Alüminyum Alaşımları Üretimicontent.lms.sabis.sakarya.edu.tr/Uploads/71353/51342/12... ·...
Transcript of Alüminyum Alaşımları Üretimicontent.lms.sabis.sakarya.edu.tr/Uploads/71353/51342/12... ·...
Alüminyum & Alaşımları & Üretimi1- Alüminyumun Özellikleri
2- Alüminyumun Yerkürede Bulunuşu ve Önemli Mineralleri
3- Dünya ve Ülkemizdeki Rezervlerin Durumu
4- Alümina ne Alüminyum Metali Üretimi
5- Alüminyum Alaşımları
Properties of AluminumName, symbol, number Aluminum, Al, 13
Crystal structure face-centered cubic
Phase Solid
Density at room temperature 2.70 gr/cm3
Liquid density at melting point 2.375 gr/cm3
Melting point 660.32 °C
Boiling point 2519 °C
Heat of fusion 10.71 kJ/mol
Heat of vaporization 294.0 kJ/mol
Electrical resistivity (20°C) 26.50 nΩ∙m
Thermal conductivity (300 K) 237 W/(m∙K)
Thermal expansion (25°C) 23.1 µm/(m∙K)
Young Modulus 70 GPa
Atom ağırlığı 26.98 g/mol
Değerlik +3
3A Grubu
Aluminum = "Alaun" (Latince) = "Şap"
Yanmaz, kıvılcım almaz…
Manyetik olarak nötr
Çekme dayanımı 49 MPa (saf Al)
700 MPa (alaşım)
Sertlik 2,75 Mohs (mineral)
Tüketim Alanı % miktarı Transport 25Construction 25Packaging 17Electrical 12
Machinery & equipment 10
Consumer durables 6Other 6
ÜlkeÜretim (103 ton)
Dünya 44 600
1 Çin 18 000
2 Rusya 4 000
3 Kanada 2 970
4 ABD 1 990
5 Avustralya 1 930
6 BAE 1 800
7 Hindistan 1 700
8 Brezilya 1 410
9 Bahreyn 870
10 Norveç 800
36 Türkiye 65
Asya %55
Avrupa %20
Amerika %16
Okyanusya %5
Afrika %4
2011 Dünya Alüminyum Üretimi:44,6 milyon ton
• Alüminyum tabiatta en çok bulunan elementlerden biridir ve mühendislik
yapılarda çelikten sonra en çok kullanılan metaldir.
• Bazı alüminyum alaşımlarının akma sınırı değerleri, pek çok çelik
türünün akma sınırı değerlerinin üzerindedir.
• Alüminyum alaşımları bu özelliklerinden dolayı, özellikle hafiflik istenen
uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadırlar.
• Alüminyum metallerin reaktiflik sıralamasında oldukça
yukarıda olan bir metaldir.
• Alüminyum havayla temasıyla, yüzeyinde hızlı bir şekilde
tok ve şeffaf bir oksit tabakası oluşur ve bu oksit filmi
malzemenin daha fazla korozyona uğramasını önler.
• Bu nedenle, alüminyumdan yapılan parçalar kararmaz veya
paslanmazlar.
• Alüminyum alaşımlarının içindeki diğer elementler alüminyum ile galvanik pil
oluşturmaya uygun olduklarından dolayı, korozyon açısından alüminyumun
mümkün olduğu kadar saf olarak kullanılması tavsiye edilir.
• Fakat mekanik özelliklerindeki dayanım düşüklüğü (zayıflık) nedeniyle
uygulamalarda saf Al kullanımı yaygın değildir.
• Alüminyumun çeliğin yaklaşık 1/3‘ü kadar yoğunlukta olup, Li (0,53 g/cm3),
Mg (1,73 g/cm3) ve Be (1,84 g/cm3) dan sonra en hafif metaldir.
• Alüminyumun sahip olduğu spesifik mukavemeti, uçak yapımında, demir
yollarında, motor gövdelerinde ve diğer pek çok alanda kullanımını faydalı
hale getirmiştir.
Aynı çaptaki bir alüminyum tel, bakırın %63’ü kadar
elektrik iletimine sahiptir.
