[justify]الألومِنْيوم Aluminium
الألومِنْيوم فلز خفيف الوزن، لونه فضِّي ويمكن تشكيله بسهولة في أي شكل. ويمكن أن يدلفن أو يُطرق إلى ألواح سميكة لاستخدامه في الدَّبابات المصفحة، أو إلى رقائق رهيفة تستخدم في لف بعض أنواع الحلوى. ويمكن سحبه على شكل أسلاك أو تصنيعه في شكل علب. والألومنيوم لا يصدأ، ويقاوم التآكل بفعل الظروف الجويَّة أو المواد الكيميائية.
والألومنيوم النَّقي لَيِّن وصلابته محدودة. ولهذا السَّبب فإنَّ منتجي الألومنيوم عادة ما يُكوِّنون سبائك من الألومنيوم، التي تتكوّن من الألومنيوم المضاف إليه كميات قليلة من النُّحاس والمغنسيوم والزنك وعناصر أُخرى. وتضيف هذه العناصر قوة وصفات أُخرى إلى الألومنيوم لتجعله فلزا نافعًا جدا. وفي الحقيقة فإنَّ العالم يستخدم الألومنيوم أكثر من أي فلز آخر، عدا الحديد والصُّلب.
ويُستخدم الجزء الأكبر من سبائك الألومنيوم في صناعة مواد التعبئة لمنتجات مختلفة مثل علب المشروبات وأغطية الأواني الزجاجية والأكياس ورقائق التغليف، وفي تعليب الأغذية.
وتستخدم صناعة الإنشاءات المعمارية سبائك الألومنيوم، لصناعة مواسير المجاري المنزلية، والقطاعات المختلفة في المساكن والأسقف والجدران للمباني، وكذلك مواسير الأسلاك الكهربائية والإطارات الخارجية للنوافذ. وتُستخدم كميات كبيرة من الألومنيوم في تصنيع وسائل النقل، مثل الطائرات والسَّيارات والسُّفن وعربات السكك الحديدية.كما يستخدم الألومنيوم في العديد من المنتجات الكهربائية، وأسلاك الهاتف. وتحتوي العديد من المنتجات الأخرى على الألومنيوم. ومن هذه المنتجات أواني المطبخ ومضارب الجولف، وإبر الخياطة وعلب الدهان والثلاجات الكهربائية ووقود الصواريخ وسَحَّابات الملابس.
والألومنيوم أكثر العناصر الفلزية الموجودة في القشرة الأرضية وثالث العناصر وفرة بصفة عامة بعد الأكسجين والسليكون. ويكوِّن الألومنيوم حوالي 8% من القشرة الأرضية. وهو بعكس بعض الفلزات الأخرى مثل الذَّهب والفضة فإنه لا يوجد مطلقًا بحالة نقية (غير متحدة) في الطَّبيعة، لكنه يوجد دائمًا متحدًا مع عناصر أخرى. ولم يتوفر للإنسان وسيلة لفصل الألومنيوم عن العناصر المتحدة به حتى القرن التاسع عشر. وفي هذا الوقت طوَّر العلماء طُرقًا لفصل الألومنيوم وإنتاجه في حالة نَقِيَّة. ومنذ ذلك الحين تم استخدام هذه الطُّرق لإنتاج الألومنيوم.
صفات سبائك الألومنيوم
تُستَخَدم كميَّات قليلة فقط من الألومنيوم في صناعة بعض المواد مثل الموصِّلات الكهربائية والمجوهرات ولوازم زخرفة المعدات والسيَّارات.
ويتم إنتاج معظم الألومنيوم في صورة سبائك تحتوي على 15% من واحد أو أكثر من العناصر الأخرى. وأكثر العناصر المستخدمة لتكوين سبائك الألومنيوم هي النُّحاس والمغنسيوم والمنجنيز والسليكون والقصدير والزنك. ويزيد النُّحاس والمغنسيوم من صلابة الألومنيوم وقوته. كما يساعد المغنسيوم على سهولة استخدام الألومنيوم كلحام.
