Alüminyum & Alaşımları & Üretimi. Prof. Dr. Ramazan YILMAZ & Doç. Dr. Zafer BARLAS

Transkript

1 Alüminyum & Alaşımları & Üretimi Prof. Dr. Ramazan YILMAZ & Doç. Dr. Zafer BARLAS

2 Alüminyum & Alaşımları & Üretimi 1- Alüminyumun Özellikleri 2- Alüminyumun Yerkürede Bulunuşu ve Önemli Mineralleri 3- Dünya ve Ülkemizdeki Rezervlerin Durumu 4- Alümina ne Alüminyum Metali Üretimi 5- Alüminyum Alaşımları

3 Properties of Aluminum Name, symbol, number Aluminum, Al, 13 Crystal structure Phase face-centered cubic Solid Density at room temperature 2.70 gr/cm 3 Liquid density at melting point gr/cm 3 Melting point C Boiling point 2519 C Heat of fusion Heat of vaporization Electrical resistivity Thermal conductivity Thermal expansion Young Modulus Atom ağırlığı Değerlik kj/mol kj/mol (20 C) nω m (300 K) 237 W/(m K) (25 C) 23.1 µm/(m K) 70 GPa g/mol 3A Grubu Aluminum = "Alaun" (Latince) = "Şap" Yanmaz, kıvılcım almaz Manyetik olarak nötr

4 Çekme dayanımı Sertlik 49 MPa (saf Al) 700 MPa (alaşım) 2,75 Mohs (mineral)

5 Tüketim Alanı % miktarı Transport 25 Construction 25 Packaging 17 Electrical 12 Machinery & equipment 10 Consumer durables 6 Other 6

6 2011 Dünya Alüminyum Üretimi: 44,6 milyon ton Asya %55 Avrupa %20 Amerika %16 Okyanusya %5 Afrika %4 Ülke Üretim ( 10 3 ton) Dünya Çin Rusya Kanada ABD Avustralya BAE Hindistan Brezilya Bahreyn Norveç Türkiye 65

7 Alüminyum tabiatta en çok bulunan elementlerden biridir ve mühendislik yapılarda çelikten sonra en çok kullanılan metaldir. Bazı alüminyum alaşımlarının akma sınırı değerleri, pek çok çelik türünün akma sınırı değerlerinin üzerindedir. Alüminyum alaşımları bu özelliklerinden dolayı, özellikle hafiflik istenen uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadırlar.

8

9 Alüminyum metallerin reaktiflik sıralamasında oldukça yukarıda olan bir metaldir. Alüminyum havayla temasıyla, yüzeyinde hızlı bir şekilde tok ve şeffaf bir oksit tabakası oluşur ve bu oksit filmi malzemenin daha fazla korozyona uğramasını önler. Bu nedenle, alüminyumdan yapılan parçalar kararmaz veya paslanmazlar. Alüminyum alaşımlarının içindeki diğer elementler alüminyum ile galvanik pil oluşturmaya uygun olduklarından dolayı, korozyon açısından alüminyumun mümkün olduğu kadar saf olarak kullanılması tavsiye edilir. Fakat mekanik özelliklerindeki dayanım düşüklüğü (zayıflık) nedeniyle uygulamalarda saf Al kullanımı yaygın değildir.

10 Alüminyumun çeliğin yaklaşık 1/3 ü kadar yoğunlukta olup, Li (0,53 g/cm 3 ), Mg (1,73 g/cm 3 ) ve Be (1,84 g/cm 3 ) dan sonra en hafif metaldir. Alüminyumun sahip olduğu spesifik mukavemeti, uçak yapımında, demir yollarında, motor gövdelerinde ve diğer pek çok alanda kullanımını faydalı hale getirmiştir.

11

12 Aynı çaptaki bir alüminyum tel, bakırın %63 ü kadar elektrik iletimine sahiptir. Fakat spesifik elektrik iletkenliği bakırdan daha iyidir. Özellikle elektrik iletiminde uzun mesafeli hatlarda ağırlık çok önemlidir. Bu nedenle bugün havada çok yüksek elektrik akımı iletmede alüminyum iletkenler tercih edilmektedir. Ayrıca alüminyumun fiyatı da bakıra göre daha düşüktür.