Fakat spesifik elektrik iletkenliği bakırdan daha
iyidir. Özellikle elektrik iletiminde uzun mesafeli
hatlarda ağırlık çok önemlidir.
Bu nedenle bugün havada çok yüksek elektrik akımı
iletmede alüminyum iletkenler tercih edilmektedir.
Ayrıca alüminyumun fiyatı da bakıra göre daha
düşüktür.
Yüksek ısıl iletiminden dolayı alüminyum pek çok pişirme kaplarında,
içten yanmalı motorlar pistonlarında kullanılmaktadır.
Alüminyum kolay soğuyup, ısıyı emen bir metal
olması nedeniyle soğutma sanayinde geniş bir yer
bulur.
Bakırdan daha ucuz ve daha çok bulunması,
işlenmesinin kolay olması ve yumuşak olması
nedeniyle bir çok sektörde kullanılan bir metaldir.
Alüminyum genel olarak soğutucu yapımında, spot
ışıklarda, mutfak gereçleri yapımında, hafiflik esas
olan araçların yapımında (uçak, bisiklet vs.)
kullanılır.
Duralüminyum: %4 Cu, %1 Mg, %0,7 Mn,
%0,5 Si içeren Al alaşımı. Çeşitli
işlemlerden geçirildikten sonra çelik kadar
sertleşir ve dayanıklılık kazanır. Hafif
olduğundan uçak yapımında kullanılır.
Alüminyum alaşımlarının sıcak ve soğuk işlenebilme özelliği vardır.
Alüminyum alaşımlarının çok iyi hadde özellikleri olup, bu yolla birkaç
mikron kalınlığında folyo haline getirebilirler.
Ayrıca bazı alüminyum alaşımlarının döküm özellikleri de iyidir.
Son yıllarda inşaat tekniğinde mimari stilde meydana gelen gelişmeler
alüminyum ve alaşımları lehinedir.
Bu gelişmeler yapıların yüzeyleri, kapı ve çerçeve gibi dış ve iç
kısımlarındadır.
Alüminyum ve alaşımlarının kullanılma sahalarının fazlalığı düşük
maliyeti, iyi görünümlü, boya ve kaplamaya gerek duyulmaması ve
inşasının hızlı olmasındandır.
Alüminyum ve alaşımları, 1908 yılında yaşlanma sertleşmesinin
bulunmasıyla uçak sanayine girmiştir.
Bugün uçak sanayinde duralüminyum tipi alaşımlar kullanılmaktadır.
Günümüzde birçok uçağın gövde kısmı alüminyum alaşımlarından
yapılmaktadır.
Günümüzden yaklaşık 50 yıl önce denizin korozif etkisine dirençli Al
alaşımları (%2.5-6 Mg ile az miktarda Mn, Cr, Be ve Ti) yapılmıştır.
Çekme mukavemetleri yüksek, süneklik ve işlenebilme özellikleri iyi olan bu
alaşımların dökümleri zordur.
Yolcu gemileri ve şilepler, büyük askeri gemiler, küçük araştırma gemileri,
yat, yelkenli ve feribot gibi küçüklü büyüklü gemilerin yapımında alüminyum
alaşımları kullanılmaktadır.
Alüminyum ve alaşımları son yıllarda vagon, treyler, lokomotif
yapımında kullanılmaya başlanmıştır.
Alüminyum alaşımları düşük özgül ağırlıklı ve üstün mekanik özellikleri
nedeniyle otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Otomobil ağırlığının %25-30’luk kısmını alüminyum alaşımları teşkil
etmekte ve her yıl %10 artış göstermektedir.
Karbüratör, piston, bağlayıcı rod ve hareketli kolları gibi aksamlar…
Average use of aluminium per car in Western Europe [EAA].
Relative and absolute shares of Aluminium in some European cars.
Development of Al die-castings for multifunctional integration [AUDI].
Bir alüminyum iletken, düşük yoğunluğu nedeniyle bakır bir iletkenden
daha hafiftir. Bu nedenle 1930 yılından beri enerji nakil hatlarında
kullanılmaktadır.
Gün geçtikçe alüminyum folyo üretimi ve tüketimi artmaktadır.
Folyo ilk yıllarda paketleme ve şeker sarma işlerinde kullanılmış,
sonraları kullanım alanları genişlemiştir.
