صناعة الألومنيوم

مصادر الألومنيوم

تحتوي معظم المعادن والصَّخور والتربة على الألومنيوم، إلا أنه يمكن تصنيع الألومنيوم بتكلفة منخفضة من خام البوكسيت فقط. ويطلق لفظ البوكسيت على أي معدن خام يحتوي على كميات كبيرة من هيدروكسيد الألومنيوم، وهو مرَكَّب مُكَوَّن من أكسيد الألومنيوم والماء ورمزه الكيميائي Al(OH)3 ويُستخرج الألومنيوم من مُركَب أكسيد الألومنيوم الذي يطلق عليه أيضًا اسم ألومينا. ومعظم البوكسيت يتكون من 30% إلى 60% ألومينا ومن 12 إلى 30% ماء. وبالإضافة لذلك يحتوي البوكسيت على أكسيد الحديد والسليكا وأكسيد التيتانيوم. ويتوقف لون البوكسيت على كمية أكسيد الحديد الذي يحويه المعدن الخام، وكلما زادت نسبة أكسيد الحديد بالمعدن الخام زاد اللَّون الدَّاكن فيه. وقد يكون لون البوكسيت أبيض أو كلون القشدة أو يكون رماديًا أو قرنفليًا أو أصفر أو أحمر أو بنيًّا. ومعظم أنواع البوكسيت صُلبة مثل الصُّخور، إلا أنّ بعضها يكون لينًا مثل الصلصال. وتوجد أغنى رواسب البوكسيت في المناطق الاستوائية، والمناطق القريبة منها. وأهم الدول التي يوجد بها مناجم للبوكسيت أستراليا وغينيا وجامايكا والبرازيل. وتوجد معظم رواسب البوكسيت قرب سطح الأرض، ويتم استخراجها من المناجم بطريقة التَّعدين المكشوف. وفي هذه الطريقة تقوم الجرافات وآلات كشط سطح التربة بإزالة العوائق السطحية التي تشمل التربة والصخور والأشجار التي تغطي رواسب خام البوكسيت. وبعد ذلك يتم تفكيك المعدن الخام عن طريق المتفجرات، كما تقوم شُوَك قوية وعملاقة بكشط البوكسيت وتحميله فوق عربات النقل أو عربات السكك الحديدية تمهيدًا لنقله إلى وحدات تصنيعه. وفي وحدات التصنيع، يتم تكسير البوكسيت وغسله لإزالة الطين والمواد الغريبة العالقة. ثم تتم عملية إزالة بعض الماء الموجود في البوكسيت بتسخينه في قمائن (أفران)، وبعد ذلك يطحن البوكسيت إلى مسحوق وينقل إلى مصانع التنقية حيث يتم تحويله إلى ألومنيوم.

كيف يتم تصنيع الألومنيوم

هناك خطوتان أساسيتان لتصنيع الألومنيوم :

1. تنقية البوكسيت للحصول على الألومينا.
2. تنقية الألومينا بالصَّهر للحصول على الألومنيوم.

وبعد التنقية بالصهر يتم صب الألومنيوم المنصهر في قوالب أو في صور أخرى. ويتم بعد ذلك تحويله إلى المنتجات النهائية. ويُستخدم ما بين 1,8 إلى 2,7 كجم من البوكسيت لإنتاج 0,5 كجم من الألومنيوم.