13 Yüksek ısıl iletiminden dolayı alüminyum pek çok pişirme kaplarında, içten yanmalı motorlar pistonlarında kullanılmaktadır.

14 Alüminyum kolay soğuyup, ısıyı emen bir metal olması nedeniyle soğutma sanayinde geniş bir yer bulur. Bakırdan daha ucuz ve daha çok bulunması, işlenmesinin kolay olması ve yumuşak olması nedeniyle bir çok sektörde kullanılan bir metaldir. Alüminyum genel olarak soğutucu yapımında, spot ışıklarda, mutfak gereçleri yapımında, hafiflik esas olan araçların yapımında (uçak, bisiklet vs.) kullanılır. Duralüminyum: %4 Cu, %1 Mg, %0,7 Mn, %0,5 Si içeren Al alaşımı. Çeşitli işlemlerden geçirildikten sonra çelik kadar sertleşir ve dayanıklılık kazanır. Hafif olduğundan uçak yapımında kullanılır.

15 Alüminyum alaşımlarının sıcak ve soğuk işlenebilme özelliği vardır. Alüminyum alaşımlarının çok iyi hadde özellikleri olup, bu yolla birkaç mikron kalınlığında folyo haline getirebilirler. Ayrıca bazı alüminyum alaşımlarının döküm özellikleri de iyidir.

16 Son yıllarda inşaat tekniğinde mimari stilde meydana gelen gelişmeler alüminyum ve alaşımları lehinedir. Bu gelişmeler yapıların yüzeyleri, kapı ve çerçeve gibi dış ve iç kısımlarındadır. Alüminyum ve alaşımlarının kullanılma sahalarının fazlalığı düşük maliyeti, iyi görünümlü, boya ve kaplamaya gerek duyulmaması ve inşasının hızlı olmasındandır.

17 Alüminyum ve alaşımları, 1908 yılında yaşlanma sertleşmesinin bulunmasıyla uçak sanayine girmiştir. Bugün uçak sanayinde duralüminyum tipi alaşımlar kullanılmaktadır. Günümüzde birçok uçağın gövde kısmı alüminyum alaşımlarından yapılmaktadır.

18 Günümüzden yaklaşık 50 yıl önce denizin korozif etkisine dirençli Al alaşımları (%2.5-6 Mg ile az miktarda Mn, Cr, Be ve Ti) yapılmıştır. Çekme mukavemetleri yüksek, süneklik ve işlenebilme özellikleri iyi olan bu alaşımların dökümleri zordur. Yolcu gemileri ve şilepler, büyük askeri gemiler, küçük araştırma gemileri, yat, yelkenli ve feribot gibi küçüklü büyüklü gemilerin yapımında alüminyum alaşımları kullanılmaktadır.

19 Alüminyum ve alaşımları son yıllarda vagon, treyler, lokomotif yapımında kullanılmaya başlanmıştır.

20 Alüminyum alaşımları düşük özgül ağırlıklı ve üstün mekanik özellikleri nedeniyle otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Otomobil ağırlığının %25-30 luk kısmını alüminyum alaşımları teşkil etmekte ve her yıl %10 artış göstermektedir. Karbüratör, piston, bağlayıcı rod ve hareketli kolları gibi aksamlar

21 Relative and absolute shares of Aluminium in some European cars. Average use of aluminium per car in Western Europe [EAA]. Development of Al die-castings for multifunctional integration [AUDI].

22 Bir alüminyum iletken, düşük yoğunluğu nedeniyle bakır bir iletkenden daha hafiftir. Bu nedenle 1930 yılından beri enerji nakil hatlarında kullanılmaktadır.

23 Gün geçtikçe alüminyum folyo üretimi ve tüketimi artmaktadır. Folyo ilk yıllarda paketleme ve şeker sarma işlerinde kullanılmış, sonraları kullanım alanları genişlemiştir. İlaç muhafazasında da alüminyum folyo kullanılmaktadır.

