Aluminiumgieten: van rimp roductie tot luchtvaarttoepassingen

Winning, verwerking en gieten in gieterijen

De groeiende populariteit van aluminium

Aluminium is het derde meest voorkomende element ter wereld en het meest voorkomende metaal in de aardkorst. Het draagt bij voor meer dan 8% van de massa van de aardkern. Toch is het moeilijker te raffineren dan andere metalen, zoals ijzer. Daarom is het gebruik van aluminium achtergebleven ten opzichte van andere metalen totdat efficiënte en kosteneffectieve methoden werden ontwikkeld om deze complexiteiten te overwinnen.

Er zijn veel overeenkomsten tussen de aluminium- en staalindustrie. Beiden zijn afhankelijk van de winning van metalen uit minerale ertsen die in de aardoppervlakte voorkomen. De productieprocessen van beide zijn energie-intensief en omvatten het gieten van vloeibaar metaal in gietvormen of het gebruik van continue gietmachines. Aluminium en staal concurreren ook in vergelijkbare markten voor de auto- en luchtvaartindustrie. Er zijn echter significante verschillen in de verwerking en eigenschappen van deze metalen.

Aluminiumverwerking

Bauxiet is een sedimentair gesteente met een hoog aluminiumgehalte, doorgaans ongeveer 46–60%. Bauxiet wordt vaak bedekt door verschillende meters gesteente en klei, die eerst moeten worden verwijderd voordat het bauxiet gewonnen kan worden. Vervolgens gaat het bauxiet door verterings- of wasinstallaties voordat het voor verwerking wordt getransporteerd.

In het midden van de jaren 1880 werden twee verschillende methoden uitgevonden en in serie gebruikt om aluminium te produceren. Het Bayer-proces gebruikt een chemisch proces om aluminium uit bauxiet te extraheren. Het Hall-Héroult-proces gebruikt elektrolyse om aluminium te extraheren uit de alumina of aluminiumoxide die geproduceerd wordt door het Bayer-proces.

Bayer-proces

Bauxieterts wordt verteerd en gemengd met kaustische soda om een slurry te produceren met fijnstoffen van erts. De slurry wordt bij temperaturen tussen 140°C–280°C gehouden, afhankelijk van de specifieke erts die verwerkt wordt. Tijdens deze tijd lost het aluminium op in de kaustische soda-oplossing. Alle onzuiverheden zinken uit de oplossing in een residu genaamd rode modder.

De laatste stap in het proces is de toevoeging van zaadkristallen aan de kaustische soda-oplossing. Opgeloste alumina hecht zich aan deze zaadkristallen. Het eindproduct van het Bayer-proces is alumina of aluminiumoxide, dat de vorm heeft van een wit poeder.

Hall-Héroult-proces

De reductie-eenheid van een aluminiumfabrikant bestaat uit reductiepotten of cellen die in serie zijn geschakeld. Elke pot is gemaakt van een staalen mantel met een koolstofbekleding. Gesmolten kryoliet (een fluoridemineral) met aluminiumoxide wordt in elke pot gegoten en koolstofelektroden worden bovenaan in de oplossing geplaatst. Als de stroom door de kryolietoplossing gaat, scheidt aluminium zich van zuurstof, waarbij koolstofdioxidegas ontstaat. Vloeibaar aluminium verzamelt zich op de bodem van de pot.

Vloeibare alumina wordt daarna met regelmatige tussenpozen door vacuümemmers uit de reductiepotten gezogen. Dit wordt in een oven overgebracht en in gietvormen gegoten tot blokken, of door een continue gietmachine. Aluminium dat door dit proces geproduceerd wordt, is ongeveer 99,8% zuiver. Het elektrolytische proces voor aluminiumproductie is zeer energie-intensief en vereist 15 MWh per ton output. De meeste smelterijen zijn daarom gelegen naast een energiecentrale, zoals hydroelektrische centrales.

Aluminiumgieten

Zodra het aluminium gewonnen en verwerkt is, volgt de volgende stap: gieten tot productvorm. Aluminiumgietstukken ontstaan door vloeibaar metaal in gietvormen te gieten die gevormd zijn op basis van een model van het gewenste eindproduct. Er worden drie veelvoorkomende gietmethoden gebruikt: drukgietsen, kokillengieten en zandgietsen.

Drukgietsen

Bij drukgietsen wordt vloeibaar aluminium onder druk in een staalmatroes geperst. Dit gietproces wordt vaak gebruikt voor massaproductie van onderdelen die een minimale afwerking en bewerking vereisen. Drukgietsen heeft korte cyclus tijden, maar hoge kosten voor gereedschappen. Het onder druk gietproces creëert een sterke buitenlaag, maar een zwakkere binnenkant dan bij kokillengieten. Er zijn twee typen drukgietsen: laagdruk- en hoogdrukgietsen.

