Einblick in den Aluminiumproduktionsprozess

Aluminium findet sich in einer Vielzahl von Produkten, von Getränkedosen bis hin zu Autoteilen. Doch nur wenige Menschen wissen, woraus Aluminium besteht oder wie es hergestellt wird. Obwohl Aluminiumkommt in großer Menge in der Erdkruste vorIm Mineral Kryolith und im Gestein Bauxit ist es in reiner Form nicht in Alltagsprodukten zu finden.

Aluminium besteht aus anderen Elementen, weil eskommt in der Natur nicht in reiner Form vor. Es muss chemische Prozesse durchlaufen, bevor es in Standardprodukte wie Folien und Lebensmittelverpackungen umgewandelt werden kann.

Die Geschichte der Aluminiumproduktion und -herstellung

Die Aluminiumproduktion hat eine lange Geschichte. Sie reicht bis in die Antike zurück, als ein aluminiumbasiertes Salz namens Alaun wegen seiner feuerfesten Eigenschaften in der Leder- und Papierindustrie verwendet wurde. Aluminium, wie wir es heute kennen, wurde jedoch erst im 19. Jahrhundert entdeckt.

Im Jahr 1808 stellte der englische Chemiker Humphry Davy die Theorie auf, dass Aluminium durch elektrolytische Reduktion von Aluminiumoxid hergestellt werden könne. Ihm fehlte jedoch die notwendige Ausrüstung, um seine Idee zu testen. Erst 1825 entwickelte Hans Christian Oersted eine Aluminiumlegierung basierend auf Davys Ideen.

Der deutsche Chemiker Friedrich Woehler führte Oersteds Arbeit weiter und produzierte 1845 die ersten kleinen Hügel aus erstarrtem, geschmolzenem Aluminium. Henri-Etienne Sainte-Claire Deville nutzte daraufhin chemische Methoden zur Herstellung von Industriealuminium und produzierte es 1856 in Frankreich. Anfangs war es ein teures Luxusmetall, ähnlich wie Silber, und wurde zur Herstellung von Medaillen verwendet.

Unter Napoleon III. erhielt die Aluminiumproduktion in Frankreich erhebliche Unterstützung, was dem Metall eine vielversprechende Zukunft bescherte. Heute wird Aluminium aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, darunter sein geringes Gewicht und seine Korrosionsbeständigkeit, in verschiedenen Branchen eingesetzt.

Zwei Personen, Paul Heroult und Charles Hall, definierten 1886 den Aluminiumherstellungsprozess neu. Der Ingenieur und Student erkannte, dass die Reduktion von geschmolzenem Aluminiumoxid in Kryolith die Herstellung von Aluminium mithilfe von Strom ermöglichte. Das Hall-Heroult-Verfahren ist eine der wichtigsten Methoden zur Aluminiumherstellung im 21. Jahrhundert.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Aluminium wurde 1888 von Karl Josef Bayer entdeckt. Beim Bayer-Verfahren werden Bauxit und eine Alkalimischung erhitzt, um Aluminium zu erzeugen.

Schritte in der Aluminiumproduktion und -herstellung

Der Aluminiumherstellungsprozess umfasst im Allgemeinen drei Schritte: den Bauxitabbau, die Gewinnung von Aluminiumoxid aus dem abgebauten Bauxit und die Umwandlung des Aluminiumoxids in Aluminium. In diesem Leitfaden betrachten wir jeden Schritt des Aluminiumproduktionsprozesses von der Mine bis ins Regal und zeigen Ihnen, wie es hergestellt wird.

Schritt 1: Der Bauxitabbau

Aluminium kommt in der Natur nicht in reiner Form vor und muss aus Bauxit gewonnen werden. Bauxit ist ein Sedimentgestein mit Spuren von Aluminium. Dieses Gestein ist die weltweit wichtigste Aluminiumquelle, und Experten müssen das Sedimentgestein zu Tonerde verarbeiten. Die meisten Länder haben Bauxit tief unter der Erdoberfläche, das Material ist jedoch in tropischen Zonen häufiger. Neben Afrika und Südamerika sind China, Indien und Indonesien die größten Bauxitlieferanten. Bauxit wird hauptsächlich in der Aluminiumindustrie verwendet, findet aber auch in der Klebstoff-, Zement- und Chemieindustrie Verwendung.

Bergbau für Aluminiumbauxit

Beim Aluminiumabbau wird Bauxiterz abgebaut, zu Aluminiumoxid raffiniert und anschließend geschmolzen, um reines Aluminium zu gewinnen. Das gewonnene Aluminium kann dann zur Herstellung einer breiten Produktpalette verwendet werden, von Flugzeugteilen bis hin zu Dosen.

