O aluminium

Aluminium, trzeci najczęstszy pierwiastek w skorupie ziemskiej, jest nieodłącznym składnikiem współczesnej cywilizacji. Jego unikatowe właściwości, takie jak niska gęstość, wysoka przewodność cieplna i elektryczna oraz odporność na korozję, sprawiają, że jest niezastąpionym materiałem w wielu dziedzinach przemysłu. 

Aluminium, choć powszechne w skorupie ziemskiej, nie bywało łatwo dostępnym metalem aż do XIX wieku. Jego charakterystyka, zwłaszcza w kontekście licznych stopów, czyni go jednym z najbardziej wszechstronnych i użytecznych materiałów w nowoczesnej technologii i inżynierii.

Artykuł ten ma na celu zgłębienie tematu aluminium: jego stopów, właściwości, metod produkcji oraz zastosowań w codziennym życiu.

Aluminium nie występuje w naturze w czystej formie,

lecz jest wydobywane głównie z boksytów. Aluminium jest obecne niemal wszędzie w naszym otoczeniu, w przyrodzie nie występuje jako wolny metal. Proces wydobycia tego metalu rozpoczął się na dużą skalę dopiero w XIX wieku.

Głównymi krajami produkującymi boksyt są Australia, Chiny, Brazylia i Indie. Te kraje dominują w światowym wydobyciu boksytu, poza nimi skałkę wydobywa się także w Gwinei, Rosji, Wenezueli, Jamajce i Kazachstanie. Produkcja boksytu na świecie wynosiła około 300 milionów ton rocznie (stan na 2020 rok). Wartości te mogą się zmieniać w zależności od popytu i innych czynników ekonomicznych. Popyt na wyroby hutnicze aluminium w 2020 roku światowej produkcji wynosił około 63 miliony ton.

Minerał ten jest następnie poddawany procesowi rafinacji w celu uzyskania tlenku glinu, który jest następnie przekształcany w czyste aluminium za pomocą elektrolizy.

Proces Bayera, czyli przekształcenie boksytu w tlenek glinu (Al2O3) odbywa się w kilku fazach:
Miażdżenie i mielenie: Boksyty są miażdżone i mielone, aby zwiększyć powierzchnię kontaktu.
Wyprażanie: Rozdrobnione boksyty mieszane są z wodnym roztworem ługu sodowego i poddawane są wyprażaniu pod wysokim ciśnieniem. W wyniku reakcji powstaje aluminian sodu.
Osadzanie: Po ochłodzeniu, czysty aluminian sodu osadza się na dnie zbiornika.

Odzyskiwanie Al2O3: Osadzony aluminian sodu jest filtrowany i przemywany, aby uzyskać tlenek glinu, który jest następnie prażony w piecach, aby uzyskać czysty tlenek glinu (Al2O3).

Produkcja czystego aluminium następuje w procesie elektrolizy.

Czysty tlenek glinu poddawany jest elektrolizie w ciekłym kriolu (topiony ług sodowy) w celu uzyskania czystego aluminium. Proces ten odbywa się w wielkich elektrolizerach

Produkcja aluminium jest procesem wymagającym znacznych ilości energii, zwłaszcza podczas etapu elektrolizy. Wykorzystuje się tu potężne prądy elektryczne do rozdzielenia tlenku glinu na czyste aluminium i tlen. 

Produkcja 1 kg aluminium wymaga średnio 13-15 kWh energii elektrycznej.

Ta intensywność energetyczna była głównym czynnikiem kosztowym w produkcji aluminium, czyniąc go dawniej droższym od złota.

Aluminium jest materiałem bardzo nadającym się do recyklingu. Około 75% wszystkiego wyprodukowanego aluminium nadal jest w obiegu. Recykling aluminium zużywa tylko 5% energii potrzebnej do produkcji pierwotnego aluminium.

Recyklowane aluminium zachowuje wszystkie swoje właściwości i może być wielokrotnie przetwarzane. Ponadto proces recyklingu jest mniej szkodliwy dla środowiska niż wydobycie i przetwarzanie boksytów.

