Applying geoscience to Australia’s most important challenges

Introduction

Aluminium jest wszędzie wokół Ciebie – od przedmiotów codziennego użytku, takich jak puszka napoju bezalkoholowego, po samoloty latające nad głową. Aluminium jest jednym z najbardziej użytecznych materiałów znanych człowiekowi. Można go stopić (zmieszać) z prawie każdym innym metalem, aby stworzyć materiały o użytecznych właściwościach. Metale stopowe z aluminium są bardzo mocne, a jednocześnie lekkie i odporne na rdzewienie.

Po tlenie i krzemie, aluminium jest trzecim najbardziej obfitym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (8,2%) i zdecydowanie najbardziej obfitym metalem. W przeciwieństwie do metali takich jak miedź, złoto, ołów, żelazo i cynk, które są używane przez ludzi od tysięcy lat, aluminium jest w powszechnym użyciu dopiero od nieco ponad 100 lat. Wynika to z faktu, że aluminium nigdy nie występuje w naturze w stanie czystym. Tak więc, podczas gdy ludzie wiedzieli o związkach aluminium, dopiero pod koniec XIX wieku odkryli, jak wydobywać aluminium jako metal.

Aluminium może być wydobywane (nieekonomicznie) z niektórych glin, ale najbardziej powszechną rudą aluminium jest materiał zwany boksytem. Najpierw ruda aluminium musi zostać wydobyta, następnie boksyt jest rafinowany na tlenek glinu. Duże ilości energii elektrycznej są używane do wytapiania tlenku glinu w aluminium.

Właściwości

Aluminium jest metalem o srebrzystym kolorze, który nigdy nie występuje samodzielnie w przyrodzie. Jest bardzo lekkie (około jednej trzeciej wagi miedzi), a jednocześnie mocne; niektóre stopy są nawet mocniejsze od stali. Aluminium jest zarówno plastyczne (może być wyciskane), jak i ciągliwe (może być bite i ciągnięte w drut). Aluminium jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Jest również bardzo odporne na rdzę i jest nietoksyczne. Aluminium może być stopione z prawie każdym innym metalem. Aluminium jest łatwopalne, niemagnetyczne i nie iskrzące. These properties have made it an important metal in the modern world. As aluminium is such a reactive metal, you might think it would rust badly and therefore be useless. However, pure aluminium reacts very quickly with air or water to form a thin, almost invisible layer of aluminium oxide on its surface, which then acts as a protective coating preventing any further 'rusting’.

The Properties of Aluminium
Chemical symbol	Al – from the Roman word Alumen – the word for the aluminium-potassium compound alum
Ore	Bauxite
Relative density	2.7 g/cm3
Hardness	2.75 on Mohs scale
Malleability	High
Ductility	High
Melting point	660°C
Boiling Point	2470°C

Uses

Aluminium is smelted from alumina which is refined from bauxite ore. All three products have a number of uses.

More than 90% of the world’s bauxite production is used to make alumina with most of the remaining 10% used by the abrasive, refractory and chemical industries. Bauxite is also used in the production of high-alumina cement, as an absorbent or catalyst by the oil industry, in welding rod coatings and as a flux in making steel and ferroalloys.

Alumina’s primary use is as feedstock for aluminium smelters, however it is also used for other industrial purposes. It is used in glass, porcelain and in metallic paints, such as those sprayed on cars. Stosuje się go również do produkcji izolatorów świec zapłonowych, jako składnik paliwa do stałych boosterów rakietowych, wypełniacz do tworzyw sztucznych, materiał ścierny (jest tańszy od diamentu przemysłowego) oraz w rafineriach metali, gdzie służy do przekształcania toksycznych gazów odlotowych siarkowodoru w siarkę elementarną.

Aluminium występujące w stanie naturalnym, krystalicznym, określane jest jako minerał korund. Czasami kryształy korundu są zanieczyszczone śladowymi ilościami chromu, żelaza, tytanu, miedzi lub magnezu. Takie kryształy nazywamy rubinami i szafirami.

