Encyklopedie hliníku. 8089041884

Citation preview

Štefan Očenášek• •Rudolf Rudolf Kořený ŠtefanMichna Michna••Ivan Ivan Lukáč Lukáč • Vladivoj Vladivoj Očenáček Kořený JaromírDrápala Drápala••Heinz Heinz Schneider Schneider ••Andrea Jaromír AndreaMiškufová Miškufová• a• kol. a kol.

Válcovací síla Nást
ikové rampy

± Protiohyby pracovních válc

M
ení tloušky

Snímací váleek

Regulace zadního tahu odvíjeky

Regulace hlavního pohonu a p
edního tahu navíjeky


1

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Štefan Michna – Ivan Lukáč – Vladivoj Očenášek Rudolf Kořený – Jaromír Drápala – Heinz Schneider Andrea Miškufová a kol.

Kapitola 3: Koroze hliníku a jeho slitin

2

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU Štefan Michna – Ivan Lukáč – Vladivoj Očenášek Rudolf Kořený – Jaromír Drápala – Heinz Schneider Andrea Miškufová a kol. Lektorovali:

Doc. Ing. Dudrová Eva, CSc. Doc. Ing. Voldán Břetislav, CSc.

Návrh obálky: Róbert Vico Tisk knihy:

Adin, s. r. o., Prešov 2005

ISBN 80-89041-88-4 Předmluva:

Štefan Michna

3

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

PŘEDMLUVA Prakticky již 50. let nebyla vydána publikace, která by se komplexně věnovala hliníku a jeho slitinám, a to od jejich vlastností, přes prvovýrobu hliníku, tavení a odlévání, tváření, tepelné zpracování, korozi, práškovou metalurgii, povrchové úpravy až po nové trendy v technologii a materiálech. Poslední knižní publikace zabývající se v celé šíři hliníkem a jeho slitinami v českém jazyce byla napsána mezinárodním kolektivem autorů a vydána v roce 1969. Za období posledních padesáti let zaznamenala výroba Al slitin jak ve světě, tak i v České a Slovenské republice velký narůst, a to jak v objemu výroby, tak i sortimentně a není prakticky odvětví lidské činnosti, kde by se výrobky Al slitin nepoužívaly. Současně se rozvíjely nové technologie a nekonvenční metody výroby Al slitin. Ke značnému rozvoji výroby a spotřeby hliníku a jeho slitin došlo především v leteckém a automobilovém průmyslu. To všechno vede k tomu, že značně roste výroba Al a jeho slitin ve světě a při současném trendu růstu je předpoklad, že za dvacet let celosvětově vzroste výroba Al slitin o 600 %. Z toho pohledu se publikace ,,Příručka o hliníku” stala v mnoha ohledech technicky zastaralou a neposkytuje (především různým výrobcům, ale také uživatelům) potřebné informace. To všechno mě vedlo k myšlence napsat takovouto publikaci, ale její uskutečnění nebylo vůbec jednoduché, a to jak z důvodu velkého rozsahu a různorodosti samotné obsahové náplně, tak i z důvodu finančního zajištění pro vydání tak náročné knihy. Text není ale novým pokračováním známé „Příručky o hliníku“, protože jak obsahově, tak i zaměřením jde o úplně novou publikaci v kontextu 21. století, kde za poslední období padesáti let bylo objeveno množství nových technologií a materiálů, o kterých tato kniha pojednává. To byly důvody vedoucí k mému rozhodnutí napsat novou knižní publikaci. Odborná stránka takového díla si vyžádala širší autorský kolektiv, jehož jednotliví členové jsou odborníci různých oblastí (prvovýroba, tavení, odlévání, tváření, tepelné zpracování, nekonvenční materiály a vlastnosti). Tak pod mým vedením vznikl kolektiv autorů, který se pravidelně setkával v rámci konferencí Aluminium a který se věnuje různým aspektům výroby a technologií Al slitin. Rozhodli jsme se napsat takovou komplexní publikaci, která zahrnuje široké spektrum známých poznatků z oblasti výroby, zpracování a využití nových technologií v oblasti Al slitin pod názvem „Encyklopedie hliníku“. Samotná příprava a napsání publikace znamenaly více než dva roky intenzivní práce celého realizačního kolektivu autorů, jejichž snahou bylo v co nejširší míře podchytit nové poznatky a informace v dané oblasti. Snahou (kromě technologických a výrobních aspektů) bylo také podchytit technologické, chemické, mechanické, korozní a fyzikální vlastnosti Al slitin, popsat základní binární a ternární diagramy Al – příměs a podat určitý přehled o vnitřní struktuře a vadách u Al slitin. Zvláštní pozornost je v publikaci věnována oblasti nových technologií a Al materiálů, jako jsou kompozitní materiály, prášková metalurgie, pěnový hliník atd., které znamenají nové trendy v oblasti využití. Proto z důvodu rozsáhlosti a rozmanitosti publikace byli postupně osloveni další odborníci zabývající se danou oblastí, aby poznatky uvedené v publikaci byly napsány přímo specialisty, a tak se postupně počet autorů a spoluautorů rozrostl na celkem třicet osob. Publikace je koncipována do deseti samostatných kapitol s více než stem navazujících podkapitol. První kapitola se věnuje přehledu surovinových zdrojů, výrobě a použití hliníku a jeho slitin, označování a přehledu tvářených a slévárenských hliníkových slitin až po metody prvovýroby hliníku. Kapitola č. 2 se věnuje obecně fyzikálním, chemickým, mechanickým a technologickým vlastnostem hliníku a jeho slitin a základním nejvíce používaným binárním a ternárním diagramům hliníku. Kapitola č. 3 se věnuje korozi u hliníku a jeho slitin, jednotlivým druhům koroze a vlivu různých aspektů na odolnost proti korozi. Kapitola č. 4 popisuje tavení a odlévání hliníku a jeho slitin, a to z hlediska různých forem odlévání, rafinací, a očkování taveniny a také možnosti zjemnění výsledné struktury. Kapitola č. 5

