Globalna industrija aluminijevega oksida

Aluminij je izjemno trda snov naravnega izvora in je glavna sestavina rubinov in safirjev, poleg tega pa se uporablja tudi pri proizvodnji smaragdov.

Leta 1886 sta dva 22-letna znanstvenika, Charles Martin Hall iz Amerike in Paul Heroult iz Francije, razvila sodoben postopek pridobivanja aluminija iz boksitne rude. Vsak od izumiteljev je svojo metodo patentiral in ustanovil podjetja, ki so sčasoma postala družba Alcoa.

Značilnosti

Aluminij (Al2O3) je spojina aluminijevega oksida s kemijsko formulo Al2O3. Aluminij je eden najpogosteje uporabljenih tehničnih keramičnih materialov in se ponaša s številnimi zaželenimi lastnostmi, zaradi katerih je zaželen v različnih aplikacijah; te vključujejo visoko temperaturno odpornost in zaščito pred korozijo ter odlične mehanske lastnosti, kot sta trdota in togost. Poleg tega se aluminijev oksid ponaša tudi z odličnimi električnimi izolacijskimi lastnostmi, nizkimi stopnjami toplotnega raztezanja in kemijsko odpornostjo.

Aluminij je trd in prožen material z visoko natezno trdnostjo pri sobni temperaturi, zato je primeren za rezanje, ki vključuje strojno obdelavo ali žaganje, kot je rezkanje CNC. Aluminijev oksid je tudi učinkovito mazivo, ki pripomore k daljši življenjski dobi delov in učinkovitejšemu delovanju kot prej.

Aluminij je izjemen material, saj je sposoben ohraniti strukturno celovitost pri visokih temperaturah in pod visokim tlakom, kar mu omogoča uspevanje v okoljih, kjer bi se drugi materiali zaradi ekstremnih temperatur ali tlaka hitro razgradili ali razpadli.

Trajnost je ključnega pomena tudi pri uporabi aluminijevega oksida v inženirski keramiki, ki je zasnovana posebej za izpolnjevanje zahtev glede trdote in odpornosti proti obrabi v določenih aplikacijah. Izdelano keramiko je mogoče prilagoditi na različne načine, na primer s spremembo njene kristalne strukture, uporabo dodatkov, postopkom zgoščevanja ali kalcinacije ali s spremembo postopka formulacije.

Aluminij se lahko predela v kompozitni material iz aluminijevega oksida in smole za uporabo v športni opremi, kot so ribiške palice, palice za golf in teniški loparji. Poleg tega se delci aluminijevega oksida v kombinaciji z delci cirkonija oblikujejo v keramična vlakna, ojačana z aluminijevim oksidom, ki se uporabljajo za izdelavo industrijskih rezalnih orodij.

Aluminij se pogosto uporablja v ognjevzdržnih materialih in keramiki. Zaradi dobre toplotne prevodnosti se lahko aluminijev oksid kombinira s silicijevim dioksidom ali magnezijem v kompozit A-MgSiC, ki se uporablja za izdelavo visokotemperaturnih pečnih cevi in komponent, odpornih proti obrabi.

Aluminij se pogosto uporablja pri proizvodnji abrazivov in kot premaz za titanove pigmente. Velike količine se proizvajajo v rafinerijah kot stranski proizvod pri pretvorbi odpadnih plinov vodikovega sulfida v elementarno žveplo.

Aplikacije

Aluminij je osnovna surovina za proizvodnjo inženirske keramike, ki se uporablja za aplikacije, pri katerih je potrebna žilavost, visoka trdnost in togost, odpornost proti obrabi, kemijska stabilnost in toplotna prevodnost. Inženirsko keramiko (včasih imenovano napredna ali tehnična keramika) je mogoče najti v različnih panogah, vključno z letalsko in avtomobilsko industrijo ter predelavo potrošniških izdelkov.

