Raffinierung von Bauxit-Rohstoffen und Aluminiumoxid
Die Aluminium-Wertschöpfungskette beginnt mit Bauxit, einem oberflächenabgebauten Erz, das hydratisierte Aluminiumoxide zusammen mit Eisenoxid, Siliciumdioxid und Titandioxid enthält. Die Erzqualität wird weniger anhand des gesamten Aluminiumoxidgehalts als vielmehr anhand des Verhältnisses von verfügbarem Aluminiumoxid zu reaktivem Siliciumdioxid beurteilt, da dieses Verhältnis bestimmt, wie viel Natronlauge an den Rückstandsstrom verloren geht und daher wie wirtschaftlich eine Raffinerie sein kann.
Die Raffination erfolgt nach dem Bayer-Verfahren. Zerkleinertes und gewaschenes Erz wird mit heißer Natronlauge aufgeschlossen, die die Aluminiumhydroxide auflöst und eisenreiche Rückstände in Suspension hinterlässt. Die Aufschlusstemperatur wird passend zur Erzmineralogie gewählt und liegt im Allgemeinen im Bereich von 140 bis 240 Grad Celsius unter Druck für Böhmit- und Diasporerze und niedriger für Gibbsit-Erze. Anschließend wird die Aufschlämmung entspannt, verdünnt und geklärt, um den unlöslichen Rückstand, den sogenannten Rotschlamm, abzutrennen, der gewaschen, eingedickt und in technischen Aufstauanlagen gelagert wird.
Die geklärte Mutterlauge wird in Fällungstanks gekühlt und mit feinen Aluminiumoxidhydratkristallen beimpft. Wenn die Flüssigkeit abkühlt, treibt die Übersättigung Aluminiumhydroxid aus der Lösung auf den Samen. Das grobe Hydrat wird klassiert und die feine Fraktion wird als Saatgut zurückgeführt, während die grobe Fraktion gewaschen und bei etwa 1000 bis 1100 Grad Celsius kalziniert wird, um chemisch gebundenes Wasser auszutreiben. Das Ergebnis ist Aluminiumoxidpulver in Hüttenqualität, typischerweise über 98 Prozent Aluminiumoxid mit streng kontrolliertem Soda, Siliziumdioxid und Eisen. Die Qualitätskontrolle für Aluminiumoxid folgt GB/T 24487, und nachgelagert hergestellte Umschmelzbarren sind in GB/T 1196 spezifiziert.
Elektrolytische Reduktion in der Hall-Heroult-Zelle
Primäraluminium wird durch Elektrolyse und nicht durch Verhüttung im herkömmlichen Sinne hergestellt. Aluminiumoxid wird in geschmolzenem Kryolith bei etwa 960 Grad Celsius in einer mit Kohlenstoff ausgekleideten Stahlhülle gelöst, die als Kathode fungiert. Kohlenstoffanoden werden in das Bad abgesenkt und ein Gleichstrom von 150 bis 300 Kiloampere fließt durch die Zelle.
Der Strom zersetzt gelöstes Aluminiumoxid in flüssiges Aluminium und Sauerstoff. Sauerstoff verbindet sich mit der Kohlenstoffanodenoberfläche, sodass Anoden kontinuierlich verbraucht werden und in regelmäßigen Abständen ersetzt werden müssen, typischerweise etwa 0,4 Tonnen Kohlenstoff pro Tonne produziertem Metall. Flüssiges Aluminium ist dichter als der Elektrolyt und sammelt sich am Zellenboden, von wo aus es in Tiegel gesaugt wird. Die Zellspannung wird vom Bad zwischen Anode und Kathode und nicht vom theoretischen Zersetzungspotential dominiert, weshalb der spezifische Energieverbrauch für Primäraluminium etwa 13.500 Kilowattstunden pro Tonne beträgt.
Die Betriebsdisziplin konzentriert sich auf die Steuerung der Aluminiumoxidzufuhr, die Badtemperatur und das Badverhältnis, den Anodenabstand und die Wiederherstellung des Anodeneffekts. Eine schlechte Zufuhrkontrolle führt zu Schlammbildung-oder übermäßigen Anodeneffekten, und beides erhöht den Energieverbrauch und die Emissionen. Moderne Hütten fangen und behandeln auch Kesselgas, um Fluorid- und Schwefelverbindungen vor der Freisetzung zu entfernen.