24 Dayanım/Özgül Ağırlık Oranı Elektrik İletkenliği / Özgül Ağırlık Oranı Ağırlıktan tasarruf Korozyon direnci İyi ısıl iletkenlik Soğuk ve sıcak şekillendirilebilirlik Dekoratif görünüm Düşük maliyet

25 Boksit Al 2 O 3.2H 2 O There are also the impurities Fe 2 O 3 and SiO 2, amongst others, present in Bauxite, which have to be removed in the Bayer Process in the production of pure aluminum. Fransa-Les Baux, 1821 Alüminyum miktar olarak yerkabuğunda oksijen ve silisyumdan sonra 3. sırada bulunan elementtir. Kimyasal reaktifliğinden dolayı doğada asla saf element halde bulunmaz. Daima oksit bileşikler halinde bulunur. 250 farklı mineralin bir bölümünü teşkil etmektedir. Bu minerallerin en önemli grubu silikatlar ve killerdir. Diğer önemli bileşikleri ise hidroksitler şeklindedir. Bu grup boksit içeren gruptur. Boksit ise birincil alüminyum üretiminde tüketilen temel hammaddedir. Bu nedenle alüminyumun üretildiği cevherler boksit olarak adlandırılır. Bu cevher, %50-60 nispetinde Al 2 O 3 içeren Gibbsite (Al(OH) 3 ) ve Böhmite (AlO(HO)) ya da Diaspore (AlO(HO)) karışımından ibarettir. Boksit açık renkli toprağımsı görünümlüdür. Ancak, demir içeriği nedeniyle rengi, genellikle kırmızımsı-kahverengi tonlardadır.

26 Gibbsite Al(OH) 3 Böhmite AlO(HO) Diaspore AlO(HO) Boksit Al 2 O 3.2H 2 O

27 Boksit, hidroksitin molekül sayısına ve kristal yapıya bağlı olarak üç temel formda oluşmaktadır. Boksitin üç temel formu; Gibbsite, Böhmite ve Diaspore şeklindedir. Gibbsite gerçek bir alüminyum hidroksittir. Böhmite ve Diaspore ise alüminyum-oksi-hidroksit şeklindedir. Gibbsite ile diğer ikisi arasındaki temel farklılık kristal yapılarıdır. Kimyasal yapılarındaki bu farklılıktan dolayı, hızlı bir dehidratasyon için Böhmite ve Diaspore, Gibbsite göre daha yüksek sıcaklık gerekir. Unit Gibbsite Böhmite Diaspore Composition Al(OH) 3 AlO(OH) AlO(OH) Maximum Alumina Content % 65,4 85,0 85,0 Crystal System Monoclinic Orthorhombic Orthorhombic Density gcm -3 2,42 3,01 3,44 Temp. for Rapid Dehydration C

28 Alüminyum minerallerinin sertlikleri, alümina üretim ekonomisini direkt olarak etkiler. Örn; diaspor içeren Al cevherleri sert oldukları için kırma ve öğütme aşamalarında yüksek maliyetten dolayı ekonomik değildirler

29 Maden ocaklarından çıkartılan boksit cevherleri, baskın mineral Gibbsite olacak şekilde Böhmitle karıştırılır. Hammadde kompozisyonundaki farklılıklar, daha sonraki üretim proseslerini de etkilemektedir. Daha sonraki üretim şartları aynı zamanda, hammadde içerisindeki en başta demir, silisyum ve titanyumun bileşimleri şeklindeki impuriteler (gang) etkilenmektedir.

30 Alüminyum oksit (Al 2 O 3, beyaz toz), yaklaşık %30-40 Fe içerdiği için kırmızı renkli olan boksitin rafinasyonu ile üretilir. Bu işlemin adı Bayer Prosesidir. Boksit cevherleri, genellikle doğrudan maden ocağından alümina fabrikasına herhangi bir işleme tabi tutulmadan gönderilir. Sadece yüksek nem içermesi durumunda nakliye giderlerini azaltmak için kurutulduktan sonra alümina fabrikasına taşınırlar. Maden ocağı yanında bulunmayan bütün alümina fabrikaları, kış mevsiminin olumsuz hava şartlarını dikkate alarak 6 aylık boksit cevherlerini depolarlar. Boksit cevherleri, taşımada aşınma gibi istenmeyen olaylara karşı çok iri parça olarak taşınmazlar. Boksit cevherleri, Bayer Prosesine girmeden önce kırma, eleme ve öğütme işlemlerinden geçirilerek boyutları <1mm nin altına düşürülür. Homojen boyut dağılımı, liç işleminin verimi yönünden önemlidir.

