Alüminyum & Alaşımları & Üretimi

Prof. Dr. Ramazan YILMAZ

&

Doç. Dr. Zafer BARLAS

Alüminyum & Alaşımları & Üretimi1- Alüminyumun Özellikleri

2- Alüminyumun Yerkürede Bulunuşu ve Önemli Mineralleri

3- Dünya ve Ülkemizdeki Rezervlerin Durumu

4- Alümina ne Alüminyum Metali Üretimi

5- Alüminyum Alaşımları

Properties of AluminumName, symbol, number Aluminum, Al, 13

Crystal structure face-centered cubic

Phase Solid

Density at room temperature 2.70 gr/cm3

Liquid density at melting point 2.375 gr/cm3

Melting point 660.32 °C

Boiling point 2519 °C

Heat of fusion 10.71 kJ/mol

Heat of vaporization 294.0 kJ/mol

Electrical resistivity (20°C) 26.50 nΩ∙m

Thermal conductivity (300 K) 237 W/(m∙K)

Thermal expansion (25°C) 23.1 µm/(m∙K)

Young Modulus 70 GPa

Atom ağırlığı 26.98 g/mol

Değerlik +3

3A Grubu

Aluminum = "Alaun" (Latince) = "Şap"

Yanmaz, kıvılcım almaz…

Manyetik olarak nötr

Çekme dayanımı 49 MPa (saf Al)

700 MPa (alaşım)

Sertlik 2,75 Mohs (mineral)

Tüketim Alanı % miktarı Transport 25Construction 25Packaging 17Electrical 12

Machinery & equipment 10

Consumer durables 6Other 6

ÜlkeÜretim (103 ton)

Dünya 44 600

1 Çin 18 000

2 Rusya 4 000

3 Kanada 2 970

4 ABD 1 990

5 Avustralya 1 930

6 BAE 1 800

7 Hindistan 1 700

8 Brezilya 1 410

9 Bahreyn 870

10 Norveç 800

36 Türkiye 65

Asya %55

Avrupa %20

Amerika %16

Okyanusya %5

Afrika %4

2011 Dünya Alüminyum Üretimi:44,6 milyon ton

• 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.

• 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.

• Alüminyumun çeliğin yaklaşık 1/3‘ü kadar yoğunlukta olup, Li (0,53 g/cm3),

Mg (1,73 g/cm3) ve Be (1,84 g/cm3) 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.

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.

Yüksek ısıl iletiminden dolayı alüminyum pek çok pişirme kaplarında,

içten yanmalı motorlar pistonlarında kullanılmaktadır.

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.

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.

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.

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.

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.

Alüminyum ve alaşımları son yıllarda vagon, treyler, lokomotif

yapımında kullanılmaya başlanmıştır.

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…

Average use of aluminium per car in Western Europe [EAA].

Relative and absolute shares of Aluminium in some European cars.

Development of Al die-castings for multifunctional integration [AUDI].

Bir alüminyum iletken, düşük yoğunluğu nedeniyle bakır bir iletkenden

daha hafiftir. Bu nedenle 1930 yılından beri enerji nakil hatlarında

kullanılmaktadır.

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.

Dayanım/Özgül Ağırlık Oranı

Elektrik İletkenliği / Özgül Ağırlık Oranı

Ağırlıktan tasarruf

Korozyon direnci

İyi ısıl iletkenlik

Soğuk ve sıcak şekillendirilebilirlik

Dekoratif görünüm

Düşük maliyet

• 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 Al2O3 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.

BoksitAl2O3.2H2O

There are also the impurities Fe2O3 and SiO2, amongst others, present in Bauxite, which have to be removed in the Bayer Process in the production of pure aluminum.

Fransa-Les Baux, 1821

Gibbsite Al(OH)3

Böhmite AlO(HO)

Diaspore AlO(HO)

Boksit

Al2O3.2H2O

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 DiasporeComposition Al(OH)3 AlO(OH) AlO(OH)

Maximum AluminaContent

% 65,4 85,0 85,0

Crystal System Monoclinic Orthorhombic Orthorhombic

Density gcm-3 2,42 3,01 3,44

Temp. for RapidDehydration

°C 150 350 450

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…

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.

Alüminyum oksit (Al2O3, 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.