Kokillengieten

Bij kokillengieten worden staal- of andere metalen gietvormen en kernen gebruikt. Sterke gietstukken ontstaan door aluminium in de vorm te gieten. Kokillen worden gebruikt om herhaalbare onderdelen met consistentie te creëren. Hun snelle afkoelsnelheden genereren een consistentere microstructuur, wat de mechanische eigenschappen aanzienlijk kan verbeteren.

Kokillengieten wordt gebruikt voor het maken van legeringenwielen. Aluminiumwielen zijn lichter dan staalwielen, wat minder energie vereist om te draaien. Ze bieden een grotere brandstofefficiëntie, evenals betere handling, acceleratie en remming. Voor zware industriële spoorwegtoepassingen worden staalwielen echter vaker gebruikt. Hun duurzaamheid maakt ze bijna onmogelijk te buigen of te scheuren. Op een spoor zijn staalwielen meer verggevend voor onregelmatigheden, wat de veiligheid verhoogt.

Zandgietsen

Zandgietstukken worden gecreëerd door een fijn zandmengsel rond een model van het gewenste product te stampen. Het model is iets groter dan het eindproduct om krimp van het aluminium tijdens afkoeling toe te laten. Zandgietsen is economisch omdat het zand meerdere keren herbruikbaar is. Het is ook effectief voor het maken van grote gietstukken of solchen met gedetailleerde ontwerpen. De voorafgaande gereedschapskosten zijn laag, maar de per-stuksprijzen zijn hoger, waardoor zandgietsen geschikt is voor gespecialiseerde gietstukken in plaats van massaproductie.

De controle van vloeibaar aluminium heeft een directe invloed op de kwaliteit van het bereikte gietstuk. legeringselementen worden aan vloeibaar aluminium toegevoegd om de gewenste aluminiumkwaliteit en eigenschappen te bereiken. Gecontroleerde legeringstoevoeging en -verdeling doorheen het aluminium zorgen ervoor dat het product gesond is en de verwachte mechanische eigenschappen heeft.

Aluminium verstomt met een kolomvormige korrelstructuur. Deze kolommen groeien tot het contactpunt met een ander korrel – hoe meer korrels, hoe fijner de moleculaire structuur. Korrelverfijning gebruikt titanium en boor om korrelkernplaatsen te creëren om deze fijne structuur te bereiken.

Waterstofgas is een onzuiverheid die defecten in het aluminiumgietstuk kan veroorzaken door poriën te creëren tijdens het verstommen van het product. Tijdens het gieten zijn ontgassing en purgetechnieken vereist om de omgeving vrij te houden van onzuiverheden die het eindproduct negatief kunnen beïnvloeden.

Gietlegeringen

Er is een breed scala aan gietlegeringen beschikbaar om de uiteindelijke toepassing te passen. Elke gietlegering heeft zijn eigen kenmerken zoals lasbaarheid, bewerkbaarheid, corrosieweerstand en warmtebehandelingseigenschappen.

Vloeibaar aluminium heeft verschillende kenmerken die gecontroleerd kunnen worden om gieteienschappen te maximaliseren. Vloeibaar aluminium is gevoelig voor het opnemen van waterstofgas en oxiden in de vloeibare toestand en kan gevoelig zijn voor geringe sporelementen. Hoewel sommige decoratieve of commerciële gietstukken geen aanvullende verwerking vereisen, is verdere afwerking vaak nuttig. Nauwe smeltcontrole en gespecialiseerde verwerkingstechnieken van vloeibaar metaal kunnen verbeterde mechanische eigenschappen bieden.

Aluminiumafwerkingen en coatings

Een van de esthetische aantrekkingskrachten van aluminium is zijn hoge reflectiviteit. Deze eigenschap is benut om high-end consumentenproducten met een schone oppervlakteafwerking te maken. Dit wordt verder versterkt door de natuurlijke vorming van een dun oxidelaagje op het oppervlak. Deze laag kan verdikt worden door het product te anodiseren. De aanwezigheid van de oxidelaag afsluit het aluminium effectief van verdere oxidatie, wat het zeer corrosieweerstandig maakt. Verschillende afwerkingen en coatings kunnen aluminium helpen deze glanzende maar duurzame kwaliteit te bereiken.

Afwerkingen

Bepaalde aluminiumlegeringen worden warmtebehandeld om hun eigenschappen voor specifieke toepassingen te verbeteren. Massief gegoten aluminium wordt verwarmd tot een vooraf bepaalde temperatuur, waardoor de moleculaire microstructuur gelijkmatig verdeeld raakt door het materiaal. Snelle afkoeling zorgt ervoor dat het microstructuurpatroon op zijn plaats blijft en de ideale eigenschappen worden bereikt.