تنقية البوكسيت. وفيها يتمُّ فصل الألومينا الموجودة في المعدن الخام عن أكسيد الحديد والسليكا وأكسيد التيتانيوم. ويستخدم منتجو الألومنيوم طريقة باير لفصل الألومينا. وقد اخترع هذه الطريقة العالم النمساوي كارل جوزيف باير عام 1888م. ويبدأ منتجو الألومنيوم طريقة باير بخلط مسحوق البوكسيت بمحلول الصودا الكاوية (هيدروكسيد الصوديوم). وتقوم آلات خاصة بِضَخ المخلوط إلى صهاريج كبيرة تسمى وحدات الهضم. وفي الهاضمات يتم تسخين الخليط تحت ضغط في درجة حرارة تتراوح ما بين 150°م و250°م لمدة 30 دقيقة. وتسبب الحرار ة والضغط ذوبان الألومينا في هيدروكسيد الصوديوم وتكوين محلول من ألومينات الصوديوم. تتبقى المواد الأخرى في البوكسيت على هيئة صلبة تسمى الطين الأحمر نظرًا للونها الأحمر. ويمر محلول ألومينات الصوديوم ومعه الطين الأحمر خلال مجموعة من الصهاريج التي تحتوي على مرشحات من القُماش لفصل المحلول عن المادة الصُّلبة، ثم يتم استبعاد الطين الأحمر، ويبرد محلول ألومينات الصوديوم ويرسل إلى صهاريج أخرى تُسمى المُرسِّبات. وهناك تضاف بلورات من هيدروكسيد الألومنيوم إلى محلول ألومينات الصوديوم الذي يتم رجُّه (تقليبه) لعدة أيام. وتسبب هذه المرحلة ترسيب معظم الألومينا الموجودة في المحلول وتجمعها على سطح البلورات. وبعد ترسيب الألومينا يتمُّ ترشيح المحلول لفصل البلورات عن المحلول. وتغسل البلورات لإزالة أي شوائب عالقة، ثم تسخن إلى درجة حرارة 100,1 200,1°م. وتعمل الحرارة على طرد الماء من هيدروكسيد الألومنيوم وتترك بلورات بيضاء دقيقة من مسحوق الألومينا. تتركب الألومينا من الألومنيوم والأكسجين. ولاسترجاع الألومنيوم من المحلول، يُعيدُ المصنِّعون تنقية المحلول بإضافة كمية جديدة من البوكسيت وهيدروكسيد الصوديوم. وقد تُضاف كميات صغيرة من الجير (أكسيد الكالسيوم) ورماد الصودا (كربونات الصوديوم غير المائية).

صَهْر الألومينا.

يَتِمُّ فيه فصل الألومنيوم الموجود في مسحوق الألومينا عن الأكسجين. وتتم عملية الصهر باستخدام طريقة هال هيرولت. وقد استنبط هذه الطريقة سنة 1886م اثنان من العلماء،كُلٌّ بمفرده. وهذان العالمان هما العالم الأمريكي تشارلز مارتن هال والفرنسي بول.ل. ت. هيرولت.

ويبدأ منتجو الألومنيوم استخدام طريقة هال هيرولت بإذابة الألومينا في مغطس كيميائي يتركَّب أساسًا من الكريوليت (فلوريد الصوديوم والألومنيوم). يوجد أيضًا في هذا المغطس الكيميائي كميات صغيرة من فلوريد الألومنيوم وفلوريد الكالسيوم. ويوضع هذا المغطس الكيميائي في حوض كبير مستطيل من الصُّلب ويسخن حتى درجة 950°م. وتسمى أحواض الصُّلب هذه خلايا أو أحواضًا، وهي مبطنة من الداخل بالكربون. وفي مرحلة تالية تسمى الاختزال بالتحليل الكهربائي يُعَلَّق لوح أو أكثر من الكربون داخل كل حوض ثم تُرسل شحنات كهربائية خلال المغطس الكيميائي من البطارية. ويسري التيار الكهربائي إلى الكربون المبطن للحوض الصُّلب مكملاً الدائرة الكهربائية. وتعمل ألواح الكربون عمل الأنود أو القطب الموجب من الدائرة الكهربائية بينما يعمل الغلاف الكربوني للحوض عمل الكاثود أو القطب السَّالب. وخلال مرور التيار الكهربائي في الخليَّة تتحلل الألومينا إلى مكوناتها. ويتحد عنصر الأكسجين في الألومينا مع الكربون في الأنود ويعطي غاز ثاني أكسيد الكربون. ويتجمع الألومنيوم على الكاثود في قاع الخلية. يوجد في مصنع الألومنيوم عدد من الخلايا قد يصل إلى 200 خلية تحليل كهربائي متصلة بعضها ببعض في صف طويل يُسمى خط الخلايا الكهربائية. ويستمر اختزال الألومينا إلى ألومنيوم في الخلايا بصفة مستمرة. وتضاف الألومينا إلى الخلايا بانتظام، ويعمل التيار الكهربائي على احتفاظ المغطس الكيميائي داخل الخلية بدرجة الحرارة المناسبة. ويمكن للخلية الكهربائية الكبيرة جدًا أن تنتج حوالي 1,8 طنًا متريًا من الألومنيوم يوميًا.

