SeyrüseferSeyir DefteriMalzeme Bilgisi → Alüminyum

Alüminyum

Seyir Defteri - Malzeme Bilgisi
Cuma, 09 Ağustos 2013

Alüminyum ElementiOksijen ve silikondan sonra yer kabuğunda en çok bulunan üçüncü element ve en çok bulunan metal olan alüminyum yer kabuğunun ağırlıkça ~%8,2'nin teşkil eder. Bununla birlikte çok tepkin bir metal olduğundan saf halde bulunamaz.

Alüminyumun (Al) yüzeyinde, oksijene (02) olan yüksek ilgisi sebebiyle, havanın teması sonucunda ince fakat yoğun bir oksit tabakası (Al2O3) teşekkül eder. Bu tabaka alüminyumu diğer etkilerden korur ancak bazı asitler, bazlar ve tuzlar bu tabakayı çözebilirler dolayısıyla alüminyum bu maddelere karşı dayanıklı değildir.

Alüminyum yer kabuğunda boksit, kaolinit, nefelin ve alunit adı verilen cevherlerin içinde oksitlenmiş (Al2O3) olarak bolca bulunan bir elementtir. Bu cevherlerin içinde alüminyum imalâtı için en önemli ham madde boksittir. Bu garip isim ise söz konusu cevherin bol bulunduğu Fransansaki Les Baux bölgesinden gelir. Boksitin muhteviyatı yaklaşık olarak şöyledir:

  • Al2O3; %55-60
  • Fe2O3; %28
  • SiO2; %7
  • H2O; %12-30

Diğer taraftan dünya üzerindeki konumlarına ve oluşumlarına göre boksitin içeriği de değişiklik gösterebilir. Ayrıca kaolinit ve nefelin'den de alüminyum üretilir.

Kaolinit;

  • Al2O3; %30-32
  • SiO2; %?
  • H2O; %?

Nefelin;

  • Al2O3; %30
  • SiO2; %40
  • Na2O + K2O; %20

Alüminyumun elde edilebilmesi için ilk safhada önce cevherin bütün yabancı maddelerden temizlenmesi gerekir. Bu işlem için 1888'de Avusturya'da geliştirilen ve Bayer adı verilen bir yöntem kullanılır. Bu yöntemde ufalanmış boksit cevheri 240oC'deki kızgın sodyumhidroksit (NaOH) ile işleme tabi tutularak alüminyumoksit ya da diğer adıyla alümina (Al2O3) suda çözülebilen sodyumalüminat (NaAlO2) haline dönüştürülür. Böylece süzme işlemi ile cevher içinde gelen diğer çözünmeyen maddeler demiroksit (Fe2O3) ve silisyumoksit (SiO2) ayrılabilir. Yüksek miktarda demir ihtiva eden bu artık kırmız çamur olarak adlandırılır. Bu işlem sırasında uygulanacak sıcaklık ve basınç kullanılan boksit cevherinin niteliğine göre ayarlanır.

Al2O3 x (z)H2O + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + (z+1)H2O

İkinci safhada elde edilen sodyumalüminat (NaAlO2) çözeltisi içinden alüminyum yaklaşık 50oC'de alüminyumhidroksit (Al(OH)3) halinde kristalize edilir, bu tepkimenin başlatılabilmesi için trihidrat Al2O3.3H2O kristallerinin çözeltiye ilave edilmesi gerekir. Daha sonra yıkanır ve döner dairesel fırınlarda tavlanır. Böylelikle yapıdaki su uzaklaştırılmış olur ve geriye saf alüminyumoksit (Al2O3) kalır. Bu tavlama ~400-600oC civarında yapılırsa kimyasal olarak aktif "gama alümina" ~1200oC'de yapılırsa asal "alfa alümina" elde edilir.

Üçüncü safhada ise saf alüminyumu üretebilmek için eritme elektrolizi adı verilen Herolult işlemi uygulanır.

Alüminyumun oksijene olan ilgisi karbona göre çok daha yüksektir. Bu nedenle karbon alüminyumu oksitinden ayıramaz. Bunu yapabilmek için gerekli enerji elektrik akımından alınır. Bu sebeple alüminyumun teknik olarak üretimi ancak Siemens tarafından dinamo makinasının  keşfi ile elektrik enerjisinin iktisatlı olarak üretilmeye başlanması mümkün olduktan sonra gerçekleşebilmiştir (1866) Bu tarihten önce saf alüminyum elde etmek o kadar zordu ki fiyatı altının yaklaşık iki katıydı!