Legeringen die niet warmtebehandeld kunnen worden, worden afgewerkt door koudbewerking, voornamelijk walzen. De metaalsterkte wordt aanzienlijk verhoogd omdat onvolkomenheden in de microstructuur worden geminimaliseerd door moleculen dicht op elkaar te comprimeren.

Coatings

Aluminium heeft een hoogwaardige oppervlakteafwerking die al esthetisch aantrekkelijk is. Toch kunnen verschillende coatings verdere voordelen bieden voor de afwerking.

PVDF-coatings

PVDF-coatings zijn op oplosmiddel gebaseerde verfstoffen met een zeer hoge weerstand tegen verwering. Ze kunnen echter verkrassen. PVDF verkleurt niet door blootstelling aan zonlicht en kan met een metallische uitstraling worden gemaakt.

Vloeibare verfstoffen

Vloeibare verfstoffen zijn economischer dan PVDF-coatings, maar hun eigenschappen zijn ook minder wenselijk. Ze hebben een lagere kwaliteitsafwerking en de weerstand tegen verwering is niet zo sterk.

Poedercoatings

Poedercoatings voldoen aan de meest strenge duurzaamheidsspecificaties op hetzelfde niveau als PVDF-coatings. Ze hebben een uitstekende afwerkingsuitstraling en zijn populair in bouwtoepassingen voor ramen- en deurkozijnen, evenals voor straatmeubilair zoals bollards en fietsrekken. Ze weerstaan meer slijtage en worden vaak gespecificeerd in drukke gebieden zoals hotels en winkels.

Anodiseren

Anodiseren wordt gebruikt om de geoxideerde oppervlaktelaag te verdikken en de corrosieweerstand van het product te verbeteren. De coating is hard, duurzaam en zelfherstellend, wat het een populaire keuze maakt voor architecten. Het anodiseringsproces wordt uitgevoerd met een reeks dip-tanks.

Aluminiumeigenschappen

Aluminium is bekend om zijn lichte gewicht. Het is bijna drie keer lichter dan ijzer, met een dichtheid van 2.700 kg/m³. Opmerkelijk genoeg beïnvloedt de lage dichtheid van aluminium de sterkte niet. Aluminiumlegeringen hebben een breed scala aan sterktekenmerken met trekafschrikwaarden van 70 tot 700 MPa. Bij lage temperaturen neemt de sterkte van aluminium toe, terwijl deze bij hoge temperaturen afneemt.

Aluminium kan ook gemakkelijk bewerkt worden, en het benodigde vermogen is laag door de lagere dichtheid. De hoge mate van smeedbaarheid geeft aluminium de mogelijkheid om gemakkelijk geëxtrudeerd te worden. Dit stelt het product in staat om gebogen en gewalst te worden, en is een sleutelkenmerk in de creatie van aluminiumfolie.

https://www.reliance-foundry.com/wp-content/uploads/aluminum-rolling.mov

Aluminiumkwaliteit en standaarden

Aluminiumproducten worden gecertificeerd op basis van het legeringsmateriaal dat in het product gebruikt wordt. De meest voorkomende legeringselementen zijn:

• Silicium
• IJzer
• Koper
• Magnesium
• Zink

Gezondheid en veiligheid

Tijdens het Hall-Héroult-proces worden grote hoeveelheden gassen uitgestoten. Deze gassen worden gevangen en behandeld omdat de giftige fluorverbindingen moeten worden verwijderd voordat ze in de atmosfeer worden vrijgegeven. Het aluminiumproductieproces genereert CO₂, wat resulteert in een hogere koolstofvoetafdruk voor aluminiumproducten. Veel fabrikanten plaatsen aluminiumsmelterijen naast hernieuwbare energiebronnen, zoals waterkrachtcentrales, in plaats van elektriciteit te genereren uit fossiele brandstoffen.

In zijn oplosbare vorm, Al³⁺, is aluminium giftig voor planten. Zure gronden versnellen de vrijgave van Al³⁺ uit de mineralen en verlagen de opbrengst van deze velden. Omdat bijna de helft van het arabel land wereldwijd zuur is, kan de negatieve impact van aluminium op gewasopbrengsten ernstig zijn.

Het menselijk lichaam kan ook beïnvloed worden door aluminium. Gezondheidseffecten van een opstapeling van aluminium omvatten een verhoogd risico op de ziekte van Alzheimer en sommige kankers, hoewel niet conclusief bewezen. Bij hoge concentraties is aluminium een neurotoxine, die werkt op de hersenen en botstructuur. Aluminium zit in rijsmiddelen, emulgerende en kleurstoffen, evenals sommige antacida.

Aluminiumtoepassingen

Aluminium is een veelzijdig metaal met een glanzende afwerking dat een diverse markt bedient, waaronder diverse commerciële en huishoudelijke goederen.