İlaç muhafazasında da alüminyum folyo kullanılmaktadır.
Dayanım/Özgül Ağırlık Oranı
Elektrik İletkenliği / Özgül Ağırlık Oranı
Ağırlıktan tasarruf
Korozyon direnci
İyi ısıl iletkenlik
Soğuk ve sıcak şekillendirilebilirlik
Dekoratif görünüm
Düşük maliyet
• Alüminyum miktar olarak yerkabuğunda oksijen ve silisyumdan sonra 3.
sırada bulunan elementtir.
• Kimyasal reaktifliğinden dolayı doğada asla saf element halde bulunmaz.
Daima oksit bileşikler halinde bulunur. 250 farklı mineralin bir bölümünü
teşkil etmektedir.
• Bu minerallerin en önemli grubu silikatlar ve killerdir.
• Diğer önemli bileşikleri ise hidroksitler şeklindedir. Bu grup boksit içeren
gruptur.
• Boksit ise birincil alüminyum üretiminde tüketilen temel hammaddedir.
• Bu nedenle alüminyumun üretildiği cevherler boksit olarak adlandırılır.
• Bu cevher, %50-60 nispetinde Al2O3 içeren Gibbsite (Al(OH)3) ve Böhmite
(AlO(HO)) ya da Diaspore (AlO(HO)) karışımından ibarettir.
• Boksit açık renkli toprağımsı görünümlüdür. Ancak, demir içeriği nedeniyle
rengi, genellikle kırmızımsı-kahverengi tonlardadır.
BoksitAl2O3.2H2O
There are also the impurities Fe2O3 and SiO2, amongst others, present in Bauxite, which have to be removed in the Bayer Process in the production of pure aluminum.
Fransa-Les Baux, 1821
Gibbsite Al(OH)3
Böhmite AlO(HO)
Diaspore AlO(HO)
Boksit
Al2O3.2H2O
Boksit, hidroksitin molekül sayısına ve kristal yapıya bağlı olarak üç
temel formda oluşmaktadır.
Boksitin üç temel formu; Gibbsite, Böhmite ve Diaspore şeklindedir.
Gibbsite gerçek bir alüminyum hidroksittir.
Böhmite ve Diaspore ise alüminyum-oksi-hidroksit şeklindedir.
Gibbsite ile diğer ikisi arasındaki temel farklılık kristal yapılarıdır.
Kimyasal yapılarındaki bu farklılıktan dolayı, hızlı bir dehidratasyon için
Böhmite ve Diaspore, Gibbsite göre daha yüksek sıcaklık gerekir.
Unit Gibbsite Böhmite DiasporeComposition Al(OH)3 AlO(OH) AlO(OH)
Maximum AluminaContent
% 65,4 85,0 85,0
Crystal System Monoclinic Orthorhombic Orthorhombic
Density gcm-3 2,42 3,01 3,44
Temp. for RapidDehydration
°C 150 350 450
Alüminyum minerallerinin sertlikleri, alümina üretim ekonomisini
direkt olarak etkiler.
Örn; diaspor içeren Al cevherleri sert oldukları için kırma ve
öğütme aşamalarında yüksek maliyetten dolayı ekonomik
değildirler…
Maden ocaklarından çıkartılan boksit cevherleri, baskın mineral
Gibbsite olacak şekilde Böhmitle karıştırılır.
Hammadde kompozisyonundaki farklılıklar, daha sonraki üretim
proseslerini de etkilemektedir.
Daha sonraki üretim şartları aynı zamanda, hammadde içerisindeki
en başta demir, silisyum ve titanyumun bileşimleri şeklindeki
impuriteler (gang) etkilenmektedir.
Alüminyum oksit (Al2O3, beyaz toz), yaklaşık %30-40 Fe içerdiği için kırmızı
renkli olan boksitin rafinasyonu ile üretilir. Bu işlemin adı Bayer Prosesidir.
Boksit cevherleri, genellikle doğrudan maden ocağından alümina fabrikasına
herhangi bir işleme tabi tutulmadan gönderilir.
Sadece yüksek nem içermesi durumunda nakliye giderlerini azaltmak için
kurutulduktan sonra alümina fabrikasına taşınırlar.