صَبُّ الألومنيوم المنصهر.

يتم سحب الألومنيوم السائل من خط الخلايا مرة واحدة في اليوم تقريبًا وتُفَرَّغ في أوعية خاصَّة تسمى بوتقات.تحمل كل بوتقة من 1,6 إلى 3,6 طن متري من الألومنيوم. ويتم صَبُّ معظم الألومنيوم في ألواح تُسمى صبّات.ويوجد نوعان من الصَّبات: 1 صبات التصنيع. 2 صبات المسابك. كما يتم صب الألومنيوم أيضًا في أشكال أخرى تسمى الكتل.

صبات التصنيع أو صبات الدلفنة يستخدمها منتجو الألومنيوم لتصنيع شرائط وألواح ورقائق. وقد تكون الصَّبَّة بطول تسعة أمتار وعرض 1,8مترًا وسمك 0,6 متر وقد تزن 16 طنًا متريًا. ولصنع صبَّة التَّصنيع فإنّ المنتجين يصنعون سبائك الألومنيوم أثناء إعداد هذه الصَّبات، وذلك بإضافة فلزات أخرى إلى الألومنيوم المنصهر في الفرن، حيث يتم تنقية خليط الفلزات معًا. ويمكن أيضًا إضافة الألومنيوم المستعمل أو الألومنيوم المعاد تصنيعه. تتضمن عملية التنقية التي تسمى أيضًا عملية الصَّهر إمرار غاز النيتروجين أو بعض الغازات الأخرى خلال السَّائل المنصهر عن طريق مضخات. وتؤدي هذه الغازات إلى طفو الشَّوائب على السَّطح، حيث يتم كشطها والتخلص منها. وتحدث بعض التفاعلات الكيميائية أثناء عملية الصَّهر، وتؤدي هذه التفاعلات إلى احتجاز بعض من غاز الهيدروجين داخل السَّائل المنصهر. وفي مرحلة أخرى من مراحل التَّصنيع تُسمى مرحلة إزالة الغازات، يضاف غاز الكلور أو بعض الغازات الأخرى إلى السائل المنصهر لإزالة الهيدروجين. وبعد الانتهاء من عملية الصَّهر وإزالة الغازات، يتم صبُّ سبائك الألومنيوم المنصهر في صبَّات، عادة بطريقة التبريد المباشر. وفي هذه الطريقة وبعد صب السبيكة في القالب، يَتَعَرَّض القالب لتيار من الماء البارد. ويعمل الماء البارد على سرعة تبريد السبيكة وتقويتها. وتسمى أيضًا صبات السبائك أو صبات إعادة الصهر وتزن من 1,8 إلى 23 كجم. وفي معظم الأحوال يتم صب الألومنيوم المنصهر من البوتقة مباشرة إلي قوالب التشكيل، حيث يُتْرَك لِيَبْرد ويَتَصلَّب تدريجيًا. ويبيع منتجو الألومنيوم صبَّات المسابك مباشرة إلى مصانع تُسمى المسابك. وفي هذه المسابك يُعاد صهر الصبات مع الألومنيوم المستعمل والألومنيوم المعاد تصنيعه كما تجرى عمليات السبك والصَّهر وإزالة الغازات. وتتم إعادة تشكيل سبائك الألومنيوم على شكل أجزاء للاستخدام العملي في السيارات والمنتجات الأخرى. كتل الألومنيوم تصنع إما في أشكال مستطيلة أو في شكل أعمدة رفيعة. ويتم تصنيعها بالطريقة التي تصنع بها صبات التصنيع. ويُصنع منها كتل مستطيلة الشكل وقضبان وأجزاء آلات أخرى متعددة. وتشبه القضبان الكتل المستطيلة الصغيرة من حيث الشكل،كما يمكن لهذه القضبان أيضًا أن تكون سداسية أو ثمانية الأضلاع، وتشبه القضبان شكل أعمدة الكُتَل الصغيرة. كما يتم تحويل القضبان والأعمدة إلى أنابيب وأسلاك وعدد من المنتجات الأخرى.