Po żelazie i stali, aluminium jest najczęściej używanym metalem na Ziemi. Jest ono często łączone z miedzią, cynkiem, magnezem, manganem lub krzemem, a dodatek niewielkich ilości cyrkonu, hafnu lub skandu do tych stopów znacznie poprawia ich wytrzymałość. Samo aluminium ma szeroki zakres zastosowań, od specjalistycznych konstrukcji lotniczych po przedmioty codziennego użytku, takie jak noże i widelce. Niektóre z tych zastosowań są wymienione w poniższej tabeli.

Use	Description
Building and construction	Cladding, doors, window frames, awnings and bridge rails as aluminium is strong, light, easily shaped and resistant to rust.
Transport	Parts for cars, trucks, buses, aircraft, ships, rail and trams as aluminium is strong, light, easily shaped and resistant to rust.
Appliances	Fridges, washing machines, lawn mowers etc. due to its strength, malleability and rust resistance.
Heating and ventilation	Heating and cooling systems as aluminium is a good conductor of heat.
Packaging	Kitchen foil, packaging foil, cans and containers (worldwide, four out of every five drink cans are made of aluminium) as aluminium can be rolled into very thin sheets and is non-toxic.
Electrical and communications	Power transmission including towers, electrical conduits, superconductors, machinery and equipment, telephone cables and capacitors because of aluminium’s ability to conduct electricity.
Other	Utensils (cutlery, pans), industrial machinery, chemical industry, production of steel, antiperspirants, furniture, reflectors in telescopes, making high octane petrol, road signs, antacids and jewellery due to its many useful properties.

History

Around 5300 BC: The Persians made extra strong pots from clay containing aluminium oxide.

Around 2000 BC: The ancient Egyptians and Babylonians used potassium aluminium sulphate KAl(SO4)2 as a medicine to reduce bleeding. It was sourced from naturally occurring deposits in Greece and Turkey. The ancient Romans called this medical compound „alum”, which is where we get the modern day word and symbol from. Do dziś jest on używany do tamowania krwawienia.

Średniowiecze: Większość ałunu pochodziła z papieskiego terytorium Tolfa, ale cena drastycznie spadła, gdy na początku 1600 roku w Yorkshire odkryto duże złoże łupków ałunowych. Przez następne stulecia ałun był używany w dwóch głównych obszarach: jako środek konserwujący do papieru i jako środek utrwalający do farbowania tkanin.

1808: Anglik Sir Humphry Davy próbował wydobyć aluminium za pomocą elektrolizy. Nie udało mu się, ale ustalił jego istnienie i nadał mu swoją nazwę.

1821: Francuski geolog Pierre Berthier odkrył bogaty w aluminium materiał w pobliżu wsi Les Baux w Prowansji we Francji. Od nazwy miejscowości nazwano go boksytem.

1825: Hans Christian Oersted w Danii wyprodukował nieczyste aluminium poprzez ogrzewanie chlorku glinu z amalgamatem potasu.

1827: Niemiecki chemik Friedrich Wöhler wyodrębnił aluminium jako proszek poprzez reakcję potasu z bezwodnym chlorkiem glinu poprawiając proces Oersteda.

1855: Francuski chemik Henri Saint-Claire Deville zdołał uzyskać stałą sztabkę aluminium, używając sodu zamiast droższego potasu. Sztabka aluminium została uznana za tak cenną, że jeszcze w tym samym roku wystawiono ją obok francuskich klejnotów koronnych.

1886: Dwaj naukowcy na oddzielnych kontynentach (Charles Hall w Ameryce i Paul Heroult we Francji) niezależnie odkryli ekonomiczną metodę produkcji aluminium poprzez elektrolizę w stopionym kriolicie (fluorek glinowo-sodowy). Nawiasem mówiąc, obaj urodzili się w 1864 roku i obaj zmarli w 1914 roku.

1887: Austriacki chemik Karl Josef Bayer pracujący w Rosji opracował metodę pozyskiwania tlenku glinu z boksytu.

1888: Hall założył Pittsburgh Reduction Company (od 1907 r. znana jako Alcoa).