Bauxitgestein wird durch Rodung, Graben und das Entfernen dicker Bauxiterzschichten mittels Sprengen oder Reißen abgebaut. Der Bauxitabbau erfordert den Einsatz schwerer Geräte. Bergleute verwenden üblicherweise Maschinen wie Bulldozer, Schürfkübelbagger, Frontlader und Hydraulikbagger, um den Abbau zu unterstützen. Bauxitreiche Gebiete können nach Abschluss des Aluminiumabbaus renaturiert werden.

Roden Sie das Land und entfernen Sie den Mutterboden

Bauxit wird typischerweise nahe der Oberfläche gefunden und im Tagebau oder im Streifenabbau aus der Erde gewonnen. Bei beiden Abbaumethoden werden Erde und Gestein, die die Bauxitschicht bedecken, abgetragen.

Der Bergbau beginnt mit der Entfernung von Bäumen und Vegetation. Anschließend wird der Mutterboden abgetragen und für die anschließende Sanierung gelagert. In den meisten Waldgebieten, in denen Bauxit abgebaut wird, kehrt das Land zu seinem ursprünglichen Ökosystem zurück. Dies wird durch Sanierungsmaßnahmen ermöglicht, die die Einebnung des Geländes und die Wiederauffüllung des verdrängten Mutterbodens umfassen.

Bergleute müssen sicherstellen, dass der Aluminiumproduktionszyklus die Tier- und Pflanzenwelt in den Abbaugebieten nicht beeinträchtigt. Daher wird Rotschlamm aus den Abbaugebieten entfernt, um eine schädliche Umweltverschmutzung zu verhindern.

Brechen, Laden und Transportieren

Sobald die Bergleute die Bauxitschicht erreichen, können sie Bohr- oder Sprengmethoden einsetzen, um das Bauxit in lose Stücke zu zerlegen. Die Bauxitstücke werden dann üblicherweise auf einen LKW oder ein anderes Fahrzeug verladen und zum Zerkleinern und Sortieren zu einer Anlage transportiert.

Bauxitaluminium kann in Schiffscontainern per LKW, Bahn oder Schiff transportiert werden. Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über die gängigen Transportmethoden für Bauxit.

• LKW:Aluminium kann in LKWs oder Anhängern transportiert werden, die für den Transport schwerer Güter ausgelegt sind. Dies ist eine gängige Methode für den Kurzstreckentransport von Aluminium innerhalb einer Region oder eines Landes.
• Schiene:Der Schienenverkehr ist eine kostengünstige und umweltfreundliche Option für den Ferntransport von Aluminium. Der Schienenverkehr wird häufig für den Transport von Aluminium innerhalb eines Landes oder zwischen Nachbarländern genutzt.
• Schiff:Für größere Aluminiummengen können spezielle Massengutfrachter eingesetzt werden. Diese Schiffe sind für den Transport von trockenem Schüttgut, einschließlich Aluminium, ausgelegt und verfügen über große Luken, die zum Be- und Entladen der Ladung geöffnet werden können.

Bei manchen Bauxitarten müssen die Bergleute das Material reinigen und trocknen, bevor sie es an die Raffinerien liefern. In diesen Fällen wird der Ton vom Bauxit entfernt und das Material in Öfen gegeben. Die meisten Aluminiumoxidraffinerien befinden sich in der Nähe der Minen, um den Transport zu vereinfachen.

Obwohl Bauxit verschiedene Anwendungen hat,85 Prozent der Bauxitproduktionwird zur Herstellung von Aluminiumoxid verwendet. Da die Nachfrage nach hochwertigen Aluminiumprodukten weiter steigt, steigt auch der Bedarf an Bauxitabbau. Schätzungen zufolge reichen die aktuellen Bauxitreserven noch Jahrhunderte.

Schritt 2: Umwandlung von Bauxit in Aluminiumoxid durch das Bayer-Verfahren

Der zweite Schritt der Aluminiumproduktion ist die Aluminiumoxidraffination. Um Aluminiumoxid von Bauxit zu trennen, wird das Sedimentgestein bei extremen Temperaturen Natronlauge ausgesetzt. Aluminiumoxid kann aus Bauxit entfernt werden, allerdings erfordert der Prozess den Einsatz von Niederschlagstanks in einer Raffinationsanlage.

Was ist Aluminiumoxid?