ويساعد المنجنيز على مقاومة الألومنيوم للتآكل ويوفر له القوة. ويخفض السليكون درجة انصهار الألومنيوم ويجعل من السَّهل سّكُّه أو صَبُّه في قوالب.
يزيد القصدير من سهولة تشكيل الألومنيوم بآلات التشكيل. أما الزنك خاصة عند مزجه بالمغنسيوم فيعطي قوة إضافية للألومنيوم. ومن الممكن عمل سبائك من الألومنيوم وعناصر أخرى لإنتاج سبائك لها استخدامات خاصة. تشمل هذه العناصر البيزموت والبورون والكادميوم والكروم والكوبالت والحديد والرَّصاص والليثيوم والنيكل والصوديوم والتيتانيوم والفاناديوم والزركونيوم.
وللألومنيوم وسبائكه العديد من الصِّفات الخاصة والمهمة والمفيدة، ما يجعل منه فلزًا في غاية الأهمية. وتشمل هذه الصفات: 1- خفة الوزن 2- القوة 3- مقاومة الصَّدأ 4- توصيل التيَّار الكهربائي 5- توصيل الحرارة 6- عكس الضوء والحرارة.
خفة الوزن. الألومنيوم أحد أخف الفلزات وزنًا، ولذلك يُستبَدل الألومنيوم بالصُّلب في العديد من الاستخدامات. على سبيل المثال، تصنع بعض أجزاء الطَّائرات والسَّيارات الآن من الألومنيوم بدلاً من الصٌُّلب؛ نظرًا لأن المركَّبات الخفيفة الوزن تستهلك وقودًا أقلَّ. وكذلك فإنّ المنتجات التي تتمُّ تعبئتها في عبوات من الألومنيوم تكون تكاليف شحنها أقل من غيرها؛ لأنّ العبوات المصنوعة من هذا الفلز يكون وزنها أخف من العبوات المّصَنَّعة من فلزات أخرى. ويضاف فلز الليثيوم الخفيف الوزن إلى الألومنيوم لجعل سبائك الألومنيوم أخف وزنًا من غيرها.
القوة. على الرغم من أن الألومنيوم النقي ضعيف، فإنّ بعض سبائك الألومنيوم لها قوة الصُّلب. وتستخدم هذه السبائك في صناعة أجسام الطائرات وسيارات النقل وفي حواجز الأمان على الطُّرق، وفي بعض المنتجات الأخرى التي تحتاج إلى قوة كبيرة. وتفقد سبائك الألومنيوم جزءًا من قوتها تحت تأثير درجات الحرارة العالية إلا أنَّها على عكس العديد من الفلزات الأخرى تزداد قوتها تحت ضغط درجات الحرارة المنخفضة جدًا. وتُستخدم سبائك الألومنيوم بكثرة في أجهزة معالجة الغاز الطبيعي السائل الذي تصل درجة حرارته إلى 162°م، ونقله وتخزينه.
مقاومة الصدأ. بعض الفلزات تتآكل إذا ما تعرَّضت للأُكسجين والماء وبعض المواد الكيميائية. وفي هذه الحالة يَحْدُث تفاعل كيميائي يسبب صدأً الفلز أو تغير لونه. ولكن عندما يتفاعل الألومنيوم مع الأكسجين فإنَّ الفلز يُكَوِّن طبقة غير مرئيَّة من مركب كيميائي يُسَمّى أكسيد الألومنيوم (Al2 O3). تحمي هذه الطبقة الألومنيوم من التآكل بفعل الأكسجين والماء والعديد من الكيميائيات. وهذه الصفة تجعل الألومنيوم مادة مهمة وقيِّمة للاستخدام خارج المنازل، ذلك لأن الفلز يقاوم فعل الرياح والصدأ والتلوث.