Zastosowania Aluminium:

Budownictwo: Ze względu na jego lekkość i odporność na korozję, aluminium jest często używane w oknach, drzwiach, rusztowaniach i innych konstrukcjach.

Transport: Samochody, samoloty, rowery, statki i pociągi korzystają z aluminium ze względu na jego niską masę, co przekłada się na oszczędność paliwa.

Opakowania: Aluminiowe puszki, folie i pojemniki są powszechne w przemyśle spożywczym.

Elektronika: Aluminium jest stosowane w wielu komponentach elektronicznych ze względu na swoje właściwości przewodzące.

Energetyka: Ze względu na zdolność do przewodzenia elektryczności, aluminium jest używane w przewodach.

Chociaż aluminium jest jednym z najczęściej występujących metali w skorupie ziemskiej, jego ekstrakcja i przetwarzanie mają wpływ na środowisko. Erozja gleby, zanieczyszczenie wód i emisje gazów cieplarnianych są tylko niektórymi z problemów związanych z produkcją aluminium. Jednak odpowiednio zarządzane kopalnie i huty mogą zminimalizować te skutki.

Huta Aluminium w Koninie

powstała w latach 60. XX wieku i była jednym z najważniejszych przedsięwzięć przemysłowych w Polsce w tamtym okresie. Istniało kilka powodów, dla których Konin został wybrany jako lokalizacja dla tej huty:

W okolicach Konina znajdują się duże zasoby węgla brunatnego, które są używane do produkcji energii elektrycznej. Elektroenergetyka oparta na węglu brunatnym pozwoliła na dostarczenie niezbędnej energii dla procesu produkcji aluminium, który jest bardzo energochłonny. W okolicy Konina już wtedy istniała rozwinięta infrastruktura przemysłowa i energetyczna, w tym kopalnie węgla brunatnego i elektrownie. Dzięki temu możliwe było szybkie uruchomienie produkcji.

Konin leży w centralnej części Polski, co ułatwia transport wyrobów hutniczych do różnych części kraju. Doskonałe połączenie siecią autostradową i kolejową ułatwia logistykę zarówno w kraju jak i eksport. 

W latach 60. XX wieku Polska przechodziła przez okres intensywnego rozwoju przemysłowego. Budowa dużych przedsiębiorstw, takich jak huta w Koninie, była częścią strategii gospodarczej państwa, która miała na celu modernizację i rozwój przemysłu ciężkiego. 

Aluminium jest metalem o wielu zastosowaniach, a w tamtym okresie jak i dzisiaj rośnie zapotrzebowanie na ten surowiec w wielu sektorach przemysłu, takich jak budownictwo, transport czy przemysł opakowaniowy.

Współczesna huta w Koninie, po przemianach własnościowych i modernizacjach, jest jednym z największych producentów wyrobów płaskich z aluminium w Europie Środkowo-Wschodniej. Produkty z Konina są eksportowane do wielu krajów na świecie. Dzisiaj przedsiębiorstwo nosi nazwę Granges Konin S.A.

Centrum Dystrybucji Aluminium Tombig

Niedaleko Konina w Brzeźnie znajduje się Centrum Dystrybucji Aluminium Tombig, posiadające ok 10 000 m.kw. powierzchni magazynowej i przechowującej ponad 1000 ton wyrobów aluminiowych w różnych postaciach. Dystrybuowane stąd są blachy gładki i ryflowane, profile i kształtowniki specjalne jak i standardowe takie jak: kątowniki aluminiowe, rury okrągłe aluminiowe, profile zamknięte oraz wiele innych. Więcej o TOMBIG

Stopy aluminium i ich właściwości:

Serie 1000:

Będąc niemal czystym aluminium, np: 1050 jest stosowany w przemyśle elektrycznym z powodu jego doskonałego przewodnictwa.

Skład: 99% Al z niewielkimi ilościami innych pierwiastków.