Alumina ist die Bezeichnung für Aluminiumoxid, dasist ein weißes, geruchloses PulverAluminiumoxid wird in vielen verschiedenen Industriezweigen eingesetzt. Beispielsweise wird es bei der Herstellung von Metallic-Farben sowie bei der Produktion von Zündkerzenisolierungen verwendet.

Fachleute verwenden Aluminiumoxid als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Aluminiummetall. Aluminiumoxid ist eine chemische Verbindung aus Aluminium und Sauerstoff und ähnelt physikalisch stark Speisesalz. Die Verbindung hat einen Siedepunkt von 2980 Grad Celsius und einen Schmelzpunkt von 2040 Grad Celsius.

Wie wird Aluminiumoxid raffiniert?

Bei der Aluminiumoxid-Raffination wird Aluminiumoxid aus Bauxit mithilfe des Bayer-Verfahrens gewonnen. Die meisten Raffinerien weltweit verwenden noch immer das Bayer-Verfahren.die 1887 erfunden wurde, um Aluminiumoxid zu produzieren. Vonalle zwei Pfund Aluminiumoxidkönnen Sie ein Pfund Aluminium herstellen.

Beim Bayer-Verfahren wird Bauxit mit Natronlauge aufgelöst. Verunreinigungen werden durch Filtern entfernt. Fachleute leiten die Aluminiumoxidmischung zur Kühlung in Niederschlagsanlagen. Aluminiumhydroxid-Kristalle werden hinzugefügt, um die Bildung von Aluminiumhydroxidkristallen zu fördern. Sobald das Aluminiumhydroxid erstarrt und sich am Boden des Tanks abgesetzt hat, kann es entnommen werden. Aluminiumhydroxid muss gewaschen und erhitzt werden, um das Wasser zu entfernen.

Am Ende des Raffinationsprozesses liegt Aluminiumoxid als feines weißes Pulver vor.

Der Bayer-Prozess erklärt

Das Bayer-Verfahren wurde vom österreichischen Chemiker Karl Josef Bayer erfunden. Als Chemiker entdeckten, dass sich das Bayer-Verfahren mit dem Hall-Héroult-Elektrolyseverfahren kombinieren ließ, gewannen beide Verfahren in der Aluminiumproduktion an Popularität. Das Bayer-Verfahren besteht aus den folgenden Schritten:

1. Das Bauxit wird zerkleinert, gewaschen und getrocknet.
2. Anschließend wird eine erhitzte Natriumhydroxidlösung verwendet, um das Bauxit aufzulösen.
3. Die Mischung wird einem Filtrationsprozess unterzogen, um Verunreinigungen, den sogenannten „Rotschlamm“, zu entfernen.
4. Die Aluminiumoxide enthaltende Lösung wird in einen Tank, einen sogenannten Präzipitator, überführt.
5. Im Niederschlagstank kühlt die Lösung ab und es werden kleine Aluminiumhydroxidpartikel hinzugefügt, um das Wachstum fester Aluminiumhydroxidkristalle zu stimulieren.
6. Die Aluminiumhydroxidkristalle setzen sich am Boden des Niederschlagsbehälters ab und werden entfernt.
7. Anschließend wird das Aluminiumhydroxid gewaschen, um Rückstände zu entfernen, und anschließend erhitzt, um überschüssiges Wasser zu entfernen.

Das Bayer-Verfahren führt zu Aluminiumoxid, das in seiner Erscheinung Zucker ähnelt.

Schritt 3: Aluminiumoxid zu Aluminium mit dem Hall-Héroult-Verfahren

Sobald Aluminiumoxid gebildet ist, muss es einem Schmelzprozess, dem sogenannten Hall-Héroult-Verfahren, unterzogen werden, um reines Aluminium zu erzeugen. Beim Schmelzprozess wird Aluminium durch Erhitzen und Schmelzen gewonnen.

Charles Hall und Paul Heroult erfanden gleichzeitig und unabhängig voneinanderdas Hall-Heroult-Verfahren im Jahr 1886Das Verfahren wird noch heute zur Herstellung von Aluminium verwendet.

Das Hall-Héroult-Verfahren dient zur Herstellungdie meisten kommerziellen AluminiumEs besteht ausdie folgenden Schritte:

1. In einem mit Kohlenstoff ausgekleideten Topf wird Aluminiumoxid in einem Bad aus geschmolzenem Kryolith aufgelöst.
2. In den Töpfen befinden sich Kohlenstoffanoden, die zur Stromleitung dienen.
3. Ein elektrischer Strom fließt durch die Anoden und die Aluminiumoxid-Kryolith-Mischung.
4. Durch die Elektrizität bleibt die Mischung extrem heiß und ermöglicht die Trennung des Aluminiumoxids in Aluminium und Sauerstoff.
5. Das geschmolzene Aluminium wird aus den Töpfen abgesaugt und in eine Gießerei transportiert, wo es zu Blöcken, sogenannten Barren, Brammen oder anderen Formen geformt wird.

