アルミニウムは、鉱石を純粋なアルミナに精製し、そのアルミナを溶融金属に還元し、金属を半製品素材に鋳造し、その素材を完成部品に成形するという 4 つのまったく異なる操作の連鎖を通じて市場に届けられます。-各段階には独自のマテリアルバランス、エネルギー需要、品質管理があり、初期段階で設定されたパラメータによって下流で達成可能な内容が決まります。
ボーキサイトをアルミナに精製
この鎖は、水和酸化アルミニウムが豊富に含まれるラテライト鉱石であるボーキサイトから始まります。バイエル法では、加圧下で鉱石を熱水酸化ナトリウムに溶解し、アルミニウムを含む鉱物を可溶性のアルミン酸ナトリウムに変換しますが、鉄、チタン、シリカを含む化合物は不溶性のままです。赤泥として知られるこの残留物は、アルカリ性で量が多いため、濾別され、人工格納容器に保管されます。
清澄化されたアルミン酸ナトリウム溶液を冷却し、沈殿タンクに種を入れます。そこで数日かけて水酸化アルミニウムが結晶化します。結晶を洗浄した後、ロータリーキルン内で約 1,000℃で焼成して化学結合水を除去し、無水アルミナ (Al2O3) を生成します。
マテリアルバランスは、このステップの規模を判断する最も明確な方法です。 2 トンのアルミナを生産するには、およそ 4 ～ 5 トンのボーキサイトが消費されます。精製はチェーン全体の中で最もエネルギーを消費する段階の 1 つです。反応性シリカは苛性ソーダを消費し、アルカリとエネルギーの両方の消費量を増加させるため、鉱石中のシリカ含有量が主なコスト要因となります。
ホールでの製錬-エローセル
アルミナは、カーボンで裏打ちされたセル内での電解還元によって金属アルミニウムに変換されます。アルミナは約950℃で溶融氷晶石に溶解し、電解質の導電性を維持しながら連続運転に実用的なレベルまで動作温度を下げます。
炭素陽極は浴に浸漬され、継続的に消費され、アルミナからの酸素が炭素と結合するときに二酸化炭素を放出します。セルラインあたり 150,000 ～ 300,000 アンペアの範囲の直流電流により、アルミニウムの酸素結合が分解され、溶融アルミニウムは浴よりも密度が高く、セルの底に集まります。金属は 24 ～ 48 時間ごとに吸い出され、取鍋に入れて鋳造小屋に移されます。
エネルギー消費量が主な運用コストです。最新のセルは、生産されるアルミニウム 1 キログラムあたりおよそ 13 ～ 15 kWh を消費し、アノードとセルのライニングは計画されたサイクルで交換する必要がある消耗品です。これが、電気が安くて安定した場所に製錬所が置かれている理由であり、電流効率の漸進的な向上がコストと炭素性能に直接つながる理由です。
半完成品への鋳造と圧延-
液体金属は鋳造ハウス内で半製品の素材に変換されます。{0}ダイレクト チル (DC) 鋳造では、長尺製品の押出ビレットとともに、平らな製品の場合は最大約 30 トンの圧延スラブが製造されます。鋳造パラメータ、特に冷却速度は、インゴットの構造と、後で除去する必要がある偏析の量を制御します。
均質化:スラブは 500 ～ 600℃で 8 ～ 24 時間のサイクルで保持され、偏析した元素を溶解して再分配し、圧延に適した構造を均一にします。
熱間圧延:高温で複数回のパスを経て、反転ミルで厚さが約 600 mm から 2 ～ 10 mm まで減少します。
冷間圧延:熱間圧延されたコイルは、箔の場合は約 0.006 mm まで正確なゲージにさらに縮小され、厚さの公差は約プラスまたはマイナス 3 パーセント以内に保たれます。
中間焼鈍：冷間圧延段階の間に 350 C の焼きなましを適用して延性を回復し、エッジ割れを発生させずにさらなる縮小が可能になります。
