Бокситовое сырье и рафинирование глинозема
Цепочка создания стоимости алюминия начинается с бокситов — руды,-добываемой открытым способом, которая содержит гидратированные оксиды алюминия, а также оксид железа, кремнезем и диоксид титана. О качестве руды судят не столько по общему содержанию глинозема, сколько по соотношению доступного глинозема и реактивного кремнезема, поскольку это соотношение определяет, сколько каустической соды теряется в потоке остатков и, следовательно, насколько экономичным может быть нефтеперерабатывающий завод.
Рафинирование происходит по процессу Байера. Измельченная и промытая руда переваривается горячим раствором каустической соды, который растворяет гидроксиды алюминия и оставляет богатый железом остаток во взвешенном состоянии. Температура варки выбирается в соответствии с минералогией руды и обычно находится в диапазоне от 140 до 240 градусов Цельсия под давлением для бемитовых и диаспоровых руд и ниже для гиббситовых руд. Затем суспензию подвергают быстрому испарению, разбавляют и осветляют для отделения нерастворимого остатка, известного как красный шлам, который промывают, сгущают и хранят в специально оборудованных водоемах.
Осветленный насыщенный раствор охлаждают в отстойниках и засевают мелкими кристаллами гидрата оксида алюминия. По мере охлаждения раствора пересыщение вытесняет гидроксид алюминия из раствора на семена. Крупный гидрат классифицируется, мелкая фракция возвращается в виде затравки, а крупная фракция промывается и прокаливается при температуре примерно от 1000 до 1100 градусов Цельсия для удаления химически связанной воды. В результате получается порошок глинозема плавильного- сорта, обычно содержащий более 98 процентов оксида алюминия с строго контролируемым содержанием соды, кремнезема и железа. Контроль качества глинозема соответствует GB/T 24487, а переплавленный слиток, полученный на последующих этапах, указан в GB/T 1196.
Электролитическое восстановление в ячейке Холла-Эру
Первичный алюминий производится электролизом, а не плавкой в обычном понимании. Глинозем растворяется в расплавленном криолите при температуре около 960 градусов по Цельсию внутри стальной оболочки, облицованной углеродом, который действует как катод. Угольные аноды опускают в ванну и через ячейку пропускают постоянный ток силой от 150 до 300 килоампер.
Ток разлагает растворенный глинозем на жидкий алюминий и кислород. Кислород соединяется с поверхностью углеродного анода, поэтому аноды расходуются постоянно и должны заменяться в регулярном цикле, обычно около 0,4 тонны углерода на тонну произведенного металла. Жидкий алюминий плотнее электролита и скапливается на дне электролизера, откуда перекачивается в тигли. В напряжении ячейки преобладает температура ванны между анодом и катодом, а не теоретический потенциал разложения, поэтому удельный расход энергии для первичного алюминия составляет примерно 13 500 киловатт-часов на тонну.
Рабочая дисциплина сосредоточена на контроле подачи глинозема, температуре ванны и соотношении ванн, расстоянии между анодами и восстановлении анодного эффекта. Плохой контроль подачи приводит к накоплению осадка-или чрезмерному анодному эффекту, что приводит к увеличению потребления энергии и выбросов. Современные металлургические заводы также улавливают и очищают котловой газ для удаления соединений фтора и серы перед выбросом.
Литье и гомогенизация слябов и заготовок
Жидкий металл переносится из тиглей на литейные станции и легируется в соответствии со спецификациями перед затвердеванием. Литье в кокиль является основным процессом изготовления кованых изделий: металл заливается в форму с водяным охлаждением, а гидравлический стол извлекает затвердевающую оболочку, производя прокатные слябы для плоских изделий и цилиндрические заготовки для экструзии.
Прокатные слябы: крупные прямоугольные отливки, обычно весом до 30 тонн, для производства листов и фольги.
Экструзионная заготовка: круглые отливки различных диаметров для профилей, труб и стержней.
Непрерывное литье и литье полос: компактные маршруты производства полосы или фольги вблизи конечного калибра
Гомогенизация: вымачивание при температуре примерно от 500 до 580 градусов по Цельсию для устранения сегрегации и выравнивания микроструктуры.
Очистка и распиловка: удаление сегрегированной и окисленной поверхностной пленки перед горячей обработкой.
Практика гомогенизации сильно влияет на формуемость в дальнейшем. Недостаточное вымачивание оставляет крупные растворимые фазы, которые растрескиваются во время прокатки или экструзии, тогда как чрезмерное время выдержки приводит к потере мощности печи и может привести к укрупнению дисперсоидов за пределами полезного диапазона.
Формование: прокатка, экструзия, ковка и литье под давлением.