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Schritt 4: Aluminium wird zu Fertigprodukten verarbeitet

Nachdem Aluminium geformt wurde, wird es an Hersteller verteilt, die es dann zu Konsumgütern verarbeiten. Ein Hersteller stellt neue Aluminiumprodukte her, indem er sie umschmilzt und Legierungen oder andere benötigte Materialien hinzufügt. Reines Aluminium weist keine hohe Zugfestigkeit auf. Aus diesem Grund wird es oftlegiert mit kleinen Mengen verschiedener Materialien, wie Kupfer, Eisen oder Titan, um es fester zu machen oder ihm andere Eigenschaften zu verleihen. Die Hersteller gießen die Mischung dann in die gewünschte Form.

Gängige Methoden zur Aluminiumherstellung

Viele Hersteller bestellen große Aluminiumplatten. Sie walzen die Platten zu dünnen Blechen für die Herstellung von Folien, Dosen und Autoteilen. Aluminium eignet sich hervorragend für die Herstellung von Getränke- und Konservendosen. DennAluminiumdosen sind unendlich recycelbar, leicht, einfach zu kühlen, glatt genug zum Bedrucken von Etiketten und gut zur Konservierung des Produkts im Inneren.

Der Begriff Aluminiumherstellung beschreibt den Prozess der Herstellung von Aluminium zu einer neuen Form oder einem neuen Produkt. Einige der gängigsten Fertigungstechniken werden im Folgenden beschrieben.

Aluminiumprofile

Bei Extrusionsverfahren wird ein Stück Aluminium durch oder um eine Matrize geführt, um das Metall umzuformen. Abhängig vom Produkt, das Sie herstellen, ist es möglich,Aluminium-Extrusionsverfahrenwo Aluminium erhitzt wird oder bei Raumtemperatur.

Aluminiumguss

Profis nutzen Aluminiumguss, um Produkte aus Formen herzustellen. Beim Gießen wird Aluminium erhitzt, bis es flüssig wird. Das flüssige Metall wird dann in eine Matrize oder Form gegossen, wo es abkühlt und aushärtet, um die Form und Größe des Formteils anzunehmen.

Aluminiumgussteile werden aufgrund ihrer hervorragenden Verschleißfestigkeit üblicherweise aus 4xxx- und 5xxx-Legierungen hergestellt.

Aluminiumschmieden

Beim Schmieden wird Aluminium durch Hämmern oder Schlagen in die gewünschte Form gebracht. Aluminiumschmieden ist notwendig, wenn Komponenten oder Produkte besonders langlebig sein müssen. Beispielsweise können Fahrzeugteile mithilfe von Schmiedeverfahren die Belastbarkeit des Materials verbessern.

Aluminiumformen und -walzen

Aluminium ist flexibel und weich. Ausgewählte Legierungen wie das manganhaltige Aluminium 3003 lassen sich zu Blechen oder Platten walzen. Hersteller können große Aluminiumprofile für die Montage von Fahrzeugen, Flugzeugen, Schienenfahrzeugen und anderen technischen Geräten herstellen.

Aluminiumzeichnung

Entscheidungsträger in der Elektro- und Bauindustrie setzen auf Aluminiumziehverfahren, um das Metall durch Matrizen zu ziehen. Durch das Aluminiumziehen können Arbeiter das Metall zu Kabeln oder Dosen zur Aufbewahrung von Flüssigkeiten wie Farbe strecken.

Aluminiumbearbeitung

Manche Fertigungsarbeiten erfordern das Schneiden von Metallblechen. Unter spanender Bearbeitung versteht man den Prozess, Form und Größe eines Metallprodukts durch das Entfernen von Abschnitten zu verändern.

Aluminium verändert seine Form, wenn es Hitze ausgesetzt wird. Daher ist es wichtig, für die Formung von Aluminiumteilen und -produkten spezielle Geräte, Werkzeuge und Schmiermittel zu verwenden.

Wasserstrahlschneiden

Anstatt Hitze zu verwenden, können Hersteller Aluminiumoberflächen mit Hochdruckwasser besprühen. Wasserstrahlschneiden ermöglicht die Formänderung des Metalls, ohne dessen ursprüngliche Eigenschaften zu verändern, wie dies bei Hitze der Fall wäre.

