作られたアルミニウムとは何ですか

世界で最も豊富で広く使用されている金属の1つであるアルミニウムは、自然の中で純粋な形では見られません。代わりに、鉱物の他の元素と組み合わせて存在し、分離するために特殊な抽出と処理が必要です。アルミニウムがその自然源から化学的および物理的変換に至るまで-で作られている- {-}は、その特性、生産、および産業の重要性に関する重要な洞察を提供します。この記事では、アルミニウムを材料として定義する起源、構成、製造プロセスについて説明します。
自然源：ボーキサイト鉱石
アルミニウムの旅は、アルミニウムが由来する主要な鉱石であるボーキサイトから始まります。ボーキサイトは、熱帯または亜熱帯気候のアルミニウム-豊かな岩（花崗岩など）の風化によって形成される堆積岩です。そこでは、高降雨と温度がシリカや他の鉱物を浸出し、濃縮アルミニウム酸化物を残します。
ボーキサイトの化学組成は、以下を含む典型的な成分を含む水酸化アルミニウムによって支配されています。
•Gibbsite（Al（OH）₃）：ボーキサイトの最も一般的なアルミニウム-ベアリングミネラルは、高-品質堆積物でその組成の50〜70％を占めています。
•Boehmite（{- alo（oh））およびDiaspore（- alo（OH））：これらの水和な酸化アルミニウム酸化物は、アルミニウムを抽出するためにより高い加工温度を必要とする必要があります。
•不純物：ボーキサイトにはしばしば酸化鉄が含まれています（赤みがかった-茶色の色を与えます）、シリカ、二酸化チタン（Tio₂）、および少量の有機物が含まれています。これらの不純物は、最終アルミニウムの品質を損なう可能性があるため、処理中に削除する必要があります。
グローバルなボーキサイトの埋蔵量は、ギニア、オーストラリア、中国などの国に集中しており、堆積物は地質層に基づいて純度が異なります。高-グレードのボーキサイトには45〜55％の酸化アルミニウム（Al₂O₃）が含まれており、効率的なアルミニウム生産に最適です。
ボーキサイトからアルミナへ：バイエルプロセス
アルミニウム金属を生成する前に、ボーキサイトはアルミナ（酸化アルミニウム、al₂o₃）-白い粉状の中間製品に精製されます。この変革は、1887年に開発されたバイエルプロセスと、今日でも業界標準を通じて達成されています。
バイエルプロセスの重要なステップ：
1.クラッシングと粉砕：ボーキサイト鉱石は小さな粒子（1〜2 cm）に押しつぶされ、微細なスラリーに接地して、化学反応の表面積を増加させます。
2.デージョン：スラリーは、140〜280度の高-圧力容器（消化器）の高温濃縮水酸化ナトリウム（NAOH）溶液と混合されます。これは、ボーキサイトのアルミニウム酸化アルミニウムと反応して可溶性ナトリウムアルミン酸ナトリウム（Naalo₂）を形成しますが、酸化鉄と二酸化チタンは不溶性固体として残っています。
al（oh）₃ + naoh→naalo₂+ 2h₂o
（ギブサイトは水酸化ナトリウムと反応してアルミンナトリウムを形成します）
3.包括化：混合物をろ過して、アルミネートナトリウム溶液（「妊娠液」と呼ばれる）を不溶性不純物（「赤泥」、主に酸化鉄とシリカと呼ばれる）から分離します。赤い泥は処分されますが、それをリサイクルする努力（たとえば、建設資材の場合）が進行中です。
4.沈殿：妊娠液を冷却し、水酸化アルミニウムを加えて、純粋な水酸化アルミニウム（Al（OH）₃）粒子の結晶化を引き起こす：
naalo₂+ 2h₂o→al（oh）₃↓ + naoh
（アルミンナトリウムは水と反応して水酸化アルミニウムを形成し、水酸化ナトリウムを再生します）
5.計算：水酸化アルミニウムは、回転式キルンで1000〜1200度まで加熱され、水を追い出して純粋なアルミナ（Al₂o₃）を形成します。
2Al（OH）₃→Al₂O₃+ 3h₂o
得られたアルミナは純粋で99.5％で、融点が高い（2072度）、アルミニウムの金属生産に適しています。
アルミナからアルミニウム金属まで：ホール-ヘロールプロセス
アルミナ自体は電気絶縁体であるため、純粋なアルミニウムを抽出するには、融解と電気分解が必要です。これは、1886年にチャールズホールとポールヘロルトによって独立して開発されたホール-Héroultプロセスを通じて達成されます。これは、一次アルミニウムを生産する唯一の産業方法です。
ホールの重要なステップ-Héroultプロセス：
1.電解質の調製：アルミナは、溶媒として作用する鉱物である溶融クライオライト（na₃alf₆）に溶解します。クライオライトは、アルミナの融点を2072度から約960度まで下げ、エネルギー要件を削減します。少量のフッ化アルミニウム（Alf₃）とフッ化物カルシウム（CAF₂）を加えて、電解質の粘度と導電率を調整します。
