تاریخچه کشف آلومینیوم

تاریخچه کشف آلومینیوم

آلومینیوم بوسیله ”هانس کریستین ارستد“ شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد.

در روم و یونان باستان این فلز را بعنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز به عنوان بند آورنده خون در زخم ها به کار می بردند alum و هنوز هم به عنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده لرار می گیرد. در سال 1671“ ،گویتون دموروو“ پیشنهاد کرد تا آلومین را (Alumin) بنامند.

پیدایش و منابع

اگر چه آلومینیوم ، سومین عنصر فراوان در پوسته زمین است.(18 درصد)این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر از طال به حساب می آمد. بنابراین به عنوان فلزی صنعتی اخیرا مورد توجه لرار گرفته و در ممیاس تجاری تنها بیش از 111 سال است که مورد استفاده دارد. در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن از سنگ ها بسیار مشکل بود و چون آلومینیوم موجود در طبیعت به صورت ترکیب می باشد، مشکل ترین فلز از نظر تهیه به شمار می آمد.

معرفی

عدد اتمی آن 13 میباشد. آلومینیوم که عنصری نمرهای و Al آلومینیوم ، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای عالمت انعطافپذیر است، عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت میشود و از نظر مماومتی که در برابر اکسیداسیون دارد، همچنین وزن و لدرت آن ، لابل توجه است. آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیونها محصول مختلف بکار میرود و در جهان التصاد ، .عنصر بسیار مهمی است اجزای سازههایی که از آلومینیوم ساخته میشوند، در صنعت هوانوردی و سایر مراحل حمل و نمل بسیار مهم هستند. همچنین در سازههایی که در آنها وزن پایداری و مماومت الزم هستند، وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

ویژگی های قابل توجه

آلومینیوم، فلزی است نرم و سبک، بالابلیت های زیاد، به رنگ نقره ای متمایل به خاکستری مات و لایه نازک اکسیداسیون که در مجاورت هوا در سطح آن تشکیل میشود و از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری می کند. وزن آلومینیوم تمریبا یک سوم فولاد یا مس است. همچنین بسیار بادوام و مقاوم در برابر خوردگی است. بعلاوه، این عنصر غیر مغناطیسی، بدون جرقه، دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطاف پذیر است.

کاربردهای آلومینیوم

چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی ترین فلز بعد از آهن است و تقریبا در تمامی بخش های صنعت دارای اهمیت میباشد. آلومینیوم خالص ، نرم و ضعیف است، امامیتواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس ، منیزیوم ، منگنز ، سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژها ویژگیهای مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکت ها رامی سازند. وقتی آلومینیوم در خلاء تبخیر شود، پوششی تشکیل میدهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس میکند. این پوشش لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می آورد که همانند پوشش های نقره خاصیت خود را از دست نمی دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه های تلسکوپ های نجومی است.

فهرست کاربردها

برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارتاند از: حمل و نقل(اتومبیلها، هواپیماها، کامیونها، کشتیها، ناوگانهای دریایی، راه آهن و...) بسته بندی( قوطی ها و فویل ها و...) ساختمان (درب، پنجره، دیوار پوشها و...) کالاهای با دوام مصرف کننده (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه و...) خطوط انتقال الکتریکی (به علت وزن سبک اگرچه هدایت الکتریکی آن تنها 60 درصد هدایت الکتریکی مس میباشد) ماشین آالت اکسید آلومینیوم (آلومینا) بطور طبیعی و بصورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت میشود که در صنعت شیشه سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم نوسان بکار میروند. .آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده میشود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع میشود.

استخراج آلومینیوم

به وسیله کاهش با کربن جدا شود. در عوض (Al2o3) آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمیتواند از سنگ معدن خود بوکسیت روش جداسازی این فلز از طریق برقکافت است. )این فلز در محلول اکسیده شده، سپس بصورت فلز خالص جدا میشود.( لذا جهت این کار، سنگ معدن باید درون یک مایع قرار بگیرد. اما بوکسیت دارای نقطه ذوب بالایی است (2000 درجه سانتیگراد) که تامین این مقدار انرژی از نظر اقتصادی ممرون به صرفه نیست.

برای سال های زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار میدادند و نقطه ذوب آن تا 900 درجه سانتیگراد کاهش مییافت. اما امروزه مخلوط مصنوعی ازآلومینیوم، سدیم و فلوئورید کلسیم، جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده است. این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاه های برق مخصوص خود در اطراف این کارخانه ها هستند.

الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت بکار میروند، هر دو کربن هستند. وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است، یونهای آن آزادانه حرکت میکنند. واکنش در کاتد منفی اینگونه است.

Al3++3 --& amp; amp; gt; Al

در اینجا یون آلومینیوم در حالت کاهش است )الکترون ها اضافه میشوند( سپس فلز آلومینیوم به سمت پایین فرو میرود و خارج میشود .آند مثبت، اکسیژن بوکسیت را اکسیده میکند که بعد از آن با الکترود کربنی واکنش کرده تا تولید دی اکسید کربن نماید. این کاتد باید عوض شود، چون اغلب تبدیل به دی اکسید کربن میشود. بر خالف هزینه الکترولیز، آلومینیوم فلزی، ارزان با کاربرد وسیع است. امروزه آلومینیوم را میتوان از خاکه معدنی استخراج کرد، اما این فرایند، اقتصادی نیست.

ایزوتوپ ها

ایزوتوپ ( 27-Al ایزوتوپ پایدار) و( 26-Al آلومینیوم)، دارای 9 ایزوتوپ است که عمده ترین آنها بین 23 تا 31 مرتب شده اند. تنها از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی (27Al -رادیواکتیو) بطور طبیعی وجود دارند رخ میدهد، تولید میشود.

ایزوتوپهای آلومینیوم، کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی، خاستگاه منگنز، یخهای دوران یخبندان، کوارتز در صخره ها و شهاب سنگها دارد.

اولین بار در مطالعات ماه و شهاب سنگها به کار رفت. اجزاء شهاب سنگها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در 27-Al فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم 26 پایدار میشود. بعد از سقوط روی زمین، حفاظ اتمسفر بیشتر از قطعات شهاب سنگها میشود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها موثر است. تحقیقات روی 27-Al مانع از تولید انرژی آزاد شده 27-Al شهاب سنگها ثابت کرده است که به مقدار فراوان وجود داشته است. احتمالا در زمان شکل گیری سیاره ما نسبتاً .27،ذوب شدن مجدد و جدایی سیارکها بعد از شکل گیری آنها را 2-4 میلیارد سال پیش در پی داشته است-Al در نتیجه واپاشی

هشدارها

آلومینیم یکی از معدود عناصری فراوانی است که ظاهرا هیچ فعالیت موثری در سلول های زنده ندارد. اما درصد کمی از مردم به آن حساسیت دارند. آنها تجربه کرده اند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستی میشود. مصرف داروهای بند آورنده خون و مواد ضد عرق باعث ایجاد جوش های خارش آور و سوء هاضمه میگردد. عدم جذب مواد غذایی مفید از غذاهای پخته شده در ظروف ، Amphojel ،Maalox آلومینیومی همچنین تهوع و سایر علایم مسمومیت در نتیجه خوردن اینگونه محصولات مانند Kaopectate.

در سایر افراد آلومینیوم مانند فلزات سنگین، سمی نیست، اما در صورت مصرف زیاد علائمی از مسمومیت دیده شده است. اگر چه استفاده از ظروف غذای آلومینیومی به خاطر مقاومت در برابر زنگ زدگی و خاصیت هدایت گرمایی بالای آنها بسیار رایج است. در کل، هیچگونه علامتی در مورد ایجاد مسمومیت آنها دیده نشده است. مصرف زیاد داروهای ضد اسید و مواد ضد عرق که حاوی ترکیبات آلومینیومی هستند، احتمال مسمومیت بیشتری دارند. به علاوه احتمال ارتباط آلومینیوم با بیماری آلزایمر مطرح شده است، گرچه اخیرا این فرضیه رد شده است. مصرف زیاد این عنصر باعث کم خونی نیز میگردد.