Luchtvaart

Voortgang in de luchtvaartindustrie is wezenlijk afhankelijk geweest van de ontwikkeling van aluminiumproducten. Hun combinatie van eigenschappen, met name het lichte gewicht en de sterkte, hebben de mensheid in staat gesteld voertuigen te ontwikkelen die sterk en licht genoeg zijn om de aardatmosfeer te verlaten. De gebroeders Wright gebruikten aluminium voor de motorhuls van hun eerste houten biplan. Moderne commerciële passagiersvliegtuigen bestaan voor 80% uit aluminium – vooral in hun vliegromp, met name voor de romp en vleugels. Aluminium wordt uitgebreid gebruikt in de ruimtevaartindustrie voor shuttles en structuren op het internationale ruimtestation.

Bouw en architectuur

Stroomnetten en elektriciteitstransmissielijnen zijn overgeschakeld op aluminium in plaats van koper als basis. Dit komt door de uitstekende geleiding en het lichte gewicht voor uitgebreide kabellengtes. Aluminiumlegeringen worden ook in de bouw gebruikt om sterke frames te bieden die het significante gewicht van grote glasplaten kunnen dragen. Architecten benutten deze kenmerken uitgebreid in vliegvelden en hoogbouw.

Straatmeubilair

Hoewel de meeste straatmeubilair (banken, afvalbakken, fietsrekken, enz.) vast in plaats zijn, zijn verwijderbare bollards een verkeersleidingsapparaat dat geplaatst kan worden om voertuigtoegang te voorkomen, of verwijderd om het toe te staan. Aluminium wordt vaak gebruikt voor verwijderbare bollard-toepassingen vanwege de lichtheid van het metaal; het is veel makkelijker voor evenementenpersoneel om te verplaatsen.

Voedsel en drank

Blikvoeding en -drank zijn een andere markt waar aluminium domineert. Aluminiumblikjes koelen snel af en bieden een hoog-bedrukkbaar oppervlak. De hoge mate van herbruikbaarheid maakt aluminium ook een aantrekkelijke match voor deze industrie. Ze beschermen ook de smaak en integriteit van de inhoud die erin geseald zit door hun bescherming tegen zuurstof, licht en andere verontreinigingen.

Apparatuur en technologie

Huishoudelijke apparaten hebben ook gebaat bij de eigenschappen van aluminium. De thermische eigenschappen maken het ideaal voor koeltoepassingen, terwijl het lichte gewicht apparaten gemakkelijk verplaatsbaar en transporteerbaar maakt. Met de ontwikkeling van de "geborstelde aluminium" afwerking kunnen hoog esthetische producten worden gecreëerd voor de high-end markt. Het technologiebedrijf Apple heeft de weg gewezen in het maken van aluminium laptops, die gemaakt zijn uit een enkel blok aluminium. Flatscreen-tv's profiteren ook van het lichte gewicht van aluminium; een equivalent staalproduct zou te zwaar zijn om aan de muur te hangen.

Automotief

Autofabrikanten staan onder steeds grotere druk om de koolstofvoetafdruk van hun voertuigen te verminderen. Lichte aluminiumframes, carrosseriepaneelen en motoren helpen hierbij door de brandstofefficiëntie te verbeteren. Er zijn ook andere milieuvoordelen, aangezien bijna 90% van het automobiele aluminiumschroot wordt verzameld voor hergebruik.

Aluminiumhergebruik

De meeste aluminium kan gerecycled worden. Frisblikjes en auto-onderdelen zijn industries met een hoge inzameling waar materiaal effectief wordt verzameld en gerecycled. Eenmaal ingebraacht, wordt gebruikt aluminium naar een verwerkingsfaciliteit gebracht, waar het in verschillende kwaliteiten wordt gesorteerd en gereinigd. Het metaal wordt dan gesmolten om coatings, inkt en andere onzuiverheden te verwijderen. Tijdens deze fase kunnen legeringen zo nodig worden toegevoegd, waarna het in blokken wordt gegoten. Deze blokken kunnen aan gieterijen worden geleverd voor gieten, of naar andere fabrikanten voor verdere verwerking. Gerecycled aluminium kan binnen zes weken als nieuwe producten op de markt terugkeren.

Aluminiumreiniging en onderhoud

De meeste aluminiumproducten kunnen schoon gehouden worden met gewoon water of een milde zeep of wasmiddel. Bij uithoudende vlekken kan terebenthine gebruikt worden of een niet-etsende chemische reiniger. Voor meer reinigingskracht kunnen wasgebaseerde poles, scheurende wassen of scheurende reinigers worden gebruikt. Het is belangrijk om aluminiumproducten na reiniging te drogen om streepvorming te voorkomen, en reinigingsresten moeten van randen en naden worden verwijderd.

Voor meer informatie over aluminium, of om een offerte aan te vragen voor een maatwerkproject, neem dan contact met ons op.