Glavni vir aluminijevega oksida je mineral boksit. Ta sedimentna kamnina vsebuje aluminijeve spojine, nekovine in kovine, kot so kremen, železovi oksidi in hematit, ki se zdrobi in predela v aluminijev oksid.

Korund je najbolj razširjena oblika aluminijevega oksida, v kateri kisikovi ioni zasedajo vmesne prostore med aluminijevimi ioni in tvorijo nepravilno oktaedrično obliko. Aluminij obstaja tudi v več metastabilnih oblikah z različnimi kristalnimi strukturami, vključno s kubično fazo g, tetragonalno fazo kh in ortorombično fazo d.

Aluminij najdemo tudi v abrazivih in ognjevzdržnih oblogah, izolatorjih za vžigalne svečke in integriranih vezjih, kostnih vsadkih, laboratorijskih izdelkih, zrnavosti brusnega papirja in brusilnih kolesih; uporablja se celo v proizvodnji balističnih oklepov!

V barvah in premazih najdemo polnila iz aluminijevega oksida, ki izboljšajo viskoznost, povečajo trdnost in podaljšajo obstojnost. Poleg tega se ta spojina pogosto dodaja v gradbene materiale, kot sta beton in malta, da se okrepi odpornost proti ostrim okoljskim pogojem in kemikalijam ter prepreči propadanje gumenih spojin in poveča njihova odpornost na obremenitve.

Zaradi svoje inertne narave je aluminijev oksid učinkovit dodatek za zaviralce gorenja, saj pomaga upočasniti njihovo vnetljivost in omejiti njihovo širjenje. Poleg tega se uporablja kot premaz na steklenih površinah, da so te bolj odporne proti praskam, kemičnim napadom, toplotnim udarcem in toplotnim šokom. Nanoporozni anodizirani aluminijev oksid zagotavlja predlogo za gojenje nanožic in nanocevk iz različnih materialov za oblikovanje metamaterialov s prilagojenimi lastnostmi; takšno tehnologijo bi lahko uporabili na področjih, kot so strukturno barvanje, optično zaznavanje in napredna fotonika.

Rafinerija

Boksitna ruda je glavni vir aluminijevega oksida, ki se pridobiva po Bayerjevem postopku z raztapljanjem mineralov, ki vsebujejo aluminij, s kavstičnimi raztopinami pri visoki temperaturi in tlaku, čemur sledi ločevanje od nečistoč železovih oksidov, kot je kremen. Na koncu se lahko tekoča raztopina (bogata z aluminijevim oksidom) filtrira in zgosti, preden se pošlje v posode za dolgoročno skladiščenje; dodatek, imenovan polimerni flokulant, lahko to še dodatno pospeši.

Ko je aluminijev oksid proizveden v obliki suspenzije, gre skozi vrsto šestnadstropnih usedalnih bazenov, v katerih se zasuje z aluminijevim hidratom, ki je spojen z molekulami aluminijevega oksida, ki so povezane z molekulami vode. Ko nastane dovolj kristalov, se ti operejo in prenesejo v kalcinacijo - odstranijo se vse molekule vode, da nastane brezvodni aluminijev oksid -, preden se pošljejo v nadaljnjo obdelavo v peč za končno kalcinacijo in odstranitev iz tekočine za končno obdelavo pred končnim prevozom nazaj skozi te obarjalne rezervoarje za pranje pred prenosom s črpalko, iz katere so nastali.

Po kalcinaciji se aluminijev oksid spremeni v droben bel prah, podoben sladkorju, ki se uporablja za peko, vendar je dovolj trd, da lahko opraska steklene površine. Aluminij se lahko nato še naprej obdeluje, odvisno od predvidene uporabe; možnosti vključujejo tehnike peletizacije in visokotemperaturno toplotno obdelavo, kot sta sintranje ali kalciniranje.

Aluminij se lahko raztopi tudi v vodi, da nastane visoko čist aluminijev hidroksid (Al(OH)3) za elektrolitsko proizvodnjo kovinskega aluminija. Ko je ta snov izdelana, jo je mogoče poslati v talilnico aluminija za elektrolitsko proizvodnjo kovinskega aluminija.