توصيل التَّيَّار الكهربائي. الألومنيوم والنُّحاس هما الفلزان الوحيدان اللذان يشيع استخدامهما كموصِّلات كهربائية. والألومنيوم أكثر قابلية للسَّحب والطَّرق من النُّحاس، مما يعني أنَّه أسهل في سحبه إلى أسلاك رفيعة. ونتيجة لذلك فإنَّ أسلاك الألومنيوم المقواة بالصُّلب، تُستخدم في جميع الكوابل الكهربائية الموجودة في محطات القوى الكهربائية العالية الجهد.
توصيل الحرارة. كان أول استخدام تجاري للألومنيوم هو استخدامه في صناعة أواني المطبخ. فآنية المطبخ المُصنعة من الألومنيوم تَسْخُن بسرعة وبطريقة متساوية. كما أنها تَبْرَد أيضًا بسرعة مما يجعلها شائعة الاستخدام في بعض الوحدات مثل عُلَب المشروبات وقوالب تصنيع الثلج.
عكس الضوء والحرارة. يعكس الألومنيوم حوالي 80% من الضوء الساقط عليه، ويُستخدم بكثرة في وحدات الإضاءة. ويعكس الألومنيوم كذلك الحرارة. فالمباني التي يتم تصنيعها بأسقف من الألومنيوم تعكس جزءًا كبيرًا من حرارة الشمس الساقطة عليها، وبالتالي تكون هذه المباني باردة نوعًا ما في الجو الحار. وحينما يضطر رجال الإطفاء للدخول والمرور خلال الحريق فإنّهم يرتدون ملابس خاصة، مغطاة بطلاء من الألومنيوم لعكس الحرارة.
صفات أخرى. الألومنيوم فلز لا مغنطيسي، مما يجعله مهمًّا ومفيدًا لحماية الأجهزة الكهربائية من التداخل المغنطيسي. فلا ينتج عن ارتطام الألومنيوم بفلز آخر أي شرارة، وعلى ذلك يمكن استخدامه بالقرب من المواد القابلة للاشتعال أو المتفجرات. والألومنيوم فلز غير سام ولذا يمكن تغليف الأغذية غير الحمضية في أوعية من الألومنيوم.ولكن يجب تجنب تلوث الأغذية بمركبات الألومنيوم، لأن العلماء لديهم بعض الشَّك في وجود علاقة بين تطور مرض ألزهايمر وكمية الألومنيوم في جسم الإنسان. ويمكن تشكيل الألومنيوم بأي طريقة من طرق تشكيل الفلزات، كما يمكن ربط الألومنيوم بالمسامير أو بَرْشَمَتُهُ أو لحامه أو ربطه بأي طريقة من الطرق المستخدمة مع الفلزات الأخرى. وأخيرًا فإنّ الألومنيوم يمكن إعادة استخدامه مرة أخرى.
مصادر الألومنيوم
تحتوي معظم المعادن والصَّخور والتربة على الألومنيوم، إلا أنه يمكن تصنيع الألومنيوم بتكلفة منخفضة من خام البوكسيت فقط. ويطلق لفظ البوكسيت على أي معدن خام يحتوي على كميات كبيرة من هيدروكسيد الألومنيوم، وهو مرَكَّب مُكَوَّن من أكسيد الألومنيوم والماء ورمزه الكيميائي Al(OH)3 ويُستخرج الألومنيوم من مُركَب أكسيد الألومنيوم الذي يطلق عليه أيضًا اسم ألومينا.
ومعظم البوكسيت يتكون من 30% إلى 60% ألومينا ومن 12 إلى 30% ماء. وبالإضافة لذلك يحتوي البوكسيت على أكسيد الحديد والسليكا وأكسيد التيتانيوم. ويتوقف لون البوكسيت على كمية أكسيد الحديد الذي يحويه المعدن الخام، وكلما زادت نسبة أكسيد الحديد بالمعدن الخام زاد اللَّون الدَّاكن فيه. وقد يكون لون البوكسيت أبيض أو كلون القشدة أو يكون رماديًا أو قرنفليًا أو أصفر أو أحمر أو بنيًّا. ومعظم أنواع البوكسيت صُلبة مثل الصُّخور، إلا أنّ بعضها يكون لينًا مثل الصلصال.