Maden ocağı yanında bulunmayan bütün alümina fabrikaları, kış mevsiminin
olumsuz hava şartlarını dikkate alarak 6 aylık boksit cevherlerini depolarlar.
Boksit cevherleri, taşımada aşınma gibi istenmeyen olaylara karşı çok iri parça
olarak taşınmazlar.
Boksit cevherleri, Bayer Prosesine girmeden önce kırma, eleme ve öğütme
işlemlerinden geçirilerek boyutları <1mm’nin altına düşürülür.
Homojen boyut dağılımı, liç işleminin verimi yönünden önemlidir.
Türkiye Boksit Yatakları ve Rezervleri
o Türkiye dünya boksit rezervinin çok küçük bir bölümüne (%0,4) sahiptir.
o Türkiye’de yaklaşık 200 civarında boksit yatağı bulunmuştur. Bunlar 10 ayrı
bölgede toplanmaktadır.
o Seydişehir-Akseki, Silifke-Taşucu ve Zonguldak bölgelerinde "böhmitik"
o Muğla-Milas, Alanya, Bolkardağı ve Tufanbeyli-Saimbeyli bölgeleri "diasporitik"
o İslahiye-Payas ve Yalvaç-Şarkikaraağaç bölgelerinde "demirli boksit" türündedir.
o Buralardan çıkarılan boksit cevheri, Seydişehir Alüminyum Tesislerinde
işlenmektedir.
o Seydişehir Alüminyum Tesisleri, alüminyum cevherini işleyerek metalik
alüminyum haline dönüştüren, bunu da döküm, haddeleme ve ekstrüzyon
yöntemleri ile şekillendiren ülkemizdeki tek entegre birincil alüminyum
üretim tesisidir.
Önemli Boksit Üreticisi Ülkeler (1000 ton)
Dünya Boksit Rezervleri
Boksit Cevherinin Çıkartılması
Dünyada mevcut boksit cevherleri, yerkabuğu yüzeyine yakın bölgelerde
yoğunlaşmış olup, bu cevherler açık ocak maden işletmeciliği şeklinde
işletilmektedir.
Günümüzde alüminyum üretiminde iki yöntem uygulanır.* Cevherden alüminyum üretimi "Birincil Alüminyum"* Hurdadan alüminyum üretimi "İkincil Alüminyum"
Entegre Alüminyum Tesisi
Entegre üretim süreci, birbirini takip
eden 5 ana üretim aşamasını kapsar.
1- Boksit madeni işletmeciliği
2- Alümina üretimi
3- Sıvı alüminyum üretimi
4- Sıvı alüminyumun alaşımlandırılarak
dökümü
5- Döküm ürünlerinden ekstrüzyon ve
haddeleme işlemleri ile yarı ve/veya
nihai ürün üretimi
İlk olarak 1886 yılında ABD’de Charles Martin Hall ve aynı zamanda aynı
metotla Fransa’dan Paul L.T. Heroult alüminadan veya alüminyum oksitten
alüminyum üretimini gerçekleştirmişlerdir. Bu nedenle bu yöntemin adına
Hall-Heroult Prosesi denilmiştir.
Alüminyumun ilk üretildiği 1886 yılında, dünyanın toplam alüminyum üretimi
sadece 45 kg ve yaklaşık 11 USD/kg iken, 1989 verilerine göre dünyanın
yıllık alüminyum üretimi 18M ton ve fiyatı yaklaşık 2 USD/kg kadardır.
Bugün dünyada üretilen alüminyumun yaklaşık olarak %31’i konteynır ve
paketlemede, %20’si evlerde ve diğer yapılarda, %24’ü taşımacılıkta,
%10’u elektik donanımlarında, kalanı da diğer alanlarda tüketilmektedir.
Bugün ABD’de tüketilmekte olan alüminyumun %20’si geri dönüşümden elde
edilmektedir.
Daha önce de ifade edildiği gibi, Boksit cevheri (tahminen 20-60 milyar
ton/dünya) hemen hemen tüm alüminyum üretimi için kullanılmaktadır.
Boksitin alüminyum içeren bileşeni Al(OH)3’dür, ancak yatakların çoğunda
sıklıkla AlOOH bulunmaktadır.