Плоские изделия производятся путем горячей прокатки гомогенизированных слябов на реверсивном стане, при этом толщина уменьшается примерно с 600 миллиметров до 2–10 миллиметров, а затем холодной прокатки на многоклетевых или одноклетевых станах до окончательного калибра. Этапы отжига между проходами контролируют твердость, размер зерна и текстуру. Прокатка фольги продолжается на кластерных станах до толщины около 0,006 мм для самой тонкой упаковочной и конденсаторной фольги. Листы и плиты соответствуют стандарту ASTM B209, а европейские требования к механическим свойствам указаны в EN 485-2, а химический состав кованых изделий указан в EN 573-3.
Профили и трубы изготавливаются методом экструзии, путем прессования нагретых заготовок через фасонные матрицы так, что металл стекает в сплошную секцию. Экструдированные стержни, стержни и профили соответствуют стандарту ASTM B221. Ковка применяет сжимающую деформацию к заготовкам или отрезанным заготовкам, улучшая поток зерна и улучшая усталостные характеристики и прочность колес, рычагов подвески и конструктивных элементов. При литье под высоким-давлением расплавленный сплав впрыскивается в штампы из закаленной стали для корпусов, кронштейнов и компонентов двигателя с тонкими стенками и сложными ребрами.
Формовка листового металла отвечает другой потребности. Прогрессивная штамповка позволяет производить большие объемы автомобильных панелей и корпусов, в то время как аддитивное производство слой за слоем создает компоненты почти чистой-формы, что сокращает время выполнения заказа для небольших-деталей для аэрокосмической отрасли и инструментов, но требует контроля качества порошка и последующей-обработки.
Обработка поверхности и контроль качества
Обработка поверхности определяет коррозионную стойкость, внешний вид и склеиваемость в дальнейшем. В результате анодирования образуется пористый слой анодного оксида, который можно герметизировать или покрасить, обычно толщиной от 5 до 25 микрометров в зависимости от требуемого класса. Порошковое покрытие наносит полимерный слой, устойчивый к атмосферным воздействиям и истиранию. Химическое конверсионное покрытие образует пленки, не содержащие фосфатов и хроматов-, которые улучшают адгезию краски и обеспечивают временную защиту от коррозии. Механическая полировка обеспечивает отражающий эффект, а лазерное текстурирование создает микро-узоры, которые удерживают смазку во время формовки.
Проверка химического состава методом оптико-эмиссионной спектрометрии на каждой отливке
Механические испытания прочности на разрыв, предела текучести и удлинения готового изделия
Проверка размеров толщины, ширины, плоскостности, прямолинейности и допусков профиля.
Проверка поверхности на наличие включений, оксидных пятен, царапин, краевых трещин и следов фрезерования.
Не-неразрушающий контроль, например ультразвуковой контроль внутренних дефектов листового металла и крупных поковок.
Прослеживаемость связывает каждую готовую партию с ее номером отливки, записью о термообработке и данными контроля. Эта цепочка записей позволяет производителю принимать материал без повторения каждого испытания, поэтому это коммерческий актив, а не бумажная документация.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Как добывают глинозем из бокситовой руды?
Руду измельчают и промывают, затем переваривают горячим едким натром для растворения гидроксидов алюминия. Нерастворимый-богатый железом красный шлам отделяют, гидроксид алюминия кристаллизуют из охлажденного щелока путем затравки, а гидрат прокаливают с получением порошка глинозема плавильного-класса.
Вопрос: Что происходит внутри ячейки электролитического восстановления?
Глинозем растворяется в расплавленном криолите при температуре около 960 градусов Цельсия. Постоянный ток силой от 150 до 300 килоампер расщепляет глинозем на жидкий алюминий и кислород, угольные аноды расходуются, а расплавленный металл собирается на покрытом углем - полу ячейки для периодического выпуска.
Вопрос: Почему необходима гомогенизация после литья?
Отливка оставляет сегрегацию и грубые не-равновесные фазы. Вымачивание при температуре около 500–580 градусов по Цельсию растворяет эти фазы и выравнивает микроструктуру, что улучшает характеристики прокатки и экструзии и стабилизирует конечные свойства.
Вопрос: Сколько энергии требуется первичному алюминию?
Около 13 500 киловатт-часов на тонну металла, при этом наибольшая доля потребляется в электролизерах. Переработанный алюминий полностью позволяет избежать стадии восстановления и требует лишь небольшой части этой энергии.
Вопрос: Какие стандарты охватывают алюминиевый лист и экструдированные профили?
ASTM B209 охватывает листы и пластины, а ASTM B221 — экструдированные стержни, стержни и профили, тогда как EN 573-3 определяет деформируемый состав, а EN 485-2 определяет механические свойства листов. Китайские требования установлены стандартами GB/T для слитков и последующей продукции.
Вопрос: Какую отделку поверхности следует выбрать?
Выбирайте анодирование для защиты от износа и декоративного цвета, порошковое покрытие для защиты от атмосферных воздействий, химическое конверсионное покрытие в качестве основы для краски или временной защиты, полировку для отражения и лазерное текстурирование, когда во время формования необходимо сохранение смазки.
