Dalla bauxite all'allumina: il processo Bayer
La produzione dell'alluminio inizia con la bauxite, il minerale contenente alluminio-più comune. Nel processo Bayer, la bauxite viene frantumata e mescolata con idrossido di sodio caldo, che dissolve l'idrossido di alluminio lasciando dietro di sé ossidi di ferro e altre impurità come residuo comunemente chiamato fango rosso. La soluzione limpida viene raffreddata in modo che precipitino cristalli di allumina pura, che vengono poi calcinati a circa 1000 gradi Celsius per eliminare l'acqua. In media, sono necessarie circa due o tre tonnellate di bauxite per produrre una tonnellata di allumina e la fase di raffinazione è ad alta intensità energetica-, motivo per cui gli impianti di allumina sono solitamente situati vicino a fonti di energia a basso-costo e depositi di bauxite.
Fusione: il processo elettrolitico di Hall-Heroult
L'allumina viene convertita in alluminio metallico mediante elettrolisi nel processo Hall-Heroult. La polvere di allumina viene disciolta nella criolite fusa all'interno di grandi celle elettrolitiche e una corrente continua tipicamente compresa tra 100.000 e 300.000 ampere a 4-6 volt guida la riduzione. Gli anodi di carbonio si consumano durante la reazione e rilasciano anidride carbonica, mentre l'alluminio fuso si raccoglie sul fondo della cella e viene periodicamente drenato. Il processo consuma circa 13-15 kWh di elettricità per chilogrammo di alluminio prodotto, il che spiega perché la disponibilità di energia e i costi sono fattori decisivi nella fusione dell’alluminio primario. Il metallo in uscita viene quindi colato in lingotti, billette o lastre per l'ulteriore lavorazione.
Colata e laminazione in prodotti semi-finiti
L'alluminio fuso viene convertito in prodotti di laminazione mediante colata diretta-in conchiglia, che produce grandi lingotti rettangolari per la laminazione o billette cilindriche per l'estrusione. Segue un trattamento termico di omogeneizzazione a 500-600 gradi Celsius per rimuovere la micro-segregazione e rendere uniforme la struttura. Per i prodotti laminati, la laminazione a caldo rompe il lingotto e riduce lo spessore a temperatura elevata, dopodiché la laminazione a freddo porta il materiale allo spessore finale con precise tolleranze di spessore. La ricottura intermedia ripristina la duttilità tra i passaggi di lavorazione a freddo, in modo che la tempra finale possa essere controllata per soddisfare l'operazione di formatura prevista e i requisiti di servizio.
Modellazione di componenti in alluminio
Oltre ai prodotti laminati piatti-, l'alluminio viene modellato attraverso diversi percorsi di formatura. L'estrusione spinge le billette riscaldate attraverso le matrici per creare profili con sezioni trasversali costanti, che rappresenta il modo più economico per produrre forme architettoniche e strutturali complesse. La forgiatura utilizza la forza di compressione per allineare la struttura del grano e produrre parti con elevata robustezza e resistenza alla fatica. La pressofusione inietta l'alluminio fuso sotto pressione in stampi di acciaio per componenti ad alto-volume con geometria complessa. Lo stampaggio della lamiera comprende l'imbutitura profonda di lattine per bevande e lo stampaggio di pannelli di carrozzerie automobilistiche. La produzione additiva, inclusa la fusione laser selettiva, ora consente complesse parti in alluminio stampate in 3D-per la prototipazione e la produzione a basso-volume.
Metodi di trattamento superficiale
La finitura superficiale migliora sia l'aspetto che le prestazioni. L'anodizzazione crea uno strato di ossido controllato, tipicamente spesso da 5 a 25 micrometri, che migliora la resistenza alla corrosione e all'usura e fornisce una base per la colorazione. La verniciatura a polvere applica una finitura resistente e colorata ampiamente utilizzata in architettura. I rivestimenti di conversione chimica preparano la superficie per la verniciatura o l'incollaggio, mentre le finiture meccaniche come la spazzolatura conferiscono un aspetto decorativo e la pallinatura migliora la resistenza alla fatica. La galvanica può depositare rame, nichel o altri metalli per contatti elettrici specializzati. La scelta della finitura dipende dall'ambiente, dalla durata di servizio richiesta e dalle specifiche visive del prodotto finale.
Domande frequenti
D: Come viene estratta l'allumina dal minerale di bauxite?
R: La bauxite viene frantumata e trattata con idrossido di sodio caldo nel processo Bayer, che dissolve l'idrossido di alluminio lasciando impurità come fango rosso. La soluzione viene raffreddata per far precipitare i cristalli di allumina, che vengono poi calcinati a circa 1000 gradi Celsius.
D: Cosa succede durante la fusione dell'alluminio?
R: L'allumina disciolta nella criolite fusa viene ridotta dalla corrente elettrica nelle celle elettrolitiche a circa 950 gradi Celsius. Gli anodi di carbonio si consumano, l'anidride carbonica viene rilasciata e l'alluminio fuso si raccoglie sul fondo della cella e viene sifonato periodicamente.
D: Come vengono trasformati i lingotti di alluminio in prodotti semi-lavorati?
R: La colata DC produce lingotti laminati o billette per estrusione, seguite da omogeneizzazione a 500-600 gradi Celsius. La laminazione a caldo e la laminazione a freddo riducono quindi il materiale in fogli, lastre o lamine con temperamenti controllati.
D: Quali sono i metodi comuni per modellare le parti in alluminio?
A: Estrusione, forgiatura, pressofusione, formatura di lamiere e produzione additiva. L'estrusione si adatta a profili a sezione trasversale costante-, la forgiatura aumenta la resistenza, la pressofusione si adatta a parti complesse ad alto-volume e la formatura copre l'imbutitura profonda e lo stampaggio.
D: In che modo il trattamento superficiale migliora le prestazioni dell'alluminio?
R: L'anodizzazione aggiunge uno strato di ossido- resistente alla corrosione e all'usura-, la verniciatura a polvere fornisce finiture durevoli, i rivestimenti di conversione preparano per la verniciatura e la finitura meccanica migliora l'aspetto o la resistenza alla fatica.
D: Perché il percorso di produzione è importante per gli acquirenti?
R: La cronologia del processo determina lo stato d'animo, le proprietà meccaniche, la qualità della superficie e la consistenza del materiale, pertanto gli acquirenti devono confermare la lega, lo stato d'animo e il percorso di produzione quando ordinano i prodotti di laminazione dell'alluminio.