Boksit tipik olarak SiO2 (%1-15), Fe2O3 (%7-30), TiO2 (%3-4) ve ilaveten
farklı miktarlarda florit, fosfat ve oksitler içermektedir.
Bayer Prosesinde boksit, dehidrate olması için kalsine edilir ve daha sonra
yüksek basınç altında 120-250C’de sulu NaOH ile reaksiyona sokulur.
Böylece çözülebilen NaAlO2 meydana gelir ki çözülemeyen bazı Al olmayan
bileşiklerden ayrılmış olur (kırmızı çamur olarak adlandırılır).
Daha sonra NaAlO2 çözeltisinden dönüşümlerde Al(OH)3 olarak çöktürülür.
Yaklaşık %99 saflıkta Al2O3 ürünü için 1000-1200C’de kalsine edilir.
1. Aşama: Kırılıp, öğütülmüş boksit, %30-45 sodyum hidroksit "NaOH"
içeren otoklavda 150-230C* ve 4 atm (düşük sıcaklıklarda) -30 atm (yüksek
sıcaklıklarda) basınç aralığında çözeltiye alınarak, parçalanır. Bu uygulama
boksitin liç edilmesidir. Burada alüminyum hidroksit "Al(OH)3" çözünür,
sodyum alüminat "NaAl(OH)4" çözeltisi meydana gelir. Bu arada solüsyonda
çözünmeyen Fe2O3, SiO2, ve TiO2 gibi oksitler "gang mineraller" (kırmızı
çamur) NaAl(OH)4 çözeltisinden ayrılarak tankın tabanında toplanır. Sodyum
alüminat, su eklenerek ve filtre edilerek çözeltiden ayrılır, barajlarda
depolanır. Al2O3 + 2NaOH + 3H2O 2NaAl(OH)4
Al2O3.2H2O + 2NaOH 2NaAlO2 + 3H2O* Sıcaklığın geniş bir aralıkta olmasının nedeni, cevherdeki karışım halde bulunan alüminyum monohidrat "Al(OH)" ve alüminyum trihidratla"Al(OH)3" alakalıdır.Trihidrat yapı 150C’de çözünebilirken, monohidrat yapı daha yüksek sıcaklıklarda veya daha konsantre NaOH çözeltilerinde çözünebilmektedir.
2. Aşama: Bu aşama alüminyum hidroksitin çöktürülmesidir. Tank
tabanındaki çözünmeyen atıklar alındıktan sonra, sodyum alüminat içeren
solüsyon daha geniş bir tanka aktarılarak soğumaya bırakılır. Bu tankta
sodyum alüminat "NaAl(OH)4" bozunarak alüminyum hidroksite "Al(OH)3"
dönüştürülür ve Al(OH)3 tankın tabanında çökelerek birikir.
NaAl(OH)4 Al(OH)3 + NaOH
NaAlO2 + 2H2O Al(OH)3 + NaOH
3. Aşama: Al(OH)3 NaOH’dan ayrıldıktan sonra, 1000C’de ısıtılarak
kalsine edilip (kimyasal olarak parçalanır) saf alüminaya dönüştürülür.
2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O
4. Aşama: Alüminanın Elektrolizi…
Bayer prosesiyle üretilen Al2O3’ün yaklaşık %15’i refrakter, aşındırıcı
ve Al kimyasalları yapmak için kullanılmaktadır.
Kalan %85’lik kısım ise Al metali üretmek için indirgenme prosesine
tabi tutulur.
Ayrıca elde edilen alüminanın silis ve demirden tamamen arındırılmış
olması gerekmektedir. Aksi halde, bunlar indirgenme prosesi
sonrasında, Al metalinde safsızlık olarak kalmaktadır.
Al2O3’ün direkt olarak elektrolizi pratik değildir. Çünkü Al2O3’ün ergime
sıcaklığı 2045C’dir.
Hall-Héroult Prosesinde Al2O3,daha düşük ergime sıcaklığı için ergimiş
%87 kriyolit (Na3AlF6) + %5 AlF3, %8 CaF2 elektrolit içerisinde
çözdürülür, ayrıştırılır elektroliz işlemi 950-970C’de
gerçekleştirilebilmektedir.
Hücre içeresinde 100-400 kA’e kadar yüksek akımlar kullanılır.
