アルミニウムは最初にボーキサイト鉱石から抽出され、次に精錬されて純粋なアルミニウム金属が生成されます。
アルミニウム化合物は、何千年もの間その有用性を証明してきました。ペルシャ帝国の時代から、ペルシャの陶芸家が酸化アルミニウムを含む粘土から最も頑丈な器を作っていました.古代エジプト人とバビロニア人は、布地の染料、化粧品、医薬品にアルミニウム化合物を使用していました。しかし、アルミニウムが元素として特定され、純粋な金属として分離されたのは、19 世紀初頭のことでした。天然化合物からアルミニウムを抽出することの難しさは、金属を何年もの間希少に保ちました。発見から半世紀が経った今でも、銀と同じくらい希少で価値のあるものでした。金属の歴史についてもう少し理解できたので、この金属の特性と、アルミニウムを作るために必要な原材料を見てみましょう.
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特性と原材料
アルミニウムは地球の地殻で 3 番目に豊富な元素であり、地球の土壌と岩石の 8% を占めています。自然界では、アルミニウムは、硫黄、シリコン、酸素などの他の元素との化合物にのみ含まれています。アルミニウムを有利に採掘できる唯一の場所は、アルミニウム鉱石の形です。金属アルミニウムには、軽量、耐久性、非磁性、非毒性など、多くの特性があります。熱と電気を伝導し、熱と光を反射します。安定していますが加工しやすく、極端な寒さでも脆くなることなく強度を保ちます。アルミニウムの表面は急速に酸化して目に見えないバリアを形成し、腐食を防ぎます。さらに、アルミニウムは効率的に生産でき、新しい製品に経済的にリサイクルできます。
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アルミニウム化合物はあらゆる種類の粘土に含まれていますが、純粋なアルミニウムを生産するのに最も役立つ鉱石はボーキサイトです .ボーキサイトは、45 ～ 60% の酸化アルミニウムと、砂、鉄、その他の金属などのさまざまな不純物で構成されています。一部のボーキサイト鉱床は固い岩ですが、ほとんどは比較的柔らかい土で構成されており、露天掘り鉱山から簡単に掘り出すことができます。オーストラリアは、世界のボーキサイト供給量の 3 分の 1 以上を生産しています。 0.5kgのアルミニウム金属を生産するには、約2kgのボーキサイトが必要です。苛性ソーダ (水酸化ナトリウム) を使用して、ボーキサイトに含まれるアルミニウム化合物を溶解し、それらを不純物から分離します。ボーキサイト鉱石の組成に応じて、比較的少量の他の化学物質が抽出プロセスで使用される場合があります。アルミニウムは次の 2 つの段階で製造されます。バイエル プロセス 酸化アルミニウムを得るためにボーキサイト鉱石を精製する方法、および Hall-Heroult プロセス 酸化アルミニウムを精錬して純粋なアルミニウムを放出します。これら 2 つの方法を詳しく見てみましょう。
バイエル プロセス
最初に、ボーキサイト鉱石が得られ、次に機械的に破砕されます。破砕した鉱石を苛性ソーダと混ぜて粉砕機にかけ、鉱石を含むスラリーにします。その後、スラリーは蒸解缶にポンプで送られます。消化槽は、圧力鍋のように機能する大きなタンクです。スラリーを３４０ｋＰａの圧力で１１０～２７０℃に加熱する。これらの条件は、30分から数時間の範囲の時間維持されます。すべてのアルミニウム含有化合物が確実に溶解するように、追加の苛性ソーダを追加することができます。アルミン酸ナトリウム溶液になった高温のスラリーは一連のフラッシュ タンクを通過し、圧力を下げて熱を回収し、精製プロセスで再利用できます。
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次に、スラリーを沈降タンクにポンプで送ります。このタンクにスラリーが溜まっていると、苛性ソーダに溶解しない不純物が容器の底に沈殿します。タンクの底に溜まる残留物（「赤泥」と呼ばれる）は、細かい砂、酸化鉄、チタンなどの微量元素の酸化物で構成されています。不純物が落ち着いた後、コーヒーのように見える残りの液体は、一連の布フィルターにポンプで送られます。フィルタは、溶液中に残っている不純物の微粒子を捕捉します。これを洗浄してアルミナや苛性ソーダを回収し、再利用します。ろ過された液体は、一連の 6 階建ての高さの沈殿タンクにポンプで送られます。アルミナ水和物（水分子に結合したアルミナ）の種結晶は、各タンクの上部から添加されます。種結晶は、液体を通して沈降するにつれて成長し、溶解したアルミナがそれらに付着します。結晶が沈殿してタンクの底に沈み、そこで除去されます。洗浄後、焼成（アルミナ分子に化学的に結合している水分子を放出するための加熱）のためにキルンに移されます。スクリューコンベアは、結晶の連続的な流れを回転する円筒形キルンに移動させます。このキルンは、重力によって材料が移動できるように傾斜しています。 1,100° C の温度で水分子が除去され、無水 (水のない) アルミナ結晶が残ります。窯から出た後、結晶はクーラーを通過します。
Hall-Heroult プロセス
アルミナの金属アルミニウムへの製錬は、還元ポットと呼ばれるスチール バットで行われます。ポットの底には、システムの 1 つの電極として機能するカーボンが並んでいます。反対側の電極は、ポットの上に吊り下げられた一連のカーボンロッドで構成されています。それらは電解質溶液に沈められ、鍋の床に蓄積する溶融アルミニウムの表面から約 3.8 cm 上に保持されます。リダクション ポットは、電気回路を形成するために直列に接続された 50 ～ 200 個のポットからなる列のポット ラインに配置されます。各ポットラインは、年間 60,000 ～ 100,000 トンのアルミニウムを生産できます。典型的な製錬プラントは、2 つまたは 3 つのポットラインで構成されています。還元ポット内では、アルミナ結晶が溶融氷晶石に 960 ～ 970 °C の温度で溶解されて電解質溶液が形成され、これが炭素棒からポットの炭素で裏打ちされたベッドに電気を伝導します。溶液に 4 ～ 6 ボルト、100,000 ～ 230,000 アンペアの直流電流を流します。結果として生じる反応は、アルミナ分子内のアルミニウム原子と酸素原子の間の結合を切断します。放出された酸素は炭素棒に引き付けられ、そこで二酸化炭素を形成します。解放されたアルミニウム原子は、溶融金属として鍋の底に沈みます。
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製錬プロセスは連続的なプロセスであり、分解された化合物を置き換えるために、より多くのアルミナが氷晶石溶液に追加されます。このようにして一定の電流が維持される。下部電極での電気の流れによって発生する熱は、ポットの内容物を液体状態に保ちますが、溶融電解質の上にクラストが形成される傾向があります。定期的にクラストを壊して、加工用のアルミナを追加できるようにします。純粋な溶融アルミニウムが鍋の底に溜まり、徐々に吸い上げられます。ポットは 1 日 24 時間、週 7 日稼働しています。るつぼがポットラインを下って移動し、純度 99.8% の 4,000 kg の溶融アルミニウムが収集されます。その後、金属は保持炉に移され、インゴットとして鋳造されます。一般的な技法の 1 つは、溶けたアルミニウムを横長の型に流し込むことです。金属が金型内を移動する際に、外側が水で冷却され、アルミニウムが凝固します。中実のシャフトは、金型の遠端から出てきます。ここで、適切な間隔で切断され、目的の長さのインゴットが形成されます。製錬プロセス自体と同様に、この鋳造プロセスも連続しています。その後、アルミニウムは収集され、個々の製造目的のためにさまざまな市場関係者に出荷されます。