31 Türkiye Boksit Yatakları ve Rezervleri o o o o o Türkiye dünya boksit rezervinin çok küçük bir bölümüne (%0,4) sahiptir. Türkiye de yaklaşık 200 civarında boksit yatağı bulunmuştur. Bunlar 10 ayrı bölgede toplanmaktadır. Seydişehir-Akseki, Silifke-Taşucu ve Zonguldak bölgelerinde "böhmitik" Muğla-Milas, Alanya, Bolkardağı ve Tufanbeyli-Saimbeyli bölgeleri "diasporitik" İslahiye-Payas ve Yalvaç-Şarkikaraağaç bölgelerinde "demirli boksit" türündedir.

32 o Buralardan çıkarılan boksit cevheri, Seydişehir Alüminyum Tesislerinde işlenmektedir. o Seydişehir Alüminyum Tesisleri, alüminyum cevherini işleyerek metalik alüminyum haline dönüştüren, bunu da döküm, haddeleme ve ekstrüzyon yöntemleri ile şekillendiren ülkemizdeki tek entegre birincil alüminyum üretim tesisidir.

33 Önemli Boksit Üreticisi Ülkeler ( 1000 ton) Dünya Boksit Rezervleri

34 Boksit Cevherinin Çıkartılması Dünyada mevcut boksit cevherleri, yerkabuğu yüzeyine yakın bölgelerde yoğunlaşmış olup, bu cevherler açık ocak maden işletmeciliği şeklinde işletilmektedir.

35 Günümüzde alüminyum üretiminde iki yöntem uygulanır. * Cevherden alüminyum üretimi "Birincil Alüminyum" * Hurdadan alüminyum üretimi "İkincil Alüminyum" Entegre Alüminyum Tesisi Entegre üretim süreci, birbirini takip eden 5 ana üretim aşamasını kapsar. 1- Boksit madeni işletmeciliği 2- Alümina üretimi 3- Sıvı alüminyum üretimi 4- Sıvı alüminyumun alaşımlandırılarak dökümü 5- Döküm ürünlerinden ekstrüzyon ve haddeleme işlemleri ile yarı ve/veya nihai ürün üretimi

36

37 İlk olarak 1886 yılında ABD de Charles Martin Hall ve aynı zamanda aynı metotla Fransa dan Paul L.T. Heroult alüminadan veya alüminyum oksitten alüminyum üretimini gerçekleştirmişlerdir. Bu nedenle bu yöntemin adına Hall-Heroult Prosesi denilmiştir. Alüminyumun ilk üretildiği 1886 yılında, dünyanın toplam alüminyum üretimi sadece 45 kg ve yaklaşık 11 USD/kg iken, 1989 verilerine göre dünyanın yıllık alüminyum üretimi 18M ton ve fiyatı yaklaşık 2 USD/kg kadardır. Bugün dünyada üretilen alüminyumun yaklaşık olarak %31 i konteynır ve paketlemede, %20 si evlerde ve diğer yapılarda, %24 ü taşımacılıkta, %10 u elektik donanımlarında, kalanı da diğer alanlarda tüketilmektedir. Bugün ABD de tüketilmekte olan alüminyumun %20 si geri dönüşümden elde edilmektedir.