وتوجد أغنى رواسب البوكسيت في المناطق الاستوائية، والمناطق القريبة منها. وأهم الدول التي يوجد بها مناجم للبوكسيت أستراليا وغينيا وجامايكا والبرازيل.
وتوجد معظم رواسب البوكسيت قرب سطح الأرض، ويتم استخراجها من المناجم بطريقة التَّعدين المكشوف. وفي هذه الطريقة تقوم الجرافات وآلات كشط سطح التربة بإزالة العوائق السطحية التي تشمل التربة والصخور والأشجار التي تغطي رواسب خام البوكسيت. وبعد ذلك يتم تفكيك المعدن الخام عن طريق المتفجرات، كما تقوم شُوَك قوية وعملاقة بكشط البوكسيت وتحميله فوق عربات النقل أو عربات السكك الحديدية تمهيدًا لنقله إلى وحدات تصنيعه.
وفي وحدات التصنيع، يتم تكسير البوكسيت وغسله لإزالة الطين والمواد الغريبة العالقة. ثم تتم عملية إزالة بعض الماء الموجود في البوكسيت بتسخينه في قمائن (أفران)، وبعد ذلك يطحن البوكسيت إلى مسحوق وينقل إلى مصانع التنقية حيث يتم تحويله إلى ألومنيوم.
كيف يتم تصنيع الألومنيوم
هناك خطوتان أساسيتان لتصنيع الألومنيوم : 1- تنقية البوكسيت للحصول على الألومينا. 2- تنقية الألومينا بالصَّهر للحصول على الألومنيوم.
وبعد التنقية بالصهر يتم صب الألومنيوم المنصهر في قوالب أو في صور أخرى. ويتم بعد ذلك تحويله إلى المنتجات النهائية. ويُستخدم ما بين 1,8 إلى 2,7 كجم من البوكسيت لإنتاج 0,5 كجم من الألومنيوم.
تنقية البوكسيت. وفيها يتمُّ فصل الألومينا الموجودة في المعدن الخام عن أكسيد الحديد والسليكا وأكسيد التيتانيوم. ويستخدم منتجو الألومنيوم طريقة باير لفصل الألومينا. وقد اخترع هذه الطريقة العالم النمساوي كارل جوزيف باير عام 1888م.
ويبدأ منتجو الألومنيوم طريقة باير بخلط مسحوق البوكسيت بمحلول الصودا الكاوية (هيدروكسيد الصوديوم). وتقوم آلات خاصة بِضَخ المخلوط إلى صهاريج كبيرة تسمى وحدات الهضم. وفي الهاضمات يتم تسخين الخليط تحت ضغط في درجة حرارة تتراوح ما بين 150°م و250°م لمدة 30 دقيقة. وتسبب الحرار ة والضغط ذوبان الألومينا في هيدروكسيد الصوديوم وتكوين محلول من ألومينات الصوديوم. تتبقى المواد الأخرى في البوكسيت على هيئة صلبة تسمى الطين الأحمر نظرًا للونها الأحمر.
ويمر محلول ألومينات الصوديوم ومعه الطين الأحمر خلال مجموعة من الصهاريج التي تحتوي على مرشحات من القُماش لفصل المحلول عن المادة الصُّلبة، ثم يتم استبعاد الطين الأحمر، ويبرد محلول ألومينات الصوديوم ويرسل إلى صهاريج أخرى تُسمى المُرسِّبات. وهناك تضاف بلورات من هيدروكسيد الألومنيوم إلى محلول ألومينات الصوديوم الذي يتم رجُّه (تقليبه) لعدة أيام. وتسبب هذه المرحلة ترسيب معظم الألومينا الموجودة في المحلول وتجمعها على سطح البلورات.