املای انگلیسی

IUPAK املای رسمی این عنصر در زبان انگلیسی است، گرچه عموما آمریکایی ها و کانادایی ها آنرا به صورت Aluminium نوشته و تلفظ میکنند. "همفری دیوی" در سال1816 Aluminum در نام بیشتر عناصر تطبیق کند. بعدها املای ium تغییر دهد که با وجود Aluminium اما بعدا تصمیم گرفت تا این نام را به ً Aluminum در بریتانیا و آمریکا متداول شد، اما بعد به تدریج آمریکایی ها برای اهداف غیرتخصصی این نام را به Aluminium بکار رفت. از این تاریخ به بعد Aluminium برگرداندند. نام رسمی این عنصر در آمریکا و در رشته شیمی تا سال 1027 بصورت .در نشِرات خود گرفت Aluminum انجمن شیمی آمریکا تصمیم به استفاده از امالء کلر معایبی هم دارد که عبارتست از : 1– سمی بودن کلر 2- تلفات آلومینیم عملیات با کلرید ها قدیمی ترین روش گاز زدایی می باشد و بر اساس واکنش کلر با فلز است . در این روش تر کیبات کلرید تجزیه تولید می AL خالص به مذاب Mgکه تا 21 Al-Mg شده و در انتخاب کلرید بایستی دلت شود تا ناخالصی وارد مذاب نشود.آلیاژ های استفاده می شود.سیالیت Mg % شود. بدیهی است که تلفات این عنصر زیاد می باشد و از این رو اغلب از آمیژن این عنصر با 10 کم بوده و از این سیستم های راهگاهی معمولا از اندازه عادی بزرگتر انتخاب می گردد.

آلیاژهای Si-Al-Mg

قادر به ترکیب بوده و ترکیب بین فلزی را به وجود می آورند این عناصر به عنوان یک سیستم آلیاژی شبه Mg و Si دو عنصر آلیاژی دو تایی عمل می کند. این سیسیتم سه تایی سیستمی است که می توان آن را تحت عملیات حرارتی محلولی و پیر سختی قرار داد . تا حدود 3/1 % و درصد های Mg محلول درصد کم Si آلیاژهای سه تایی دارای مزیت سیستم شبه دو تایی و همچنین اثرات مفید باعث بهبود خواص ریخته گری این آلیاژ ها می شود . در بعضی از آلیاژها ترکیب Si یعنی 7-8% می باشد. افزایش بیشتر Si بالای می باشد Si دارای Al سیلیسیم و منیزیم مضر هستند که در نتیجه به عنوان نا خالصی محسوب می شوند . به خاطر این که تمامی آلیاژ می تواند Al افزایش سختی در اثر تشکیل می باشد و با افزایش این سختی آلیاژ ترد و شکننده می شود. از خواص لطعات ریخته گری به لابلیت ماشین کاری ، لابلیت پرداخت کاری ، جوش کاری، لحیم کاری و قابلیت عملیات سختی سطحی اشاره کرد . این آلیاژ .دارای خواص دیگری مانند استحکام برشی ، استحکام فشاری و مقاومت به خوردگی نیز می باشد.

وزن مخصوص کم

یک متر مکعب آلومینیوم خالص 8/2826 کیلوگرم وزن دارد و یک متر مکعب از سنگین ترین آلیاژهای آلومینیوم (یعنی آلیاژهای حاوی مس و روی) دارای وزنی در حدود 2093 کیلوگرم است. حتی این سنگینترین آلیاژهای آلومینیوم نیز حداقل 1068 کیلوگرم در هر متر کعب سبکتر از وزن هم حجم سایر فلزات ساختمانی (به جز منیزیم) است.

پوشش سخت دادن Coating Hard

یکی از فرآیندهای آندایزه کردن است که به تدریج اهمیت پیدا میکند و آن را آندایزه کردن سخت یا پوشش سخت دادن مینامند. این فرآیند گرچه در اساس مشابه آندایزه کردن معمولی است ولی از چند نقطه نظر با آن تفاوت دارد. در پوشش سخت، محلول مورد استفاده اسید سولفوریک و درجه حرارت عمل پایینتر است. فرآیند به قدری ادامه مییابد که لایه اکسیدی به ضخامتی تا حدود 9 برابر ضخامت آندایزه کردن معمولی برسد.

پوشش آلومینیومی دادن Alcladding

به طور کلی آلیاژهای آلومینیوم با استحکام زیاد از نظر خوردگی کم مقاومترین آنها محسوب میگردند. این مطلب بخصوص در مورد آلیاژهای حاوی درصدهای زیاد مس یا روی صادق است. از طرف دیگر مقاومت به خوردگی آلومینیوم خالص بسیار زیاد است. پوشش آلومینیومی دادن یکی از روشهای افزایش مقاومت خوردگی به یک آلیاژ با استحکام زیاد است. در این فرآیند یک لایه آلومینیوم خالص به سطح آلیاژ مورد نظر متصل شده و در نتیجه مجموعه حاصل خواص مورد نظر حاصل میشود. این روش مخصوصا در محصولات ورقه ای مناسب است.