転がり欠陥は後のプロセスチェーンで修正できないため、この段階ではゲージ制御、平坦度、表面の清浄度が継続的に監視されます。
形状と成形方法
半完成品は、部品サイズ、公差、生産量に合わせて、いくつかのルートの 1 つによって完成形状に変換されます。-
押し出し：約 500 ℃ に加熱されたビレットは、最大約 100 MPa の圧力で金型に押し込まれ、建設、輸送、電気用途に適した長く一定の断面形状が得られます。
密閉型鍛造：溶銑は、粒流が荷重経路に従うように、適合する金型間で成形されます。これが、鍛造サスペンションおよびステアリング部品が高い疲労荷重に耐える理由です。
高圧ダイカスト:溶融金属は約 70 MPa を超える圧力でスチール金型に射出され、高いサイクル率でハウジングやブラケット用の薄肉のニアネットシェイプ部品が得られます。
深絞り：シートはカップに引き抜かれ、その後再引きされて継ぎ目のない飲料缶や類似の薄壁容器が作られます。
積層造形:選択的レーザー溶解は、複雑なブラケットと熱交換器コアを層ごとに構築するもので、従来のツールでは実用的ではない場合に使用されるルートです。
表面処理と仕上げ
仕上げによって、部品が使用中にどのように機能し、その外観がどの程度維持されるかが決まります。
陽極酸化処理:最大約 25 ミクロンの厚さの多孔質酸化物層を成長させる電解プロセスで、硬度と耐候性が重要な建築用プロファイルや消費者製品に使用されます。
粉体塗装:静電的に塗布されたポリマー層は約 200℃ で硬化し、耐久性のある色と屋外耐候性を与えます。
化成皮膜：寸法を変えることなく塗料の密着性を向上させ、腐食防止を追加する薄い化学膜で、航空宇宙および自動車部品に広く使用されています。
機械研磨とブラッシング:建築および家電用途向けの装飾的で低摩擦の表面を生成します。
レーザーテクスチャリング:制御された微細溝を形成し、滑り面や成形工具上の潤滑剤の保持力を向上させます。
よくある質問
Q: アルミナを作るにはどのくらいのボーキサイトが必要ですか?
実際の数字として、2 トンのアルミナを生産するために 4 ～ 5 トンのボーキサイトが消費されます。正確な比率は、鉱石に含まれる利用可能なアルミナ含有量と、蒸解中にどの程度の反応性シリカを除去する必要があるかによって異なります。
Q: 赤泥とは何ですか?なぜ池に保管されるのですか?
赤泥は、ボーキサイトの蒸解後に残る不溶性残留物で、鉄、チタン、シリカ含有化合物と残留アルカリで構成されています。そのアルカリ性と量のため、工学的な封じ込めが必要であり、精製段階の主要な環境管理項目です。
Q: なぜ氷晶石がアルミニウムの精錬に使用されるのですか?
氷晶石はアルミナを溶解し、純粋なアルミナの融点よりはるかに低い約950℃で還元を実行します。この低い温度により、連続的な工業用電気分解が実用化されます。
Q: 製錬にはどのくらいの電力が必要ですか?
最新の還元セルはアルミニウム 1 キログラムあたり約 13 ～ 15 kWh を消費するため、電力コストと電力の安定性が製錬所の立地を決定する要因となります。
Q: 熱間圧延と冷間圧延の違いは何ですか?
熱間圧延により、高温でスラブの厚さが約 600 mm から 2 ～ 10 mm に減少します。この場合、金属は柔らかく、パスごとの減少が大きくなる可能性があります。その後、冷間圧延によりコイルを約 0.006 mm までの最終ゲージにし、厚さの公差が大幅に厳しくなり、表面仕上げが向上します。
Q: 特定の部品にはどの成形プロセスを選択する必要がありますか?
押出は一定の断面プロファイルに適しており、鍛造は良好な粒子の流れを必要とする耐荷重部品に適しており、ダイカストは大量の薄肉ハウジングに適しており、深絞りはシームレスな容器に適しており、積層造形は少量の複雑な形状に適しています。