Gießen und Homogenisieren von Brammen und Knüppeln
Flüssiges Metall wird von Tiegeln zu Gießstationen transportiert und vor der Erstarrung nach Spezifikation legiert. Direkter Kokillenguss ist das Grundverfahren für Schmiedeprodukte: Metall wird in eine wassergekühlte Form gegossen, während ein hydraulischer Tisch die erstarrende Schale herauszieht, wodurch Walzbarren für flache Produkte und zylindrische Knüppel für die Extrusion entstehen.
Walzbramme: große rechteckige Gussteile, üblicherweise bis zu etwa 30 Tonnen, für die Blech- und Folienproduktion
Strangpressbarren: runde Gussteile in verschiedenen Durchmessern für Profile, Rohre und Stangen
Stranggießen und Bandgießen: Kompaktstraßen zur Herstellung von Band- oder Folienmaterial nahe der Enddicke
Homogenisierung: Einweichen bei etwa 500 bis 580 Grad Celsius, um Entmischungen zu beseitigen und die Mikrostruktur auszugleichen
Schälen und Sägen: Entfernen der abgetrennten und oxidierten Oberflächenhaut vor der Warmbearbeitung
Die Homogenisierungspraxis hat großen Einfluss auf die spätere Formbarkeit. Unzureichendes Einweichen hinterlässt grobe lösliche Phasen, die beim Walzen oder Extrudieren reißen, während eine zu lange Einweichzeit Ofenkapazität verschwendet und die Dispersoide über den nützlichen Bereich hinaus vergröbern kann.
Formen: Walzen, Extrudieren, Schmieden und Druckguss
Flachprodukte werden durch Warmwalzen der homogenisierten Bramme auf einem Reversierwalzwerk hergestellt, wobei die Dicke von etwa 600 Millimeter auf 2 bis 10 Millimeter reduziert wird, und anschließend auf Mehrgerüst- oder Eingerüstwalzwerken auf die endgültige Dicke kaltgewalzt werden. Glühschritte zwischen den Durchgängen steuern Härte, Korngröße und Textur. Das Walzen der Folie erfolgt auf Clusterwalzwerken bis hin zu Stärken von nahezu 0,006 Millimetern für die dünnsten Verpackungs- und Kondensatorfolien. Bleche und Platten werden durch ASTM B209 spezifiziert, und die europäischen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften sind in EN 485-2 enthalten, wobei die chemische Zusammensetzung für bearbeitete Produkte in EN 573-3 festgelegt ist.
Profile und Rohre werden durch Strangpressen hergestellt, wobei erhitzte Rohlinge durch geformte Matrizen gepresst werden, sodass das Metall in einen kontinuierlichen Abschnitt fließt. Extrudierte Stäbe, Stäbe und Profile werden durch ASTM B221 spezifiziert. Beim Schmieden werden Knüppel oder Schnittgut durch Druckverformung verformt, wodurch der Kornfluss verfeinert und die Ermüdungsfestigkeit sowie die Zähigkeit von Rädern, Aufhängungsarmen und Strukturbeschlägen verbessert werden. Beim Hochdruck-Druckguss wird geschmolzene Legierung in gehärtete Stahlformen für Gehäuse, Halterungen und Motorkomponenten mit dünnen Wänden und komplexen Rippen eingespritzt.
Die Blechumformung erfüllt ein anderes Bedürfnis. Beim progressiven Stanzen werden große Mengen an Automobilplatten und -gehäusen hergestellt, während bei der additiven Fertigung Schicht für Schicht nahezu endkonturnahe Komponenten hergestellt werden, was die Vorlaufzeit für Luft- und Raumfahrt- und Werkzeugteile in kleinen Stückzahlen verkürzt, aber eine Qualitätskontrolle und Nachbearbeitung des Pulvers erfordert.