Türkiye Boksit Yatakları ve Rezervleri

o Türkiye dünya boksit rezervinin çok küçük bir bölümüne (%0,4) sahiptir.

o Türkiye’de yaklaşık 200 civarında boksit yatağı bulunmuştur. Bunlar 10 ayrı

bölgede toplanmaktadır.

o Seydişehir-Akseki, Silifke-Taşucu ve Zonguldak bölgelerinde "böhmitik"

o Muğla-Milas, Alanya, Bolkardağı ve Tufanbeyli-Saimbeyli bölgeleri "diasporitik"

o İslahiye-Payas ve Yalvaç-Şarkikaraağaç bölgelerinde "demirli boksit" türündedir.

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.

Önemli Boksit Üreticisi Ülkeler (1000 ton)

Dünya Boksit Rezervleri

Boksit Cevherinin Çıkartılması

Dünyada mevcut boksit cevherleri, yerkabuğu yüzeyine yakın bölgelerde

yoğunlaşmış olup, bu cevherler açık ocak maden işletmeciliği şeklinde

işletilmektedir.

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

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.

Daha önce de ifade edildiği gibi, Boksit cevheri (tahminen 20-60 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 SiO2 (%1-15), Fe2O3 (%7-30), TiO2 (%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 120-250C’de sulu NaOH ile reaksiyona sokulur.

Böylece çözülebilen NaAlO2 meydana gelir ki çözülemeyen bazı Al olmayan

bileşiklerden ayrılmış olur (kırmızı çamur olarak adlandırılır).

Daha sonra NaAlO2 çözeltisinden dönüşümlerde Al(OH)3 olarak çöktürülür.

Yaklaşık %99 saflıkta Al2O3 ürünü için 1000-1200C’de kalsine edilir.

1. Aşama: Kırılıp, öğütülmüş boksit, %30-45 sodyum hidroksit "NaOH"

içeren otoklavda 150-230C* 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 Fe2O3, SiO2, ve TiO2 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. Al2O3 + 2NaOH + 3H2O 2NaAl(OH)4

Al2O3.2H2O + 2NaOH 2NaAlO2 + 3H2O* Sıcaklığın geniş bir aralıkta olmasının nedeni, cevherdeki karışım halde bulunan alüminyum monohidrat "Al(OH)" ve alüminyum trihidratla"Al(OH)3" alakalıdır.Trihidrat yapı 150C’de çözünebilirken, monohidrat yapı daha yüksek sıcaklıklarda veya daha konsantre NaOH çözeltilerinde çözünebilmektedir.

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

NaAlO2 + 2H2O Al(OH)3 + NaOH

3. Aşama: Al(OH)3 NaOH’dan ayrıldıktan sonra, 1000C’de ısıtılarak

kalsine edilip (kimyasal olarak parçalanır) saf alüminaya dönüştürülür.

2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O

4. Aşama: Alüminanın Elektrolizi…

Bayer prosesiyle üretilen Al2O3’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.

Al2O3’ün direkt olarak elektrolizi pratik değildir. Çünkü Al2O3’ün ergime

sıcaklığı 2045C’dir.

Hall-Héroult Prosesinde Al2O3,daha düşük ergime sıcaklığı için ergimiş

%87 kriyolit (Na3AlF6) + %5 AlF3, %8 CaF2 elektrolit içerisinde

çözdürülür, ayrıştırılır elektroliz işlemi 950-970C’de

gerçekleştirilebilmektedir.

Hücre içeresinde 100-400 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: 2Al2O3 4Al + 3O2

Proses sırasında, Al2O3’ün parçalanmasıyla açığa çıkan oksijen, anot

karbonuyla (petrol koku + taş kömürü zifti) reaksiyona girer.

Böylece oluşan CO, CO2 ve elektrolitteki reaksiyonlar sonucu gaz fazına

geçen flor bileşikleriyle birlikte gaz temizleme sistemine gider.

Bu şekilde anot kademeli olarak tüketilmiş olur.

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.

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 Caile diğer impuriteleri de içermektedir. Bunlar filtrasyon, fluxing ve Ar-Cl2 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 %99.50-99.80 saflıktadır ve burada temel impuritelerFe ve Si’dir.Bu saflık derecesi çoğu uygulama için yeterli olmakla beraber, %99.98-99.99 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 (%99.9999) Al üretmek için elektrolitik ve/veya segregasyon metotları çoklu çevrimler halinde uygulanmaktadır.

Al2O3’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.

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