อะลูมิเนียมผ่านกระบวนการกลั่นอย่างไร และประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง?

อะลูมิเนียม (Al) เป็นโลหะสีขาวเงินน้ำหนักเบา ซึ่งเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสามในเปลือกโลก รองจากออกซิเจนและซิลิคอน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีปฏิกิริยาทางเคมีสูง จึงไม่พบอะลูมิเนียมในรูปโลหะบริสุทธิ์ตามธรรมชาติ แต่จะพบในรูปสารประกอบ โดยส่วนใหญ่จะพบในแร่บอกไซต์ ซึ่งเป็นส่วนผสมของอะลูมิเนียมออกไซด์ไฮเดรต ได้แก่ กิบไซต์ (Al(OH)₃), โบห์ไมต์ (AlO(OH)) และไดแอสปอร์

กระบวนการกลั่นในสองขั้นตอน

การเดินทางจากแร่บอกไซต์ดิบไปสู่...อะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงเกี่ยวข้องกับสองกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่แตกต่างกัน

ขั้นตอนแรกคือกระบวนการไบเออร์ ซึ่งพัฒนาขึ้นในปี 1888 โดยนำแร่บอกไซต์ที่บดแล้วมาผสมกับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ร้อนภายใต้ความดัน เพื่อละลายแร่ธาตุที่มีอะลูมิเนียมเป็นองค์ประกอบ ในขณะที่สิ่งเจือปน เช่น เหล็กออกไซด์และซิลิกาจะถูกทิ้งไว้ สารละลายโซเดียมอะลูมิเนตที่ได้จะถูกกรองเพื่อกำจัดกากตะกอนสีแดง เติมผลึกอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ และเผาที่อุณหภูมิประมาณ 1,100 องศาเซลเซียส เพื่อผลิตอะลูมินาบริสุทธิ์สีขาว หรืออะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) ปัจจุบันอะลูมินามากกว่า 90% ของโลกผลิตด้วยวิธีนี้

ขั้นตอนที่สองคือกระบวนการฮอลล์-เฮรูลต์ (Hall Héroult) อลูมินามีจุดหลอมเหลวสูงกว่า 2,000°C ทำให้การใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสโดยตรงเป็นไปไม่ได้ วิธีแก้ปัญหาคือการละลาย Al₂O₃ ในไครโอไลต์หลอมเหลว (Na₃AlF₆) ซึ่งจะลดอุณหภูมิในการทำงานลงเหลือประมาณ 950-1,000°C จากนั้นจึงปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านส่วนผสม อะลูมิเนียมหลอมเหลวจะสะสมอยู่ที่ด้านล่าง (แคโทด) ในขณะที่ออกซิเจนจะรวมตัวกับแอโนดคาร์บอนเพื่อสร้าง CO₂ วิธีการอิเล็กโทรไลซิสนี้ยังคงเป็นกระบวนการทางอุตสาหกรรมเพียงกระบวนการเดียวในการผลิตอะลูมิเนียมขั้นต้น โดยให้โลหะที่มีความบริสุทธิ์ 99.5-99.8%

อะลูมิเนียมประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง?

อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ประกอบด้วยธาตุ Al เพียงอย่างเดียว มีเลขอะตอม 13 และน้ำหนักอะตอมประมาณ 26.98 กรัม/โมล อะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ (98.8–99.7% Al) จะมีธาตุเหล็กและซิลิคอนเจือปนอยู่เล็กน้อยตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม อะลูมิเนียมส่วนใหญ่การใช้งานต่างๆ อาศัยโลหะผสมอะลูมิเนียมโดยมีการเพิ่มองค์ประกอบเฉพาะบางอย่างเข้าไปโดยเจตนาเพื่อปรับแต่งคุณสมบัติทางกล

สำหรับงานโครงสร้าง โลหะผสมซีรีส์ 6000 (เช่น 6061) ใช้แมกนีเซียมและซิลิคอนเป็นธาตุผสมหลัก โดยทั่วไปจะมีแมกนีเซียม 0.8~1.2% และซิลิคอน 0.400~0.8% โลหะผสมนี้ให้ความสมดุลที่ยอดเยี่ยมระหว่างความแข็งแรงปานกลาง การเชื่อมที่ดี และความสามารถในการขึ้นรูปที่เหนือกว่า

สำหรับงานที่ต้องการความแข็งแรงสูง ซีรีส์ 7000 (เช่น 7075) ใช้สังกะสีและทองแดงเป็นธาตุผสมหลัก โดยมีสังกะสีประมาณ 5.16-0.1% และทองแดง 1.2-2.0% เหล็กกล้า 7075 ที่ผ่านกระบวนการอบชุบ T6 มีความแข็งแรงดึงสูงกว่า 6061-T6 เกือบสองเท่า ทำให้เป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างประสิทธิภาพสูงและชิ้นส่วนสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

นอกจากนี้ ยังพบธาตุโครเมียม แมงกานีส และไทเทเนียมในปริมาณเล็กน้อยในโลหะผสมเชิงพาณิชย์ ซึ่งแต่ละชนิดมีบทบาทในการปรับปรุงโครงสร้างผลึกและเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน การทำความเข้าใจองค์ประกอบทางเคมีที่แม่นยำของโลหะผสมแต่ละชนิดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเลือกวัสดุที่เหมาะสมสำหรับความต้องการในการกลึงหรือการผลิตเฉพาะด้าน