38 Daha önce de ifade edildiği gibi, Boksit cevheri (tahminen milyar ton/dünya) hemen hemen tüm alüminyum üretimi için kullanılmaktadır. Boksitin alüminyum içeren bileşeni Al(OH) 3 dür, ancak yatakların çoğunda sıklıkla AlOOH bulunmaktadır. Boksit tipik olarak SiO 2 (%1-15), Fe 2 O 3 (%7-30), TiO 2 (%3-4) ve ilaveten farklı miktarlarda florit, fosfat ve oksitler içermektedir. Bayer Prosesinde boksit, dehidrate olması için kalsine edilir ve daha sonra yüksek basınç altında C de sulu NaOH ile reaksiyona sokulur. Böylece çözülebilen NaAlO 2 meydana gelir ki çözülemeyen bazı Al olmayan bileşiklerden ayrılmış olur (kırmızı çamur olarak adlandırılır). Daha sonra NaAlO 2 çözeltisinden dönüşümlerde Al(OH) 3 olarak çöktürülür. Yaklaşık %99 saflıkta Al 2 O 3 ürünü için C de kalsine edilir.

39 1. Aşama: Kırılıp, öğütülmüş boksit, %30-45 sodyum hidroksit "NaOH" içeren otoklavda C * ve 4 atm (düşük sıcaklıklarda) -30 atm (yüksek sıcaklıklarda) basınç aralığında çözeltiye alınarak, parçalanır. Bu uygulama boksitin liç edilmesidir. Burada alüminyum hidroksit "Al(OH) 3 " çözünür, sodyum alüminat "NaAl(OH) 4 " çözeltisi meydana gelir. Bu arada solüsyonda çözünmeyen Fe 2 O 3, SiO 2, ve TiO 2 gibi oksitler "gang mineraller" (kırmızı çamur) NaAl(OH) 4 çözeltisinden ayrılarak tankın tabanında toplanır. Sodyum alüminat, su eklenerek ve filtre edilerek çözeltiden ayrılır, barajlarda depolanır. Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O 2NaAl(OH) 4 * Sıcaklığın geniş bir aralıkta olmasının nedeni, cevherdeki karışım halde bulunan alüminyum monohidrat "Al(OH)" ve alüminyum trihidratla "Al(OH) 3 " alakalıdır. Trihidrat yapı 150 C de çözünebilirken, monohidrat yapı daha yüksek sıcaklıklarda veya daha konsantre NaOH çözeltilerinde çözünebilmektedir. Al 2 O 3.2H 2 O + 2NaOH 2NaAlO 2 + 3H 2 O

40 2. Aşama: Bu aşama alüminyum hidroksitin çöktürülmesidir. Tank tabanındaki çözünmeyen atıklar alındıktan sonra, sodyum alüminat içeren solüsyon daha geniş bir tanka aktarılarak soğumaya bırakılır. Bu tankta sodyum alüminat "NaAl(OH) 4 " bozunarak alüminyum hidroksite "Al(OH) 3 " dönüştürülür ve Al(OH) 3 tankın tabanında çökelerek birikir. NaAl(OH) 4 Al(OH) 3 + NaOH NaAlO 2 + 2H 2 O Al(OH) 3 + NaOH

41 3. Aşama: Al(OH) 3 NaOH dan ayrıldıktan sonra, 1000 C de ısıtılarak kalsine edilip (kimyasal olarak parçalanır) saf alüminaya dönüştürülür. 2Al(OH) 3 Al 2 O 3 + 3H 2 O 4. Aşama: Alüminanın Elektrolizi

42 Bayer prosesiyle üretilen Al 2 O 3 ün yaklaşık %15 i refrakter, aşındırıcı ve Al kimyasalları yapmak için kullanılmaktadır. Kalan %85 lik kısım ise Al metali üretmek için indirgenme prosesine tabi tutulur. Ayrıca elde edilen alüminanın silis ve demirden tamamen arındırılmış olması gerekmektedir. Aksi halde, bunlar indirgenme prosesi sonrasında, Al metalinde safsızlık olarak kalmaktadır.

43 Al 2 O 3 ün direkt olarak elektrolizi pratik değildir. Çünkü Al 2 O 3 ün ergime sıcaklığı 2045 C dir. Hall-Héroult Prosesinde Al 2 O 3,daha düşük ergime sıcaklığı için ergimiş %87 kriyolit (Na 3 AlF 6 ) + %5 AlF 3, %8 CaF 2 elektrolit içerisinde çözdürülür, ayrıştırılır elektroliz işlemi C de gerçekleştirilebilmektedir. Hücre içeresinde ka e kadar yüksek akımlar kullanılır. İndirgenmesi sonucu nötrleşen Al metali, elektrolitten daha ağır olduğu için tabanda birikir. Al metali üretimi enerji yoğunluklu bir işlem olduğu için Al nin indirgenme operasyonları elektrik maliyetlerinin düşük olduğu yerlerde gerçekleştirilir. Elektroliz işlemi reaksiyonu: 2Al 2 O 3 4Al + 3O 2

