알루미늄은 먼저 보크 사이트 광석에서 추출한 다음 순수한 알루미늄 금속을 생산하기 위해 제련됩니다.
알루미늄 화합물은 수천 년 동안 유용성을 입증했습니다. 페르시아 제국 시대부터 페르시아 포터가 산화 알루미늄을 함유 한 점토에서 가장 강력한 선박을 만들었습니다. 고대 이집트인과 바빌로니아 사람들은 직물 염료, 화장품 및 의약품에 알루미늄 화합물을 사용했습니다. 그러나 알루미늄이 요소로 확인되어 순수한 금속으로 분리 된 것은 19 세기 초에만 이루어졌습니다. 천연 화합물에서 알루미늄을 추출하기가 어려워 수년 동안 금속을 희귀하게 유지했습니다. 발견 후 반세기 후에도 여전히 은만큼 희귀하고 가치가있었습니다. 이제 우리는 금속의 역사에 대해 조금 더 알았 으므로이 금속의 특성과 알루미늄을 만드는 데 필요한 원료를 살펴 보겠습니다.
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특성 및 원료
알루미늄은 지각에서 세 번째로 풍부한 요소이며 지구의 토양과 암석의 8%를 차지합니다. 본질적으로, 알루미늄은 황, 실리콘 및 산소와 같은 다른 원소를 가진 화학 화합물에서만 발견됩니다. 알루미늄을 수익성있게 추출 할 수있는 유일한 곳은 알루미늄 광석의 형태입니다. 금속 알루미늄은 가벼운, 내구성, 비자기 및 비 독성과 같은 많은 특성을 가지고 있습니다. 열과 전기를 수행하고 열과 빛을 반영합니다. 안정적이지만 쉽게 실행 가능하며 취성이 없으면 극심한 추위에 힘을 유지합니다. 알루미늄 표면은 신속하게 산화되어 보이지 않는 장벽을 형성하여 부식을 경험하는 것을 방지합니다. 또한 알루미늄은 효율적으로 생산 될 수 있으며 신제품을 위해 경제적으로 재활용 할 수 있습니다.
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알루미늄 화합물은 모든 유형의 점토에서 발생하지만 순수한 알루미늄을 생산하는 데 가장 유용한 광석은 bauxite 입니다. . 보크 사이트는 산화물 45-60% 알루미늄으로 구성되며 모래, 철 및 기타 금속과 같은 다양한 불순물로 구성됩니다. 일부 보크 사이트 퇴적물은 단단한 암석이지만 대부분은 오픈 피트 광산에서 쉽게 파낼 수있는 비교적 부드러운 흙으로 구성됩니다. 호주는 세계의 보크 사이트 공급의 3 분의 1 이상을 생산합니다. 0.5kg의 알루미늄 금속을 생산하려면 약 2kg의 보크 사이트가 필요합니다. 가성 소다 (수산화 나트륨)는 보크 사이트에서 발견되는 알루미늄 화합물을 용해시켜 불순물로부터 분리하는 데 사용됩니다. 보크 사이트 광석의 조성에 따라, 상대적으로 적은 양의 다른 화학 물질이 추출 공정에 사용될 수있다. 알루미늄은 두 단계로 제조됩니다 : Bayer Process 산화 알루미늄을 얻기 위해 보크 사이트 광석을 정제하는 것, 홀-허 루트 공정 산화 알루미늄을 제련하여 순수한 알루미늄을 방출합니다. 이 두 가지 방법을 자세히 살펴 보겠습니다.
Bayer Process
처음에, 보크 사이트 광석은 얻은 다음 기계적으로 분쇄된다. 그런 다음 분쇄 된 광석을 가성 소다와 혼합하여 분쇄 공장에 넣은 다음 광석을 포함하는 슬러리로 만듭니다. 그런 다음 슬러리가 소화조로 펌핑됩니다. 소화조는 압력솥처럼 작용하는 큰 탱크입니다. 슬러리는 340kPa의 압력으로 110-270 ℃로 가열된다. 이러한 조건은 30 분에서 몇 시간 사이의 시간 동안 유지됩니다. 모든 알루미늄-함유 화합물이 용해되도록 추가 가성 소다가 첨가 될 수있다. 이제 나트륨 알루미 네이트 용액이 된 뜨거운 슬러리는 압력을 줄이고 열을 회복하는 일련의 플래시 탱크를 통과하여 정제 공정에서 재사용 할 수 있습니다.