İndirgenmesi sonucu nötrleşen Al metali, elektrolitten daha ağır olduğu
için tabanda birikir.
Al metali üretimi enerji yoğunluklu bir işlem olduğu için Al’nin indirgenme
operasyonları elektrik maliyetlerinin düşük olduğu yerlerde gerçekleştirilir.
Elektroliz işlemi reaksiyonu: 2Al2O3 4Al + 3O2
Proses sırasında, Al2O3’ün parçalanmasıyla açığa çıkan oksijen, anot
karbonuyla (petrol koku + taş kömürü zifti) reaksiyona girer.
Böylece oluşan CO, CO2 ve elektrolitteki reaksiyonlar sonucu gaz fazına
geçen flor bileşikleriyle birlikte gaz temizleme sistemine gider.
Bu şekilde anot kademeli olarak tüketilmiş olur.
En iyi verimlilik için, anot ile katot arasındaki boşluğun minimum değerde
olması istenmektedir.
Ancak, bu boşluk olması gerekenden daha dar olursa, manyetik ısı iletimi
ve gaz oluşumundan türbülans nedeniyle istenmeyen sıvı Al metali (köprü)
oluşmasına ve böylece elektrotların kısa devre yapmasına neden olabilir.
Hücre araçlarında geliştirme ve tasarımlarla, Al üretmek için gerekli olan
enerji 1940’da 20 kWh/kg iken, günümüzde 8-12 kWh/kg e kadar
düşürülmüştür.
Toplanan Al, günde bir veya iki kere kapalı vakum pompalarıyla hücreden alınır ve bir bekletme fırınına gönderilir. Burada çoğunlukla geri dönüşümden gelen Al parçaları da eklenmektedir.Bu aşamada metal, metal olmayan inklüzyonları, çözünmemiş H, Na ve Caile diğer impuriteleri de içermektedir. Bunlar filtrasyon, fluxing ve Ar-Cl2 gaz karışımı kabarcıklaşmasıyla metalden uzaklaştırılır.Bu adımlar, Na ve Ca seviyelerini 1-2 ppm’ye düşürürken, H’yi yaklaşık metalin kilogramı başına 1 ml’e (gaz) azaltır.Bu noktada metal %99.50-99.80 saflıktadır ve burada temel impuritelerFe ve Si’dir.Bu saflık derecesi çoğu uygulama için yeterli olmakla beraber, %99.98-99.99 saflık seviyeleri, ya ergimiş Al’de elektroliz ile yada sıvı faz içinde impuriteleri segrega etmek için bölgesel ergitme veya tekyönlü katılaşmayla gerçekleştirilen müteakip saflaştırmayla elde edilebilir.Elektronik uygulamalar için ultra-saflıkta (%99.9999) Al üretmek için elektrolitik ve/veya segregasyon metotları çoklu çevrimler halinde uygulanmaktadır.
Al2O3’den Al metali dönüşümü için elektrolitik indirgenme hücresinin şematik görünümü.• Hücre yaklaşık 10 m uzunluğunda, 4 m
genişliğinde ve 1.2 m yüksekliğe sahiptir.• Elektrotlar, grafit ve kriyolitten daha
yoğun olması sebebiyle hücre altına batmış 3-25 cm kalınlığındaki sıvı Al metal tabakasıdır.
• Sıvı alümina-kriyolit üzerinde ve yatak duvarları boyunca bir katı kriyolit kabuk meydana gelmektedir.
• Bu, havanın nüfuz etmesini azaltır ve yatak duvarlarının hızlı bir şekilde aşınmasını da engeller.
• Bir kabuk kırıcı takım yardımıyla, sisteme üst kısımdan ilave alümina beslemesi yapılmaktadır.
A. M. Russell, K. L. "Lee, Structure-Property Relations in Nonferrous Metals", John Wiley & Sons, Inc., 2005
W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Ed. K. Genel: "Malzeme Bilimi ve Mühendisliği", Nobel Yayıncılık, 2013
H. Arık, "Ders Notları"
A. Eker, "Ders Notları"
M. Zeren, "Ders Notları"
A. Demir, "Ders Notları"
J. Hirsch, "Automotive Trends in Aluminium - The European Perspective", Materials Forum, 28, 2004