كيفية تَشكيل الألومنيوم وصقله يمكن تشكيل صبات وكتل الألومنيوم بأي طريقة من طرق تشكيل الفلزات. وتشمل هذه العمليات:

# الدَّلفنة.
# الصَّب.
# الكبس.
# السَّحب.
# الطرق.
# التًَّشكيل الآلي.

وبعد الانتهاء من تشكيل الألومنيوم، يُمكن صقله بعدَّة وحدات صقل.

الدَّلفَنَة.

تشمل الدلفنة خفض سُمك صبات المسابك بكبسها بين أزواج من المدلفنات الثقيلة ويتم تسخين الصَّبات ثم دلفنتها حتى يصبح سمكها ما بين 2,5 إلى 6,7سم. وبعد تبريد الألومنيوم يتمُّ إعادة دلفنته لتكوين ألواح أو شرائط أو رقائق، حيث يبلغ سمك ألواح الألومنيوم 6,4 مم أو أكثر، وتستخدم هذه الألواح في صناعة أشياء مثل عربات السكك الحديدية والسفن وصهاريج التَّخزين.

أما شرائط الألومنيوم فسمكها يتراوح ما بين 0,15 و6,4 ملم. وتستخدم هذه الشرائط لصناعة الطبقة الخارجية من الطائرات وفي صناعة أشياء أخرى مثل مظلات النوافذ وأواني الطبخ. ولهذه الشرائط استخدامات عديدة في المنازل خاصة في طبخ وتغليف الأغذية. ويمكن أيضًا استخدام الدَّلفنة لتشكيل كتل الألومنيوم على شكل قضبان أو أعمدة.

الصب.

وهو العملية التي يتم فيها صهر سبائك الألومنيوم بعد صبها في قوالب بالشكل المطلوب. ويتم إزالة قوالب التشكيل بعد أن يتصَلَّب الألومنيوم. وتستخدم طريقة الصَّب لتصنيع أجزاء من أدوات خاصة مثل قاع المكاوي الكهربائية أو أيادي الجاروف. انظر:

الكبس.

وهو العملية التي يتم فيها دفع الكتلة المسخنة من الألومنيوم من خلال فتحة في أداة تسمى قالب التشكيل. ويوجد مكبس في أحد طرفي الأُسطوانة، يَدفَعُ الكتلة المُسَخَّنة خلال فتحة القالب في الطرف الآخر من الأسطوانة. ويكون الألومنيوم الخارج بنفس شكل فتحات القالب.

وتستخدم طريقة الكبس، لإنتاج الأعمدة والمواسير ووحدات الزَّخرفة في السيارات وكذلك الإطارات الخارجية للنوافذ والأبواب.

السَّحب. وهو العملية المستخدمة لإنتاج أسلاك الألومنيوم ومواسيره. ولتصنيع الأسلاك فإنَّ عمودًا من الألومنيوم يتم سحبه خلال سلسلة من القوالب المثقوبة المتدرجة في الصغر. ويصبح العمود سلكًا عندما يصل قطره إلى أقل من 5,9 ملم. أما المواسير فيتم تصنيعها بسحب عمود الألومنيوم خلال قالب واحد، حيث يمتد خلال مركز القالب عمود من الصلب يسمى ممسك العدة ويقوم بتفريغ العمود من الداخل وتحويله إلى ماسورة. أمّا طريقة السحب العميق، فإنّها تُستخدَم لتحويل الألومنيوم إلى علب للمشروبات أو براميل أو أُصُصُ لزرع النبات. وفي هذه الطريقة يقوم مكبس بضغط ألواح الألومنيوم أو شرائط الألومنيوم من خلال فجوة فتشكلها بالشكل المطلوب.

الطرق.

وهو العملية التي يتم فيها تسخين صبات الألومنيوم أو الألواح، ثم طرقها أو كبسها لتحويلها إلي الشكل المرغوب. وتقوم مطارق خاصة أو مكابس خاصة بإنتاج الأجزاء الشديدة القوة المستخدمة في أجهزة الهبوط في الطائرات والعربات والعِدَد ووحدات أخرى عديدة. 