1890: Odkrycia Halla-Heroulta i Bayera spowodowały gwałtowny spadek ceny aluminium o 80%. W 1888 r. aluminium kosztowało 4,86 USD za funt. W 1893 r. kosztowało 0,78 USD za funt, a pod koniec lat 30. kosztowało zaledwie 0,20 USD za funt i miało ponad 2000 zastosowań.

1900: Wyprodukowano zaledwie 8000 ton aluminium, ale 100 lat później wyprodukowano 24,5 mln ton, a w 2016 roku szacuje się, że wyprodukowano 57,6 mln ton.

1911: Niemiecki chemik Alfred Wilm opracował ważne stopy aluminium, które były wystarczająco solidne do produkcji przedmiotów takich jak samoloty. Podczas II wojny światowej i wojny koreańskiej istniało duże zapotrzebowanie na aluminium, ponieważ samoloty były wcześniej wykonywane z drewna i tkanin.

1922: Wyprodukowano folię aluminiową.

1955: Pierwsza huta aluminium w Australii została otwarta w Bell Bay, Tasmania.

1958: Po raz pierwszy wyprodukowano aluminiowe puszki do napojów bezalkoholowych.

1961: Alcoa tworzy Alcoa of Australia.

1963: Alcoa of Australia otwiera pierwszą rafinerię tlenku glinu w Australii w Kwinana w Zachodniej Australii, a następnie Pinjarra w 1972 roku i Wagerup w 1984 roku.

Dzisiaj: W 2016 roku szacuje się, że wyprodukowano 57,6 mln ton Aluminium. Jest to więcej niż wszystkie inne metale nieżelazne razem wzięte. Australia wydobywa boksyt w Queensland, Australii Zachodniej, Terytorium Północnym i Tasmanii i jest największym na świecie producentem boksytów. Australia jest również światowym liderem w produkcji tlenku glinu i aluminium. Trzy rafinerie w Zachodniej Australii dostarczają 45% australijskiego tlenku glinu i 11% globalnej sumy, co czyni je największym pojedynczym źródłem tlenku glinu na świecie.

Formacja

Boksyt jest najbardziej rozpowszechnioną rudą aluminium. Boksyt występuje jako zwietrzała pokrywa lub koc, znany jako lateryt lub duricrust, nad różnymi skałami glinonośnymi. Powstaje, gdy duże ilości opadów wymywają bardziej mobilne pierwiastki ze skały macierzystej, pozostawiając stosunkowo nieruchome aluminium z pewną ilością krzemu, żelaza i tytanu. Ze względu na sposób powstawania, złoża boksytu mogą być bardzo rozległe i występują na prawie wszystkich kontynentach.

Głównymi minerałami glinu w boksytach są gibbsyt, boehmit i diaspora, która jest polimorfem (zmienną formą) boehmitu, ale jest gęstsza i twardsza. Czysty tlenek glinu (Al2O3) zawiera 52,9% glinu i 47,1% tlenu. Boksyt może być bardzo twardy lub miękki jak błoto i może występować jako zbita ziemia (zarówno krucha jak i wtórnie scementowana), małe kulki (pisolity) lub wydrążony, gałązkowy materiał (rurki). Jego kolory mogą być bufiaste, różowe, żółte, czerwone lub białe, lub dowolna ich kombinacja. Aluminium jest również obecne w wielu szlachetnych kamieniach szlachetnych, takich jak turkusy, rubiny, szafiry, szmaragdy, topazy, jadeity i akwamaryny.

Zasoby

Ruda boksytu zawiera wystarczająco wysoki poziom tlenków glinu i odpowiednio niski poziom tlenków żelaza (Fe2O3) i krzemionki (SiO2), aby być ekonomicznie opłacalną kopalnią. Ilość reaktywnej krzemionki jest szczególnie ważna, ponieważ ta forma krzemionki zużywa sodę kaustyczną potrzebną do produkcji tlenku glinu, dlatego pożądana jest niska zawartość reaktywnej krzemionki. Inne potencjalne źródła aluminium obejmują różne skały i minerały, takie jak gliniaste łupki i łupki, skały fosforanu glinu i wysokoglinowe gliny.