44 Proses sırasında, Al 2 O 3 ün parçalanmasıyla açığa çıkan oksijen, anot karbonuyla (petrol koku + taş kömürü zifti) reaksiyona girer. Böylece oluşan CO, CO 2 ve elektrolitteki reaksiyonlar sonucu gaz fazına geçen flor bileşikleriyle birlikte gaz temizleme sistemine gider. Bu şekilde anot kademeli olarak tüketilmiş olur.

45 En iyi verimlilik için, anot ile katot arasındaki boşluğun minimum değerde olması istenmektedir. Ancak, bu boşluk olması gerekenden daha dar olursa, manyetik ısı iletimi ve gaz oluşumundan türbülans nedeniyle istenmeyen sıvı Al metali (köprü) oluşmasına ve böylece elektrotların kısa devre yapmasına neden olabilir. Hücre araçlarında geliştirme ve tasarımlarla, Al üretmek için gerekli olan enerji 1940 da 20 kwh/kg iken, günümüzde 8-12 kwh/kg e kadar düşürülmüştür.

46 Toplanan Al, günde bir veya iki kere kapalı vakum pompalarıyla hücreden alınır ve bir bekletme fırınına gönderilir. Burada çoğunlukla geri dönüşümden gelen Al parçaları da eklenmektedir. Bu aşamada metal, metal olmayan inklüzyonları, çözünmemiş H, Na ve Ca ile diğer impuriteleri de içermektedir. Bunlar filtrasyon, fluxing ve Ar- Cl 2 gaz karışımı kabarcıklaşmasıyla metalden uzaklaştırılır. Bu adımlar, Na ve Ca seviyelerini 1-2 ppm ye düşürürken, H yi yaklaşık metalin kilogramı başına 1 ml e (gaz) azaltır. Bu noktada metal % saflıktadır ve burada temel impuriteler Fe ve Si dir. Bu saflık derecesi çoğu uygulama için yeterli olmakla beraber, % saflık seviyeleri, ya ergimiş Al de elektroliz ile yada sıvı faz içinde impuriteleri segrega etmek için bölgesel ergitme veya tekyönlü katılaşmayla gerçekleştirilen müteakip saflaştırmayla elde edilebilir. Elektronik uygulamalar için ultra-saflıkta (% ) Al üretmek için elektrolitik ve/veya segregasyon metotları çoklu çevrimler halinde uygulanmaktadır.

47 Al 2 O 3 den Al metali dönüşümü için elektrolitik indirgenme hücresinin şematik görünümü. Hücre yaklaşık 10 m uzunluğunda, 4 m genişliğinde ve 1.2 m yüksekliğe sahiptir. Elektrotlar, grafit ve kriyolitten daha yoğun olması sebebiyle hücre altına batmış 3-25 cm kalınlığındaki sıvı Al metal tabakasıdır. Sıvı alümina-kriyolit üzerinde ve yatak duvarları boyunca bir katı kriyolit kabuk meydana gelmektedir. Bu, havanın nüfuz etmesini azaltır ve yatak duvarlarının hızlı bir şekilde aşınmasını da engeller. Bir kabuk kırıcı takım yardımıyla, sisteme üst kısımdan ilave alümina beslemesi yapılmaktadır.

48

49

50

51

52

53

54 A. M. Russell, K. L. "Lee, Structure-Property Relations in Nonferrous Metals", John Wiley & Sons, Inc., 2005 W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Ed. K. Genel: "Malzeme Bilimi ve Mühendisliği", Nobel Yayıncılık, 2013 H. Arık, "Ders Notları" A. Eker, "Ders Notları" M. Zeren, "Ders Notları" A. Demir, "Ders Notları" J. Hirsch, "Automotive Trends in Aluminium - The European Perspective", Materials Forum, 28, 2004