التشكيل الآلي.

يمكن تشكيل الألومنيوم بالعديد من آلات التَّشكيل التي تشمل المِثقاب والمِسن والمِنشار والمقص. وتقوم هذه الآلات بتشكيل قضبان وأعمدة الألومنيوم إلى مسامير برشام ومسامير قلاووظ والعديد من الأشياء الصغيرة الأخرى.كما يمكن أيضًا استخدام التشكيل الآلي، لإضافة اللمسات النهائية لمنتجات تم إعدادها سابقًا عن طريق الصب والطرق.

طرق تشكيل أخرى.

ويتم عن طريقها إنتاج ألومنيوم في صور مثل المساحيق والعجائن. وفيها يكون الألومنيوم في صورة حبيبات ناعمة جدًا من الألومنيوم. ويستخدم مسحوق الألومنيوم في منتجات مثل المتفجرات والأحبار. أما عجائن الألومنيوم ففيها يتم استخدام الألومنيوم في الدهان الفلزي النهائي للسيارات.

ويستخدم مسحوق الألومنيوم كذلك لإنتاج أجهزة نقل الحركة وأجزاء صغيرة أخرى عن طريق عملية تشكيل خاصة تُسمّى تعدين المساحيق. ويتم في هذه الطريقة كبس مسحوق الألومنيوم إلى الشكل المطلوب ثم تسخينه لربط الجسيمات معًا. ويمكن إضافة مساحيق لفلزات أخرى وخلطها مع مسحوق الألومنيوم. بعد ذلك يتمُّ تشكيل الناتج النهائي باستخدام الطرق أو أي طريقة أخرى من طرق التشكيل. انظر: تعدين المساحيق.

صقل الألومنيوم.

يتميز الألومنيوم بمظهره الطبيعي الجذاب، وعادةً ما تُستخدم بعض عمليات الصَّقل لأغراض الزينة أو لزيادة مقاومة الألومنيوم للصدأ والتآكل. وتوجد أربع طرق لصقل الألومنيوم، وهذه الطرق هي:

1. الطريقة الميكانيكية.
2. الطريقة الكيميائية.
3. الطريقة الإلكتروكيميائية.
4. الطريقة التطبيقية.

الصَّقل الميكانيكي يشمل عمليات مثل الإظهار والتلميع. وفي عملية الإظهار يتم صناعة بروزات في ألواح الألومنيوم عن طريق إمرارها بين أُسطوانات عليها حُفر وفق التصميم المطلوب. وفي عملية التلميع بالبراميل الدَّوَّارة يتم تلميع وحدات الألومنيوم عن طريق براميل عليها مادة حاكة (أو خشنة) تدور أو تتحرك بحركة ترددية. الصَّقل الكيميائي يشمل حفَّارات حمضية أوقاعدية تزيل شكلاً أو رسومات مُعيَنَّة عن الألومنيوم. وتستخدم أيضًا الحفَّارات الحمضية لإزالة البقع من على سطح الألومنيوم لإعداده لعمليات صقل أخرى. والحفَّارات القلوية تُستخدم لإعطاء الألومنيوم الشكل النهائي المُفضَّل. الصَّقل الإلكتروكيميائي يشمل المعالجة بالأنودة والطلاء الكهربائي. والطلاء بالأنودة يزيد السُّمك الطبيعي لطبقة أكسيد الألومنيوم، وبالتالي يزيد المقاومة للتآكل والخدش والبلى. كما أنه يزيد من سهولة صبغ الألومنيوم أو تلوينه بألوان عديدة مختلفة. فالطلاء الكهربائي، يشمل تغطية الألومنيوم بفلز آخر، وتؤدي هذه التغطية بالفلزات الأخرى إلى زيادة مقاومة الألومنيوم للتآكل والتوصيل الكهربائي وغير ذلك من الصِّفات الأخرى المهمة للألومنيوم. الصقل التطبيقي يشمل التغطية بمواد خاصة مثل المينا والورنيش والدهانات أو البلاستيك. ويمكن إضافة هذه المواد عن طريق الغمر أو الرش أو بأي طريقة أخرى.