Największe na świecie ekonomiczne zasoby boksytów występują w Gwinei, Australii, Brazylii, Wietnamie i na Jamajce. W Australii boksyt wydobywa się z ustalonych operacji odkrywkowych w Weipa w Queensland, Gove w Terytorium Północnym i Darling Range w Australii Zachodniej. Ponadto niedawno rozpoczęto eksploatację nowych kopalń w regionie Cape York w Queensland i w środkowej Tasmanii. Inne złoża boksytów występują w północnej Australii Zachodniej, Nowej Południowej Walii i wschodnim Queensland, ale ich wydobycie jest obecnie nieopłacalne.

Australijskie rafinerie tlenku glinu znajdują się w Australii Zachodniej (Kwinana, Wagerup, Pinjarra i Worsely) i Queensland (QAL i Yarwun), a huty aluminium w Tasmanii (Bell Bay), Queensland (Boyne Island), Wiktorii (Portland) i Nowej Południowej Walii (Tomago). Chiny są największym na świecie konsumentem aluminium i pomimo dużej produkcji krajowej importują duże ilości tlenku glinu i surowego boksytu, co stanowi ponad 40% globalnej konsumpcji. Inne duże rynki aluminium to Stany Zjednoczone Ameryki, Japonia i Europa, ale te regiony posiadają niewiele ekonomicznych złóż boksytu i są również uzależnione od importu boksytu i tlenku glinu dla swoich rafinerii tlenku glinu i hut aluminium.

Dalsze informacje o zasobach i produkcji.

Górnictwo

Wydobycie aluminium odbywa się w trzech głównych etapach: wydobycie rudy boksytu, rafinacja rudy w celu odzyskania tlenku glinu i wytapianie tlenku glinu w celu wyprodukowania aluminium. Boksyt jest wydobywany metodami powierzchniowymi (odkrywkowymi), w których wierzchnia warstwa gleby i nadkład są usuwane przez buldożery i zgarniarki. Górna warstwa gleby jest następnie składowana, a po zakończeniu wydobycia wykorzystywana do rekultywacji i przywracania terenu do stanu pierwotnego. Znajdujący się pod spodem boksyt wydobywa się za pomocą ładowarek czołowych, łopat lub koparek hydraulicznych. Niektóre rudy boksytu są po prostu kruszone, suszone i przewożone. Inny boksyt jest poddawany obróbce po skruszeniu poprzez mycie w celu usunięcia części gliny, reaktywnej krzemionki i odpadów piasku, a następnie suszony w piecach obrotowych. Ruda jest ładowana na ciężarówki, wagony kolejowe lub przenośniki taśmowe i transportowana na statki lub do rafinerii.

W cyklu produkcji aluminium wiele czynników ma związek ze środowiskiem naturalnym, a znaczne środki przeznaczane są na minimalizowanie wpływu wydobycia, rafinacji i wytopu na otaczające środowisko. Przeprowadza się rekultywację kopalni, dokładając wszelkich starań, aby przywrócić teren do stanu co najmniej pierwotnego. Zachowuje się ostrożność przy obchodzeniu się z czerwonym błotem z rafinerii i jego usuwaniu. Błoto to jest zwykle pompowane do zapór, które są uszczelnione nieprzepuszczalnym materiałem, aby zapobiec zanieczyszczeniu okolicznych terenów.

Przetwarzanie

W prawie wszystkich komercyjnych operacjach, tlenek glinu jest wydobywany z boksytu w procesie rafinacji Bayera. Proces ten, odkryty przez Karla Josefa Bayera w 1888 r., składa się z czterech etapów.

Trawienie: drobno zmielony boksyt jest wprowadzany do ogrzewanego parą wodną urządzenia zwanego komorą fermentacyjną. Tutaj miesza się go, pod ciśnieniem, z gorącym roztworem sody kaustycznej. Tlenek glinu z boksytu (i reaktywna krzemionka) reaguje z sodą kaustyczną, tworząc roztwór glinianu sodu lub ługu zielonego i osad krzemianu glinowo-sodowego.