Eritme elektrolizi için Al2O3 kimyasal bileşiğinin eritilmesi gerekir. Böylece bu bileşik iyonlarına ayrılır. İkinci işlem olarak sisteme doğru akım uygulanırsa (+) yüklü metal iyonları katoda hareket ederler ve buradan elektron alarak metal haline indirgenirler. Alüminyumoksitin çok yüksek bir erime noktasına sahip olması (2000oC'nin üzerinde!) nedeniyle 1896'da Heroult tarafında geliştirilen usûl büyük önem kazanmıştır.

Bu usûlde yüksek sıcaklıkta eriyen eriyen oksit ilk önce eritilmiş kriyolit içerisinde çözündürülmektedir. İşlem sırasında karışımı sıvı halde tutabilmek için 950oC civarında bir sıcaklık yeterli gelmektedir. Yaklaşık 5V'luk bir doğru akım uygulanınca Al2O3 parçalanırken kriyolit değişime uğramaz. Kriyolit bir sodyum alüminyum florür bileşiğidir; Na3AlF6

Bu usûl karbon astarlı banyo fırınlarında uygulanır. Eriyiğin içerisine anot olarak karbon bloklar daldırılır. Serbest kalan oksijen elektrotlardaki karbonu oksit halinde bağlar. alüminyum banyonun dibinde toplanır ve belirli aralıklarla olarak dışarıya pompalanır harcanan alüminyumoksit yerine de düzenli olarak olarak yenisi eklenir.

Alüminyum üretimi için gereken enerji harcaması yaklaşık 17 kWh/kg'dır ve bir kg çelik üretmek için gereken enerjinin yaklaşık üç katıdır. Bununla birlikte geri dönüşümü çok daha kolaydır ve yukarıda tarif edilen üretim yöntemi için gereken enerjinin sadece %5'i ile geri dönüşüm sağlanabilir. Elde edilen alüminyumun safiyeti %99,8 olup çeşitli şekilllerde dökülmesi amacıyla dengeleme fırınlarına doldurulur. Temel şekiller şunlardır;

  • Külçe; dökümhanelerde kullanılır
  • Küçük külçe; alaşım üretiminde kullanılır
  • Kütük; haddeleme sürekli presleme ve tel üretiminde kullanılır
  • Küçük parçacıklar; termit (alüminotermi) kaynağı için kullanılır
  • Toz; çeliğin deoksidasyonunda ve patlayıcılarda kullanılır.

Saf alüminyum paketleme malzemelerinde, mutfak ve ev aletlerinde, elektrik kablolarında, akım raylarında, serbest iletkenlerde, kondansatörlerde, kablo kılıflarında , yüksek sıcaklıkta eriyen metallerde indirgeme malzemesi olarak, alüminyum alaşımlarında kaplama malzemesi olarak  vesaire kullanılır. Saf alüminyum iki farklı saflık derecesinde üretilir; ticari saflık ve çok yüksek saflık.

Gemi mühendisliği açısından ele alındığında ise alüminyum saf olarak değil ihtiyaca göre elde edilmiş alüminyum alaşımları olarak kullanılmaktadır.

Saf alüminyumun bazı temel nitelikleri şöyledir;

Yoğunluk: 2,702 kg/dm3
Atom Ağırlığı: 26.981 g/mol
Erime Noktası: 660.3oC
Kaynama Noktası: 2466.8oC
Elektron: 13
Proton: 13
1 kg saf alüminyum: ~160$

Yaftalar:

♦ Kaynaklar

1. Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, 1967 (1984), Wolfgang Weissbach
2. Aluminium and It's Alloys, 2007, Tapany Udomphol, Suranaree University of Technology
3. http://www.chemicool.com/
 







Telif Hakkı © 1997-2018 [uskudar.biz] - sürüm 5.5.1 - Bütün Hakları Saklıdır. Kullanım şartları için tıklayın!
Joomla! GNU/GPL lisansı altında özgür bir yazılımdır.