وبعد ترسيب الألومينا يتمُّ ترشيح المحلول لفصل البلورات عن المحلول. وتغسل البلورات لإزالة أي شوائب عالقة، ثم تسخن إلى درجة حرارة 100,1 200,1°م. وتعمل الحرارة على طرد الماء من هيدروكسيد الألومنيوم وتترك بلورات بيضاء دقيقة من مسحوق الألومينا.
تتركب الألومينا من الألومنيوم والأكسجين. ولاسترجاع الألومنيوم من المحلول، يُعيدُ المصنِّعون تنقية المحلول بإضافة كمية جديدة من البوكسيت وهيدروكسيد الصوديوم. وقد تُضاف كميات صغيرة من الجير (أكسيد الكالسيوم) ورماد الصودا (كربونات الصوديوم غير المائية).
صَهْر الألومينا. يَتِمُّ فيه فصل الألومنيوم الموجود في مسحوق الألومينا عن الأكسجين. وتتم عملية الصهر باستخدام طريقة هال هيرولت. وقد استنبط هذه الطريقة سنة 1886م اثنان من العلماء،كُلٌّ بمفرده. وهذان العالمان هما العالم الأمريكي تشارلز مارتن هال والفرنسي بول.ل. ت. هيرولت.
ويبدأ منتجو الألومنيوم استخدام طريقة هال هيرولت بإذابة الألومينا في مغطس كيميائي يتركَّب أساسًا من الكريوليت (فلوريد الصوديوم والألومنيوم). يوجد أيضًا في هذا المغطس الكيميائي كميات صغيرة من فلوريد الألومنيوم وفلوريد الكالسيوم. ويوضع هذا المغطس الكيميائي في حوض كبير مستطيل من الصُّلب ويسخن حتى درجة 950°م. وتسمى أحواض الصُّلب هذه خلايا أو أحواضًا، وهي مبطنة من الداخل بالكربون.
وفي مرحلة تالية تسمى الاختزال بالتحليل الكهربائي يُعَلَّق لوح أو أكثر من الكربون داخل كل حوض ثم تُرسل شحنات كهربائية خلال المغطس الكيميائي من البطارية. ويسري التيار الكهربائي إلى الكربون المبطن للحوض الصُّلب مكملاً الدائرة الكهربائية. وتعمل ألواح الكربون عمل الأنود أو القطب الموجب من الدائرة الكهربائية بينما يعمل الغلاف الكربوني للحوض عمل الكاثود أو القطب السَّالب. وخلال مرور التيار الكهربائي في الخليَّة تتحلل الألومينا إلى مكوناتها. ويتحد عنصر الأكسجين في الألومينا مع الكربون في الأنود ويعطي غاز ثاني أكسيد الكربون. ويتجمع الألومنيوم على الكاثود في قاع الخلية.
يوجد في مصنع الألومنيوم عدد من الخلايا قد يصل إلى 200 خلية تحليل كهربائي متصلة بعضها ببعض في صف طويل يُسمى خط الخلايا الكهربائية. ويستمر اختزال الألومينا إلى ألومنيوم في الخلايا بصفة مستمرة. وتضاف الألومينا إلى الخلايا بانتظام، ويعمل التيار الكهربائي على احتفاظ المغطس الكيميائي داخل الخلية بدرجة الحرارة المناسبة. ويمكن للخلية الكهربائية الكبيرة جدًا أن تنتج حوالي 1,8 طنًا متريًا من الألومنيوم يوميًا.