Właściwości:
Kowalność: Najlepsza spośród wszystkich stopów aluminium.
Wytrzymałość na rozciąganie: 70-100 MPa
Granica plastyczności: 15-30 MPa
Współczynnik ściśliwości: 69-71 GPa
Przewodnictwo: Wyjątkowo dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne. 
Przewodność elektryczna: 61-65 MS/m
Odporność: Doskonała odporność na korozję.
Wytrzymałość mechaniczna: Niska, ale można ją zwiększyć poprzez proces walcowania na zimno.
Spawalność: Doskonała.
Obróbka skrawaniem: Bardzo dobra; niskie siły skrawania, nie ma tendencji do klejenia.
Toczenie: Doskonałe; wymaga niskich prędkości skrawania i małe siły skrawania.

Serie 2000 Aluminium-Miedź,

np: 2024, zawierający miedź, jest często używany w przemyśle lotniczym. Jego wytrzymałość jest imponująca, ale wymaga ochrony przed korozją.

Skład: Głównie Al z 3,5-6% Cu, z domieszkami Mn, Mg i innych.

Właściwości:
Kowalność: Średnia. 
Wytrzymałość na rozciąganie: 290-480 MPa
Granica plastyczności: 130-425 MPa
Współczynnik ściśliwości: Ok. 71 GPa
Przewodnictwo: Dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne.
Przewodność elektryczna: 30-40 MS/m
Odporność: Podatność na korozję szczelinową, wymaga ochrony powierzchniowej.
Wytrzymałość mechaniczna: Wysoka, jedne z najmocniejszych stopów aluminium.
Spawalność: Umiarkowana, niektóre stopy z tej serii są trudne do spawania.
Obróbka skrawaniem: Dobra do bardzo dobrej; jednak wyższa twardość w porównaniu z serią 1000 może wymagać ostrzejszego narzędzia.
Toczenie: Dobre; jednak może wymagać chłodzenia w celu przedłużenia żywotności narzędzia.

Serie 3000 Aluminium-Mangan,

np: 3003, wzbogacony manganem, znajduje zastosowanie w naczyniach kuchennych i urządzeniach chłodniczych. 

Skład: Głównie Al z 1,0-1,5% Mn.

Właściwości: 
Kowalność: Dobra. 
Wytrzymałość na rozciąganie: 130-300 MPa
Granica plastyczności: 50-280 MPa 
Współczynnik ściśliwości: Ok. 69 GPa
Przewodnictwo: Dobrze przewodzi ciepło i prąd. 
Przewodność elektryczna: 35-40 MS/m
Odporność: Dobra odporność na korozję, nawet bez malowania czy anodowania.
Wytrzymałość mechaniczna: Średnia.
Spawalność: Dobra.
Obróbka skrawaniem: Bardzo dobra; łatwo się skrawa i formuje.
Toczenie: Doskonałe; podobnie jak seria 1000, nie ma tendencji do klejenia.

Seria 4000 – Aluminium-Krzem,

np: 4032, z dodatkiem krzemu, jest często stosowany w wysokotemperaturowych aplikacjach odlewniczych.

Skład: Głównie Al z 4,5-6% Si.

Właściwości:
Dobrze spawalne, stosunkowo niska wytrzymałość. Często używane do odlewów.
Kowalność: Dobra.
Wytrzymałość na rozciąganie: 130-210 MPa 
Granica plastyczności: 55-130 MPa 
Współczynnik ściśliwości: Ok. 70 GPa
Przewodnictwo: Dobrze przewodzi ciepło i prąd. 
Przewodność elektryczna: 29-35 MS/m
Odporność: Dobra odporność na korozję
Spawalność: Dobra
Obróbka skrawaniem: Dobra; krzem zwiększa twardość, co może wymagać bardziej wytrzymałych narzędzi.
Toczenie: Dobre; ale krzem może powodować szybsze zużycie narzędzi.

Seria 5000 – Aluminium-Magnez,

np: 5052 jest popularny w budowie statków, podczas gdy 5083 jest ceniony w przemyśle morskim ze względu na odporność na korozję.