2.電気分解：溶融電解質は、大きな炭素-裏地の鋼鍋（セル）に保持されます。炭素アノード（正電極）が電解質に沈み、炭素敷造物はカソード（負の電極）として機能します。電流（200〜500 ka）がセルを通過するとき：
◦カソードの場合：アルミニウムイオン（al³⁺）電子を獲得し、細胞の底に沈む溶融アルミニウム金属に還元されます。
al³⁺+ 3e⁻→al（l）
◦アノードの場合：酸化物イオン（o²⁻）電子を失い、炭素と反応して二酸化炭素を形成します。
2o²⁻ + c→co₂（g）+ 4e⁻
3.アルミニウムコレクション：溶融アルミニウム（99.7〜99.9％純粋）は、細胞から定期的に吸い上げられ、炉に移動します。
4. alloying（オプション）：純粋なアルミニウムは、強度、腐食抵抗、またはその他の特性を高めるために、他の要素（銅、マグネシウム、シリコンなど）と合金化されることがよくあります。たとえば、4〜5％の銅を追加すると、航空宇宙で使用される2024アルミニウムが作成されます。
ホール-héroultプロセスはエネルギー{-集中- 1トンのアルミニウムを生成するには、最大13 mWhの電気-低コスト、低- -}炭素電力（{6}}} carbon Power（eg）actival for hydroectiricityのアクセスが必要です。
リサイクルアルミニウム：閉じた-ループシステム
一次アルミニウムはボーキサイトに由来しますが、リサイクルアルミニウムはもう1つの主要な供給源であり、世界のアルミニウム供給の約30％を占めています。リサイクルされたアルミニウムは、よりシンプルなプロセスを通じて、スクラップアルミニウム（飲料缶、自動車部品、建設廃棄物）から「作られています」：
1.ソートとクリーニング：スクラップは合金タイプ（汚染を避けるため）でソートされ、塗料、オイル、またはプラスチックを除去するために洗浄します。
2。フラックスまたは不活性ガスは、マグネシウムや水素などの不純物を除去するために使用されます。
3.キャスティング：溶融リサイクルアルミニウムは、インゴット、シート、またはロッドにキャストされ、製造の準備ができています。
リサイクルアルミニウムは、品質を損なうことなく、一次アルミニウムを生産するのに必要なエネルギーのわずか5％を使用します。これにより、リサイクルされたアルミニウムは、グローバルな脱炭素化の目標に合わせて、持続可能な金属生産の重要な要素になります。
アルミニウム金属の化学組成
純粋なアルミニウム（99.9％+ AL）は柔らかくて延性のある金属ですが、産業アルミニウムはパフォーマンスを改善するためにほとんど常に合金です。一般的な合金要素は次のとおりです。
•銅（CU）：2000シリーズ合金（例えば、2024）に加えて、熱処理により強度を高める。
•マグネシウム（Mg）：腐食抵抗と溶接性を高めるために、5000シリーズ合金（例えば、5052）で使用されます。
•シリコン（SI）：6000シリーズの合金（例えば、6061）のマグネシウムと組み合わせてMg₂si沈殿物を形成し、強度を改善します。
•亜鉛（Zn）：銅とマグネシウムを備えた7000シリーズ合金（例：7075）に追加して、航空宇宙で使用される最強のアルミニウム合金を作成します。
•リチウム（LI）：アルミニウム-リチウム合金（例えば、2195）の密度を減少させ、ロケット成分で使用します。
合金でさえ、アルミニウムは、通常85〜99％-であり、プロパティを調整するために制御された割合に他の要素が存在する、体重-で85〜99％のままです。
なぜ構成が重要なのか
アルミニウムの組成-純粋な金属、合金、またはリサイクル材料-として、パフォーマンスを直接決定します。例：
•高-純度アルミニウム（99.99％AL）は、その導電率のために電気導体で使用されます。
•5083アルミニウム（4.5％マグネシウム、0.7％マンガン）は塩水腐食に抵抗し、海洋用途に最適です。
•リサイクル3004アルミニウム（1.2〜1.8％マンガン）は、その形成性と強度のために飲料缶で使用されます。
アルミニウムがボーキサイトから合金、リサイクルスクラップ-で-で作られているものを理解することで、メーカーは持続可能性を最適化しながら、ニーズに合った材料を選択できます。
要約すると、アルミニウムは基本的にボーキサイト鉱石から作られており、バイエルプロセスを介してアルミナに変換され、ホール-héroultプロセスを介して金属に変換されます。スクラップに由来するリサイクルアルミニウムは、ますます重要な役割を果たし、低-エネルギーを活用し、閉じた-ループシステムを閉じます。その構成-純粋であるか合金か-はその特性を決定し、業界全体で多用途の材料になります。低-炭素材料の需要が増加するにつれて、ボーキサイト処理、電気分解効率、およびリサイクルの進歩により、アルミニウムの「作られた」方法がさらに洗練され、将来の持続可能な金属としての役割が確保されます。