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(사진 크레딧 :Andreas Schmidt/ Wikimedia Commons)
그런 다음 슬러리를 침전 탱크로 펌핑합니다. 슬러리 가이 탱크에 놓여지면 가성 소다에 녹지 않는 불순물은 용기의 바닥에 정착합니다. 탱크의 바닥에 축적되는 잔류 물 ( "적색 진흙"이라고 함)은 미세한 모래, 산화철 및 티타늄과 같은 미량 원소의 산화물로 구성됩니다. 불순물이 정착 된 후, 커피처럼 보이는 나머지 액체는 일련의 천 필터를 통해 펌핑됩니다. 필터는 솔루션에 남아있는 미세한 불순물 입자를 포획합니다. 이 재료는 알루미나와 가성 소다를 회수하기 위해 세척되어 재사용 할 수 있습니다. 여과 된 액체는 일련의 6 층 높이의 침전 탱크를 통해 펌핑됩니다. 알루미나 수화물 (물 분자에 결합 된 알루미나)의 종자 결정은 각 탱크의 상단을 통해 첨가된다. 종자 결정은 액체를 통해 침전 될 때 자랍니다. 결정은 탱크의 바닥으로 침전되어 가라 앉히고, 그곳에서 제거됩니다. 세척 후, 이들은 가마로 옮겨져 (알루미나 분자에 화학적으로 결합 된 물 분자를 방출하기 위해 가열) (가열). 나사 컨베이어는 중력이 재료를 통해 재료를 움직일 수 있도록 기울어 진 회전의 원통형 가마로 연속적인 결정 스트림을 움직입니다. 1,100 ° C의 온도는 물 분자를 제거하여 무수 (물이없는) 알루미나 결정을 남깁니다. 가마를 떠난 후 결정은 냉각기를 통과합니다.
Hall-Heroult 프로세스
금속 알루미늄으로의 알루미나의 제련은 환원 냄비라는 강철 부가가치에서 발생합니다. 냄비의 바닥에는 탄소가 늘어서 있으며 시스템의 하나의 전극 역할을합니다. 반대쪽 전극은 냄비 위에 매달린 탄소 막대 세트로 구성되고; 이들은 전해질 용액으로 내리고 냄비의 바닥에 축적되는 용융 알루미늄 표면의 약 3.8cm를 유지합니다. 환원 냄비는 전기 회로를 형성하기 위해 직렬로 연결된 50-200 개의 냄비로 구성된 행 팟 라인으로 배열됩니다. 각 팟 라인은 연간 60,000-100,000 톤의 알루미늄을 생산할 수 있습니다. 전형적인 제련 식물은 2 ~ 3 개의 냄비로 구성됩니다. 환원 냄비 내에서, 알루미나 결정은 960-970 ℃의 온도에서 용융 냉동산에 용해되어 탄소 막대에서 냄비의 탄소 라이닝 층으로 전기를 전도하는 전해질 용액을 형성한다. 4-6 볼트와 100,000-230,000 암페어의 직류가 솔루션을 통과합니다. 결과 반응은 알루미나 분자에서 알루미늄과 산소 원자 사이의 결합을 깨뜨린다. 방출 된 산소는 탄소 막대로 끌어 당겨 이산화탄소를 형성합니다. 해방 된 알루미늄 원자는 용융 금속으로 냄비의 바닥에 정착합니다.
(사진 크레딧 :Parcly Taxel/ Wikimedia Commons)
제련 과정은 연속적인 과정이며, 더 많은 알루미나는 크라이 롤 라이트 용액에 추가되어 분해 된 화합물을 대체합니다. 따라서 일정한 전류가 유지됩니다. 바닥 전극에서의 전기 흐름에 의해 생성 된 열은 냄비의 내용물을 액체 상태로 유지하지만 빵 껍질은 용융 전해질 꼭대기에 형성되는 경향이 있습니다. 주기적으로, 빵 껍질은 가공을 위해 더 많은 알루미나를 첨가 할 수 있도록 손질된다. 순수한 용융 알루미늄은 냄비의 바닥에 축적되어 점차 사이펀이됩니다. 냄비는 하루 24 시간, 일주일에 7 일 작동합니다. 도가니는 팟 라인 아래로 이동하여 4,000kg의 용융 알루미늄을 모아서 99.8% 순수합니다. 그런 다음 금속은 고정 용광로로 옮겨져 잉곳으로 캐스트됩니다. 하나의 일반적인 기술은 용융 알루미늄을 길고 수평 곰팡이에 붓는 것으로 구성됩니다. 금속이 곰팡이를 통과함에 따라 외부는 물로 냉각되어 알루미늄이 굳어집니다. 고체 샤프트는 금형의 맨 끝에서 나오며, 여기서 원하는 길이의 잉곳을 형성하기 위해 적절한 간격으로 톱질됩니다. 제련 과정 자체와 마찬가지로이 주조 과정도 연속적입니다. 알루미늄은 개별 제조 목적으로 다양한 시장 플레이어에게 수집하여 배송됩니다.