Skład: Głównie Al z 0,5-5% Mg, 

Właściwości:
Kowalność: Dobra. 
Wytrzymałość na rozciąganie: 130-210 MPa 
Granica plastyczności: 55-130 MPa 
Współczynnik ściśliwości: Ok. 70 GPa
Przewodnictwo: Dobrze przewodzi ciepło i prąd. 
Przewodność elektryczna: 29-35 MS/m 
Odporność: Bardzo dobra odporność na korozję, nawet w morskim środowisku. 
Wytrzymałość mechaniczna: Średnia do wysokiej, w zależności od zawartości magnezu. 
Spawalność: Dobra do bardzo dobrej.
Obróbka skrawaniem: Bardzo dobra; łatwe do skrawania, ale twardsze niż serie 1000 i 3000.
Toczenie: Bardzo dobre; podobnie jak dla serii 3000.

Seria 6000 – Aluminium-Krzem-Magnez,

np: 6060/6063, z krzemem i magnezem, jest wszechstronny; od rur i belki konstrukcyjnych po elementy rowerów i samolotów.

Skład: Głównie Al z 0,4-1,3% Si i 0,4-1,3% Mg.

Właściwości:
Kowalność: Dobra. 
Wytrzymałość na rozciąganie: 100-310 MPa
Granica plastyczności: 40-260 MPa 
Współczynnik ściśliwości: Ok. 69 GPa 
Przewodnictwo: Średnie przewodnictwo cieplne i elektryczne. 
Przewodność elektryczna: 20-30 MS/m
Odporność: Dobra odporność na korozję.
Wytrzymałość mechaniczna: Średnia do wysokiej.
Spawalność: Bardzo dobra.
Obróbka skrawaniem: Bardzo dobra; stosunkowo łatwe do skrawania.
Toczenie: Bardzo dobre; jednak obecność krzemu może wpływać na zużycie narzędzia.

Seria 7000 – Aluminium-Cynk,

np: 7075, z cynkiem, jest tak mocny, że jest często używany w zastosowaniach lotniczych i wojskowych, gdzie wytrzymałość jest kluczem.

Skład: Głównie Al z 1-8% Zn oraz mniejszymi ilościami Mg, Cu i innych.

Właściwości:  
Kowalność: Umiarkowana. 
Wytrzymałość na rozciąganie: 300-700 MPa 
Granica plastyczności: 150-650 MPa
Współczynnik ściśliwości: Ok. 71 GPa 
Przewodnictwo: Dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne. 
Przewodność elektryczna: 21-29 MS/m 
Odporność: Umiarkowana odporność na korozję. 
Wytrzymałość mechaniczna: Wysoka, często stosowane w przemyśle lotniczym z uwagi na ich wytrzymałość. Spawalność: Umiarkowana do dobrej.
Obróbka skrawaniem: Dobra; ze względu na wyższą twardość może wymagać specjalnych narzędzi.
Toczenie: Dobre do bardzo dobre; chociaż cynk może wpłynąć na szybsze zużycie narzędzia.

Seria 8000 – Inne stopy:

To są różne stopy używane głównie do celów specjalnych, więc ich właściwości mogą się znacznie różnić.

Podsumowanie:

To, co wyróżnia aluminium, to jego niska waga, doskonałe właściwości mechaniczne, elektryczne i cieplne oraz zdolność do recyklingu. Odzyskiwane aluminium jest nie tylko ekonomicznie opłacalne, ale także ekologiczne, zużywając jedynie 5% energii potrzebnej do produkcji pierwotnej. 

Zarówno czyste aluminium, jak i jego stopy, są preferowane w wielu procesach obróbki ze względu na ich niską gęstość, plastyczność i zdolność do formowania. W obróbce skrawaniem, aluminium zachowuje się wyjątkowo dobrze, pozwalając na precyzyjne cięcie, frezowanie czy toczenie z minimalnym zużyciem narzędzi.

Aluminium, z jego bogatą paletą stopów i niezwykłymi właściwościami, jest kamieniem węgielnym współczesnego przemysłu. Jego zdolność do ponownego przetworzenia czyni go jednym z najbardziej zrównoważonych materiałów. W miarę rozwoju technologii i zwiększania się zapotrzebowania na lekkie, wytrzymałe i odnawialne materiały, aluminium prawdopodobnie będzie odgrywać jeszcze ważniejszą rolę w przyszłości globalnej inżynierii i projektowania.

Zapraszamy do zapoznania się z ofertą Tombig na stronie tombig.com.pl/produkty