Klaryfikacja: ług zielony lub roztwór zawierający glin jest oddzielany od odpadów – nierozpuszczonych tlenków żelaza i krzemionki, które były częścią pierwotnego boksytu, a obecnie stanowią odpady piasku i czerwonego błota. Etap ten obejmuje trzy etapy: po pierwsze, gruboziarnisty piasek jest usuwany i płukany w celu odzyskania sody kaustycznej; po drugie, oddzielane jest czerwone błoto; i wreszcie pozostały zielony płyn jest przepompowywany przez filtry w celu usunięcia wszelkich pozostałych zanieczyszczeń. Piasek i błoto są pompowane razem do jezior pozostałości, a zielony ług jest pompowany do wymienników ciepła, gdzie jest schładzany z 1000°C do około 650-790°C.

Precypitacja: tlenek glinu jest wytrącany z ługu w postaci kryształów hydratu tlenku glinu. W tym celu roztwór ługu zielonego miesza się w wysokich naczyniach strącających z niewielką ilością drobnokrystalicznego tlenku glinu, co stymuluje wytrącanie stałego hydratu tlenku glinu w miarę chłodzenia roztworu. Po zakończeniu procesu stały hydrat tlenku glinu jest przekazywany do następnego etapu, a pozostała ciecz, która zawiera sodę kaustyczną i trochę tlenku glinu, wraca do komór fermentacyjnych.

Kalcynacja: hydrat tlenku glinu jest płukany w celu usunięcia resztek cieczy, a następnie suszony. Na koniec podgrzewa się go do temperatury około 1000°C, aby usunąć wodę krystalizacyjną, pozostawiając ałun – suchy, czysty, biały, piaszczysty materiał. Część tlenku glinu może być pozostawiona w formie hydratu lub dalej przetwarzana dla przemysłu chemicznego.

Aluminium jest przekształcane w aluminium w procesie wytapiania. Cała komercyjna produkcja aluminium opiera się na procesie wytapiania Halla-Héroulta, w którym aluminium i tlen w tlenku glinu są oddzielane w procesie elektrolizy. Elektroliza polega na przepuszczeniu prądu elektrycznego przez stopiony roztwór tlenku glinu i naturalnego lub syntetycznego kriolitu (fluorek glinu sodu). Stopiony roztwór znajduje się w naczyniach redukcyjnych, które od spodu wyłożone są węglem (katoda) i połączone w szereg elektryczny zwany potline. W górnej części każdego garnka znajdują się anody węglowe, których dno zanurzone jest w stopionym roztworze.

Przepływ prądu elektrycznego powoduje, że tlen z tlenku glinu łączy się z węglem anody, tworząc dwutlenek węgla. Pozostały stopiony metaliczny glin gromadzi się na katodzie na dnie naczynia. Okresowo jest ono odsysane i przekazywane do dużych pieców podtrzymujących. Zanieczyszczenia są usuwane, dodawane są składniki stopowe, a stopione aluminium jest odlewane do wlewków.

Proces wytapiania jest procesem ciągłym. W miarę zmniejszania się zawartości tlenku glinu w kąpieli kriolitowej dodaje się go coraz więcej. Ciepło wytwarzane podczas przepływu prądu elektrycznego utrzymuje kąpiel kriolitową w stanie stopionym tak, że rozpuszcza ona tlenek glinu. W procesie wytopu zużywa się bardzo dużo energii; do wyprodukowania jednej tony aluminium z około dwóch ton tlenku glinu potrzeba od 14 000 do 16 000 kilowatogodzin energii elektrycznej. Aluminium jest czasami nazywane „stałą energią elektryczną” ze względu na dużą ilość energii wykorzystywanej do jego produkcji. Dostępność taniej energii elektrycznej jest więc niezbędna dla ekonomicznej produkcji.

Wlewki aluminiowe są produkowane w różnych kształtach i rozmiarach w zależności od ich końcowego zastosowania. Mogą być one walcowane na płyty, arkusze, folie, pręty lub pręty. Mogą być ciągnięte na drut, który jest skręcany w kabel do elektrycznych linii przesyłowych. Prasy wytłaczają wlewki w setki różnych form użytkowych i dekoracyjnych lub zakłady produkcyjne mogą przekształcać je w duże formy konstrukcyjne.