صَبُّ الألومنيوم المنصهر. يتم سحب الألومنيوم السائل من خط الخلايا مرة واحدة في اليوم تقريبًا وتُفَرَّغ في أوعية خاصَّة تسمى بوتقات.تحمل كل بوتقة من 1,6 إلى 3,6 طن متري من الألومنيوم. ويتم صَبُّ معظم الألومنيوم في ألواح تُسمى صبّات.ويوجد نوعان من الصَّبات: 1 صبات التصنيع. 2 صبات المسابك. كما يتم صب الألومنيوم أيضًا في أشكال أخرى تسمى الكتل.
صبات التصنيع أو صبات الدلفنة يستخدمها منتجو الألومنيوم لتصنيع شرائط وألواح ورقائق. وقد تكون الصَّبَّة بطول تسعة أمتار وعرض 1,8مترًا وسمك 0,6 متر وقد تزن 16 طنًا متريًا. ولصنع صبَّة التَّصنيع فإنّ المنتجين يصنعون سبائك الألومنيوم أثناء إعداد هذه الصَّبات، وذلك بإضافة فلزات أخرى إلى الألومنيوم المنصهر في الفرن، حيث يتم تنقية خليط الفلزات معًا. ويمكن أيضًا إضافة الألومنيوم المستعمل أو الألومنيوم المعاد تصنيعه. تتضمن عملية التنقية التي تسمى أيضًا عملية الصَّهر إمرار غاز النيتروجين أو بعض الغازات الأخرى خلال السَّائل المنصهر عن طريق مضخات.
وتؤدي هذه الغازات إلى طفو الشَّوائب على السَّطح، حيث يتم كشطها والتخلص منها. وتحدث بعض التفاعلات الكيميائية أثناء عملية الصَّهر، وتؤدي هذه التفاعلات إلى احتجاز بعض من غاز الهيدروجين داخل السَّائل المنصهر. وفي مرحلة أخرى من مراحل التَّصنيع تُسمى مرحلة إزالة الغازات، يضاف غاز الكلور أو بعض الغازات الأخرى إلى السائل المنصهر لإزالة الهيدروجين.
وبعد الانتهاء من عملية الصَّهر وإزالة الغازات، يتم صبُّ سبائك الألومنيوم المنصهر في صبَّات، عادة بطريقة التبريد المباشر. وفي هذه الطريقة وبعد صب السبيكة في القالب، يَتَعَرَّض القالب لتيار من الماء البارد. ويعمل الماء البارد على سرعة تبريد السبيكة وتقويتها.
صبات المسابك. وتسمى أيضًا صبات السبائك أو صبات إعادة الصهر وتزن من 1,8 إلى 23 كجم. وفي معظم الأحوال يتم صب الألومنيوم المنصهر من البوتقة مباشرة إلي قوالب التشكيل، حيث يُتْرَك لِيَبْرد ويَتَصلَّب تدريجيًا. ويبيع منتجو الألومنيوم صبَّات المسابك مباشرة إلى مصانع تُسمى المسابك. وفي هذه المسابك يُعاد صهر الصبات مع الألومنيوم المستعمل والألومنيوم المعاد تصنيعه كما تجرى عمليات السبك والصَّهر وإزالة الغازات. وتتم إعادة تشكيل سبائك الألومنيوم على شكل أجزاء للاستخدام العملي في السيارات والمنتجات الأخرى.
كتل الألومنيوم تصنع إما في أشكال مستطيلة أو في شكل أعمدة رفيعة. ويتم تصنيعها بالطريقة التي تصنع بها صبات التصنيع. ويُصنع منها كتل مستطيلة الشكل وقضبان وأجزاء آلات أخرى متعددة. وتشبه القضبان الكتل المستطيلة الصغيرة من حيث الشكل،كما يمكن لهذه القضبان أيضًا أن تكون سداسية أو ثمانية الأضلاع، وتشبه القضبان شكل أعمدة الكُتَل الصغيرة. كما يتم تحويل القضبان والأعمدة إلى أنابيب وأسلاك وعدد من المنتجات الأخرى.
المصدر
http://www.ibtesama.com/vb/showthread-t_38047.html