ریخته گری در قالب های مختلف

ریخته گری در قالب های فلزی – ریخته گری در قالبهای ماسه در قالبهای فلزی در رابطه با آلیاژهای آلومینیم – سیلیسیم با افزایش درصد سیلیسیم سختی پیوسته افزایش می یابد با افزایش در صد سیلیسیم تا حدود 12% استحکام کششی افزایش و بعد از آن کاهش می یابد و همچنین با افزایش آن تا حدود 6% از دیادطول کاهش می یابد. در رابطه با لالب های ماسه ای با افزایش درصد سیلیسیم تا حدود 22% استحکام افزایش و بعد از آن کاهش می یابد. افزودن سیلیسیم به مذاب آلومینیم توسط آلیاژ ساز های آلومینیم-سیلیسیم که دارای 13تا 23% سیلیسیم می باشد صورت می گیرد این آلیاژ ساز به دلیل نقطه ذوب پایین یعنی 981 درجه سانتیگراد به راحتی .در مذاب آلومینیم قابلیت حل شدن دارند.

روش های مختلف قالبگیری آلیاژهای آلومینیم

آلیاژهای آلومینیم با کلیه روش های قالبگیری مولت ماسه ای ، گچی پوسته ای ، سرامیکی و لالب های فلزی و لالب های تحت فشار لابلیت ریخته گری دارند. ریخته گری در قالب های ماسه ای از انواع ماسه های سیلیسی ، زیرکنی ، کرومیتی استفاده می شود و در قالب های فلزی جنس قالب های فلزی از چدن خاکستری پر کربن بوده و سطح آن را با گرافیت پوشش می دهند.

نرمی آلومینیم در حالت سرد

اغلب عملیات شکل دادن آلومینیم در حالت سرد انجام می گیرد زیرا وقتی پوفیلی با رویه نازک و روق های نازک حرادت داده می شوند امکان تاب خوردن آنها وجود دارد نیروی لازم برای تغییر شکل آلومینیم کمتر از فولاد است نرمی آلومینیم به خود ماده (نوع آلیاژ ) و حالت آن بستگی دارد. وضعیت آلومینیم مانند هر فلز دیگری در اثر کار سرد تغییر می کند تاثیر کار سرد بر آلومینیم از این قرار است ماده مستحکم تر و سخت تر می شود در قطعه تنش تولید می شود اگر تغییر شکل از ظرفیت تغییر شکل پذیری فلز بیشتر شود کار سرد ممکن است باعث ترک خوردن آن شود راحت ترین ماده آلومینیمی از نظر تغییر شکل و نرمی آلومینیم خالص آلومینیم در حالت نرم است Mn-Al تصفیه شده و آلیاژ.

نکاتی چند درباره صنعت آلومینیوم

اولین شرکت تولید آلومینیوم درآمریکا در سال 1016 تاسیس گردید.

صنایع بسته بندی به تنهایی 21 درصد آلومینیوم تولیدی جهان را مصرف می کنند.

پیش بینی ها نشان میدهد طی دهه آینده تماضا برای آلومینیوم به 94 میلیون تن در سال افزایش یابد.

کشور چین با 18 میلیون تن مصرف آلومینیوم، یک سوم تماضای جهانی را به خود اختصاص خواهد داد.

بررسی ها نشان میدهد که قلب تپنده توسعه آلومینیوم در مناطق دارای انرژی نظیر خلیج فارس خواهد بود . امارات متحده عربی در کنار بحرین، قطر و عمان به سرعت در حال سرمایه گذاری در بخش آلومینیوم هستند ایران تولید آلومینیوم را از سال 1391 آغاز نموده و ظرف مدت 21 سال تولید خود را از11 هزارتن به 66 هزارتن در سال 1361 و به 176 هزارتن در سال 1381 رسانید. در حال حاضر با احتساب 146 هزار تن ظرفیت نهایی هرمزال، ظرفیت تولید آلومینیوم .کشور بالغ بر 496 هزار تن در سال خواهد شد متوسط مصرف انرژی الکتریکی در دنیا برای تولید هر کیلوگرم آلومینیوم بیش از 19 کیلو وات ساعت میباشد که چندین برابر مصرف انرژی درصنایع فولاد و مس می باشد .درحال حاضر بیش از 791 از تولید جهانی در اختیار 9 کشور چین ، روسیه، کانادا، استرالیا و ایالت متحده می باشد.