Oberflächenbehandlung und Qualitätskontrolle
Die Oberflächenveredelung bestimmt die Korrosionsbeständigkeit, das Aussehen und die nachfolgende Bindungsfähigkeit. Beim Eloxieren entsteht eine poröse anodische Oxidschicht, die versiegelt oder eingefärbt werden kann und je nach erforderlicher Klasse typischerweise 5 bis 25 Mikrometer dick ist. Bei der Pulverbeschichtung wird eine Polymerschicht aufgetragen, die witterungs- und abriebfest ist. Eine chemische Konversionsbeschichtung erzeugt phosphat- oder chromatfreie Filme, die die Lackhaftung und den temporären Korrosionsschutz verbessern. Durch mechanisches Polieren werden reflektierende Oberflächen erzielt, und durch Lasertexturierung werden Mikromuster erzeugt, die beim Formen das Schmiermittel zurückhalten.
Überprüfung der chemischen Zusammensetzung durch optische Emissionsspektrometrie an jedem Guss
Mechanische Prüfung der Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung am fertigen Produkt
Maßkontrolle von Dicke, Breite, Ebenheit, Geradheit und Profiltoleranz
Oberflächeninspektion auf Einschlüsse, Oxidflecken, Kratzer, Kantenrisse und Frässpuren
Zerstörungsfreie-Prüfung wie Ultraschallprüfung auf innere Fehler in Blechen und großen Schmiedestücken
Die Rückverfolgbarkeit verknüpft jedes fertige Los mit seiner Gussnummer, dem Wärmebehandlungsprotokoll und den Prüfdaten. Diese Aufzeichnungskette ermöglicht es einem Hersteller, Material anzunehmen, ohne jeden Test wiederholen zu müssen. Es handelt sich also um einen kommerziellen Vermögenswert und nicht um Papierkram.
Häufig gestellte Fragen
F: Wie wird Aluminiumoxid aus Bauxiterz gewonnen?
Das Erz wird zerkleinert und gewaschen und anschließend mit heißer Natronlauge aufgeschlossen, sodass sich Aluminiumhydroxide auflösen. Unlöslicher eisenreicher Rotschlamm wird abgetrennt, Aluminiumhydroxid wird durch Impfen aus der abgekühlten Lauge kristallisiert und das Hydrat wird zu Aluminiumoxidpulver in Schmelzqualität kalziniert.
F: Was passiert in einer elektrolytischen Reduktionszelle?
Aluminiumoxid löst sich in geschmolzenem Kryolith bei etwa 960 Grad Celsius auf. Gleichstrom von 150 bis 300 Kiloampere spaltet Aluminiumoxid in flüssiges Aluminium und Sauerstoff, die Kohlenstoffanoden werden verbraucht und geschmolzenes Metall sammelt sich auf dem mit Kohlenstoff ausgekleideten Zellenboden, um es regelmäßig abzuzapfen.
F: Warum ist nach dem Gießen eine Homogenisierung erforderlich?
Beim Gießen entstehen Entmischungen und grobe Ungleichgewichtsphasen. Durch Einweichen bei etwa 500 bis 580 Grad Celsius werden diese Phasen aufgelöst und die Mikrostruktur ausgeglichen, was das Roll- und Extrusionsverhalten verbessert und die Endeigenschaften stabilisiert.
F: Wie viel Energie benötigt Primäraluminium?
Etwa 13.500 Kilowattstunden pro Tonne Metall, wobei der größte Anteil in den Elektrolysezellen verbraucht wird. Recyceltes Aluminium vermeidet den Reduktionsschritt vollständig und benötigt nur einen kleinen Bruchteil dieser Energie.
F: Welche Normen gelten für Aluminiumbleche und extrudierte Profile?
ASTM B209 gilt für Bleche und Platten und ASTM B221 für extrudierte Stangen, Stäbe und Profile, während EN 573-3 die Knetzusammensetzung und EN 485-2 die mechanischen Eigenschaften von Blechen definiert. Chinesische Anforderungen werden durch GB/T-Standards für Barren und nachgelagerte Produkte festgelegt.
F: Welche Oberflächenbeschaffenheit sollte gewählt werden?
Wählen Sie Eloxieren für Abnutzung und dekorative Farbe, Pulverbeschichtung für Witterungsbeständigkeit im Außenbereich, chemische Konversionsbeschichtung als Farbbasis oder vorübergehenden Schutz, Polieren für Reflexionsvermögen und Lasertexturierung, wenn beim Formen eine Schmierstoffretention erforderlich ist.