Aluminiumschweißen

Metallverarbeiter können zwei Aluminiumstücke durch Metall-Inertgas- (MIG) oder Wolfram-Inertgas- (WIG) Schweißverfahren miteinander verbinden. Durch Erhitzen eines Aluminiumfadens können Metalloberflächen miteinander verbunden werden.

Branchen, die auf Aluminium angewiesen sind

Obwohl Aluminium für die Herstellung einer breiten Palette von Produkten verwendet wird, ist der globale Aluminiummarktbesteht aus mehreren Branchen.

• Verpackung:Aluminium wurde verwendet als eine Form vonEssen und TrinkenVerpackungseit Anfang des 20. Jahrhunderts. Aluminiumfolie umhüllt alles, von Süßigkeiten bis hin zu Tiefkühlgerichten. Die Nachfrage nachAluminiumverpackungenwächst weiter, um dem steigenden Konsum verarbeiteter Lebensmittel in Entwicklungsländern gerecht zu werden.
• Automobilindustrie:Da Automobilhersteller Stahl durch Aluminium ersetzen wollen, das wesentlich leichter ist und die Kraftstoffeffizienz steigern kann, erfüllt es einewichtige Rolle in der Automobilindustrie.
• Konstruktion:Aluminium wird im Bauwesen als energieeffizientes und nachhaltiges Baumaterial eingesetzt. China hat die höchste Nachfrage nachAluminium als BaumaterialIn Amerika wird Aluminium häufig für Fenster und Türen verwendet.
• Luft- und Raumfahrt:Aluminium wird seit jeher in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt.Die Gebrüder Wright verwendeten Metallbeim Bau des Motors für ihren ersten Doppeldecker. Seitdem wird es sowohl im Flugzeug- als auch im Raumfahrzeugbau verwendet. Aluminiumlegierungen werden wegen ihres geringen Gewichts und ihrer mechanischen Stabilität geschätzt, was sie zu idealen Materialien für Fluggeräte macht. Das NASA-Raumschiff Orion besteht aus einer Aluminium-Lithium-Legierung.
• Elektrisch:Aluminium wurde verwendet inelektrische VerkabelungSeit Beginn des 20. Jahrhunderts. Nach dem Zweiten Weltkrieg erfreuten sich Aluminiumkabel zunehmender Beliebtheit und begannen, Kupferkabel zu ersetzen. Heute ist Aluminium die bevorzugte Wahl für die Stromleitung.
• Geräte:Aluminium findet sich inHaushaltsgegenständeVon der Waschmaschine bis zum Smartphone – Aluminium ermöglicht den Genuss vieler moderner Annehmlichkeiten. So wird beispielsweise Aluminium für die Herstellung eines leichten TV-Gehäuses verwendet, sodass Verbraucher ihre Fernseher an der Wand montieren können.

Aluminium ist das am häufigsten verwendete und verbreitetste Metall der Welt. Es gibt es auch schon viel länger, als man denkt. Zum Beispiel einOrnament aus 85 Prozent Aluminiumwurde im Grab eines chinesischen Militärführers aus dem 3. Jahrhundert entdeckt. Wie das Ornament hergestellt wurde, ist unbekannt.

Heutzutage verwendet fast jeder in den Vereinigten Staaten täglich Aluminium, ob bewusst oder unbewusst. Es wird wegen seiner Formbarkeit, seines niedrigen Schmelzpunkts und seiner Korrosionsbeständigkeit geschätzt.

Schritt 5: Aluminiumrecycling

Da Aluminium zu 100 Prozent recycelbar ist, endet der Herstellungsprozess nicht mit der Ankunft beim Verbraucher. Viele recycelbare Aluminiumprodukte durchlaufen einen Sekundärproduktionsprozess. Bei der Sekundärproduktion wird aus Schrott Aluminium hergestellt, das für die Herstellung anderer Produkte wiederverwendet werden kann.

HARBOR schätzt, dass53 Prozent der Aluminiumversorgungin Nordamerika stammt aus der Sekundärproduktion. Über 90 Prozent des in der Automobil- und Bauindustrie verwendeten Aluminiums werden recycelt.

Insbesondere Aluminiumdosen sind diedie meisten recycelten GetränkebehälterIn den USA wurden 2018 über 56 Milliarden Dosen recycelt. Würde jeder jede gebrauchte Aluminiumdose recyceln, ließe sich so viel Energie sparen, dass man damit über vier Millionen Haushalte ein Jahr lang mit Strom versorgen könnte.