در سال ۱۳۵۳ شرکت آلومینیوم ایران، ایرالکو، به عنوان اولین تولیدکننده آلومینیوم در ایران به بهره‌برداری رسید. پس از پایان جنگ تحمیلی شرکت آلومینیوم المهدی در تیر ماه ۱۳۶۹ با برآورد اولیه هزینه سرمایه‌ای ۱/۵ میلیارد دلار و با هدف تولید ۱۱۰ هزار تن آلومینیوم در سال، قابل افزایش به ۳۳۰ هزار تن در بندرعباس، تأسیس گردید. تا پایان سال ۸۱ تعداد ۱۲۰ دیگ ساخته و راه‌اندازی گردید، به‌طوری‌که ظرفیت تولیدی مجتمع به ۵۵ هزار تن در سال رسید. تعداد ۱۲۰ دیگ دوم فاز یک طی سال‌های ۱۳۸۲ تا ۱۳۸۴ ساخته و در اردیبهشت ماه سال ۱۳۸۴ مجتمع به ظرفیت اسمی پیش‌بینی شده فاز یک (۱۱۰ هزار تن) دست یافت. در خرداد ماه سال ۸۵ عملیات اجرایی فاز دوم (هرمزال) با سرمایه‌گذاری اولیه ۸ هزار میلیارد ریال (متشکل از ۴۰۰ میلیون یورو ارزی و ۲۰۰ میلیارد تومان ریالی) و با هدف راه‌اندازی ۲۲۸ دیگ آغاز شد. با تلاش متخصصان داخلی و همکاری پیمانکار خارجی، طی مدت ۴۰ ماه در مهر ماه ۸۸ فاز دوم راه‌اندازی شد. در حال حاضر هرمزال با ۱۴۰ دیگ در مدار در حال فعالیت می‌باشد و تولید سالانه آن در حدود ۱۷۵ هزار تن در حال حاضر می‌باشد.

جستارهای وابسته

منابع
  1. Meija, Juris; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
  2. Dohmeier, C.; Loos, D.; Schnöckel, H. (1996). "Aluminum(I) and Gallium(I) Compounds: Syntheses, Structures, and Reactions". Angewandte Chemie International Edition. 35 (2): 129–149. doi:10.1002/anie.199601291.
  3. D. C. Tyte (1964). "Red (B2Π–A2σ) Band System of Aluminium Monoxide". Nature. 202 (4930): 383. Bibcode:1964Natur.202..383T. doi:10.1038/202383a0.
  4. Lide, D. R. (2000). "Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds" (PDF). CRC Handbook of Chemistry and Physics (81st ed.). CRC Press. ISBN 0-8493-0481-4.
  5. Richard Budynas. Shigley's Mechanical Engineering Design. ترجمهٔ غلامرضا زارع پور (ویراست ۹). صص. ۶۳. شابک ۹۷۸-۰-۰۷-۳۳۹۸۲۰-۴.
  6. Setton, Kenneth M. (1976). The papacy and the Levant: 1204-1571. 1 The thirteenth and fourteenth centuries. American Philosophical Society. ISBN 978-0-87169-127-9. OCLC 165383496.
  7. Richards, Joseph William (1896). Aluminium: Its history, occurrence, properties, metallurgy and applications, including its alloys (3 ed.). Henry Carey Baird & Co.
  8. Venetski, S. (1969). "'Silver' from clay". Metallurgist. 13 (7): 451–453. doi:10.1007/BF00741130.
  9. Drozdov, Andrey (2007). Aluminium: The Thirteenth Element. RUSAL Library. ISBN 978-5-91523-002-5.
  10. "Aluminium history". All about aluminium. Retrieved 7 November 2017.
  11. "Aluminum". Historical Statistics for Mineral Commodities in the United States (Report). United States Geological Survey. 2017. Retrieved 9 November 2017.
  12. Nappi, Carmine (2013).International Aluminium Institute. Retrieved 10 November 2017.
  13. admin (۲۰۱۸-۰۸-۰۱). «آلومینیوم و ورق ساندویچ پانل سقفی». انواع ساندویچ پانل سقفی و دیواری | کاربرد آلومینیوم در پانل. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۰-۰۷.
  14. Brown, T.J. (2009). World Mineral Production 2003–2007. British Geological Survey.
  15. "Top 10 Largest Aluminium Smelters in the World". Gulf Business. 2013. Retrieved 2018-06-25.
  16. «https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2020/mcs2020-aluminum.pdf» (PDF). پیوند خارجی در |title= وجود دارد (کمک)
  17. ULLMANN'S Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007. شابک ۹۷۸-۳-۵۲۷-۳۰۶۷۳-۲.
  18. باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، نجف آباد، اصفهان، ایران 1- C. Vargel, Corrosion of Aluminium, 2th ed. , Elsevier, Lyon, 2004. 2- M. A. Golozar, "Electrochemical Investigation of Localized Corrosion Behavior of Heat Treated AA7075 in Aqueous Solution Containing Chloride Ions", 12th National, Iranian Corrosion Congress, Iran, 2011. 3- D. De La Fuente, E. Otero-Huerta and M. Morcillo ," Studies of Long-Term Weathering of Aluminium in the Atmosphere", Corrosion Science, Vol. 49, pp. 3134-3148, 2007. 4- V. S. Sinyavskii and V. D. Kalinin, "Marine Corrosion and Protection of Aluminum Alloys According to Their Composition and Structure", Protection of Metals, Vol. 41, pp. 317–328, 2005. 5- B. Kuźnicka, "Influence of Constitutional Liquation on Corrosion Behaviour of Aluminium Alloy 2017A" , Material Characerization, Vol. 60, pp. 1008-1013, 2009.
  19. "What is Anodizing? The Finish of Choice | AAC". www.anodizing.org. Archived from the original on 24 February 2020. Retrieved 2020-02-24.
  20. «Aluminum Alloys 101 | The Aluminum Association». www.aluminum.org. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۰۲-۲۴.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.