Čeprav Bayerjev postopek ostaja glavni način proizvodnje aluminijevega oksida, trenutno potekajo raziskave alternativnih virov, kot je glina. Nekaj aluminijevega oksida, proizvedenega v ZDA, se pridobiva celo z električnim kalciniranjem iz odpadnega pepela iz premoga. Aluminij, proizveden po Bayerjevem postopku ali z alternativnimi tehnikami, je neprecenljiva surovina, vendar ima tudi nekaj pomanjkljivosti. Na primer, aluminijev oksid, proizveden po Bayerjevem postopku, vsebuje škodljive organske spojine, ki lahko ogrožajo zdravje delavcev. Zato je treba aluminijev oksid pred varno uporabo obsežno predelati, kar lahko vključuje aglomeracijo, peletizacijo ali druge oblike toplotne obdelave pri visokih temperaturah, ki delavce in obiskovalce izpostavljajo škodljivim hlapom in prahu, kar je povzročilo visoko stopnjo mezotelioma v rafinerijah, zlasti tistih v Zahodni Avstraliji.

Trg

Povpraševanje na trgu aluminijevega oksida je predvsem posledica uporabe v gradbeništvu, proizvodnji aluminija in ognjevzdržnih materialov. Poleg tega bo hitro širjenje industrije pakiranih pijač in živil v hitro rastočih gospodarstvih verjetno spodbudilo nadaljnje povpraševanje. Žal pa bi lahko rast aluminijevega oksida v napovedanem obdobju omejili visoki stroški surovin in lahka dostopnost alternativnih materialov, kot sta steklo ali plastika, ki ponujata cenejše rešitve.

Pričakuje se, da bo trg za metalurški aluminijev oksid v tem napovedanem obdobju močno rasel zaradi velikega povpraševanja po talilnicah aluminija in povečanih izdatkov za gradbene materiale, vključno z aluminijem, v okviru projektov razvoja infrastrukture. K povečanju povpraševanja naj bi prispevala tudi avtomobilska proizvodnja zaradi želje proizvajalcev po proizvodnji lažjih vozil, da bi izboljšali število prevoženih kilometrov z gorivom in zmanjšali ogljični odtis.

Pričakuje se, da bo povpraševanje po aluminijevem oksidu visoke čistosti (HPA) naraslo zaradi miniaturizacije v elektroniki in visokotehnoloških aplikacijah, kot so podlage LED in separatorji litij-ionskih baterij, pri katerih lahko že manjše nečistoče pomembno vplivajo na učinkovitost. Poleg tega bi morala biokompatibilnost in korozijska odpornost HPA spodbujati njegovo uporabo v medicinskih aplikacijah.

Aluminij je sestavni del industrije ognjevzdržnih materialov, ki služi različnim industrijam končne uporabe. Ker se ta sektor hitro širi, se bo povečalo tudi povpraševanje po aluminijevem oksidu, ki se uporablja pri proizvodnji ognjevzdržnih materialov, vključno s strehami električnih peči in plavži.

Povečana rast podjetij, ki proizvajajo barve in premaze, bo v napovedanem obdobju še dodatno okrepila trg kalciniranega aluminijevega oksida v prahu, saj se pogosto uporablja kot sredstvo za poliranje plastičnih, kovinskih in steklenih površin. Poleg tega njegove fizikalne in kemijske lastnosti omogočajo, da ponuja odlične izdelke za dodelavo.

Svetovni trg aluminijevega oksida zaznamujejo ostra konkurenca in nenehne inovacije proizvajalcev, da bi ohranili in razširili svoje tržne deleže. Kljub tej močni konkurenci in inovacijam med proizvajalci pa splošne napovedi industrije kažejo na znatno rast v naslednjih nekaj letih zaradi pobud za zmanjšanje stroškov pri pridobivanju boksita in naraščajočega povpraševanja po aluminijastih sestavnih delih v končnih industrijah.