Předmluva

Štefan Michna

4

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

je věnována tváření hliníku a jeho slitin, a to lisováním, válcováním, kováním, tažením za studena, ohýbáním a tvarováním. Velká část této kapitoly je také věnována nástrojům a materiálům pro tváření. Kapitola č. 6. se zabývá různými aspekty tepelného zpracování. Obsáhlá kapitola č. 7 je věnována strukturám a vadám u hliníkových materiálů a také novým trendům při přípravě vzorků a využití barevné metalografie při identifikaci jednotlivých strukturálních složek. Kapitola č. 8 je věnována různým povrchovým úpravám, a to hlavně eloxování, které je u Al slitin nejvíce využíváno. Kapitola č. 9 je věnována práškové metalurgii hliníku a kapitola č. 10 pojednává o nových materiálech a nových trendech v technologiích. Publikace je věnována všem pracovníkům ve výrobě a zpracování Al slitin, technologům a vývojovým pracovníkům z dané oblasti a také posluchačům vysokých škol v oblasti studia neželezných kovů, slévárenství, tváření a nauky o materiálech. Ti všichni najdou v deseti samostatných kapitolách a ve více než sto podkapitolách vše o vlastnostech, struktuře, technologiích, výrobě a zpracování Al slitin. Doufám, že publikace bude pro všechny přínosem a pomůže všem, pro které je určena, což je i cílem kolektivu autorů, který tuto obsáhlou publikaci napsal. Za to jim všem patří upřímné poděkování za spolupráci při realizaci tohoto ojedinělého počinu.

V Děčíně 30. 1. 2005

Předmluva

Ing. Štefan Michna, PhD. autor

Štefan Michna

5

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

PODĚKOVÁNÍ Jménem kolektivu hlavních autorů bych rád poděkoval všem, kteří se zasloužili o vydání této publikace jak po stránce obsahové, tak i po stránce finanční a technického zabezpečení. Za finanční a technickou pomoc bych chtěl poděkovat těmto firmám: • • • • • • •

Alcan Děčín Extrusions s. r. o., VÚK Panenské Břežany, AL INVEST Břidličná a. s., TU Košice, Hutnická fakulta, SAV Košice, VŠB – TU Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, IDEAL - Trade Service spol. s r. o.

Za zpracování kapitol a podkapitol by chtěl kolektiv hlavních autorů vyjádřit své poděkování dalším kolegům a spolupracovníkům, kteří se na nich podíleli: • • • • • • • • • • • • • • • •

Prof. Ing. Tomáš Havlík, DrSc. – pomoc při zpracování kapitol 1.8. – 1.14., Ing. Věra Jelínková – zpracování kapitoly 1.5., Dr. Ing. Dalibor Vojtěch – zpracování kapitol 2.5., 10.4., 10.5. a 10.6., Prof. Ing. Karel Tomášek – zpracování kapitoly 2.11., Doc. Ing. Jarmila Ševčíková, PhD. – zpracování kapitoly 3., Ing. Peter Benko, PhD. – zpracování kapitoly 4.5. a 4.6., Ing. Karel Brada, MBA – zpracování kapitoly 5.2., Ing. Jozef Mikloška – zpracování kapitoly 5.7., p. George F. Vander Voort a p. Elena P. Manilova – zpracování kapitoly 7.1., Ing. Michal Palko – pomoc při zpracování kapitoly č. 8., Ing. Juraj Ďurišin, CSc., Ing. Mária Orolínová, Ing. Katarína Ďurišinová – zpracování kapitoly č. 9., Ing. Jiří Faltus, CSc. a Ing. Karel Plaček, CSc. – zpracování kapitoly 10.1., Ing. Petr Vrábel – zpracování kapitoly 10.7., Dr. Ing. Jaroslav Jerz – zpracování kapitoly 10.8., Dr. Ing. Lubomír Zahradník, CSc. – zpracování kapitoly 10.11., Doc. Ing. Petr Louda, CSc. – zpracování kapitoly 10.12.

Kolektiv autorů by chtěl též poděkovat za jazykovou korekturu textu spolupracovnicím: • Mgr. Libuši Křesťanové, • Mgr. Haně Cermonové, • PaedDr. Naděždě Svrčinové. Poděkování patří i p. Jiřině Mištíkové za grafickou úpravu textu a obrázků a p. Róbertu Vicovi za přípravu obálky knihy a konečnou grafickou úpravu knihy.

V Děčíně 27. 5. 2005

Poděkování

Ing. Štefan Michna, PhD. autor

Štefan Michna

6

Kapitola 9. Štefan Michna Předmluva:

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Juraj Ďurišin, Mária Orolínová, Katarína Ďurišinová

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

7

OBSAH ENCYKLOPEDIE HLINÍKU Předmluva (Štefan Michna) ................................................................................................................................. 3 Poděkování (Štefan Michna) ................................................................................................................................ 5

1. PŘEHLED O VÝROBĚ A POUŽITÍ HLINÍKU A JEHO SLITIN ...........................................................14 1.1.

1.2. 1.3.

1.4.

1.5.

1.6. 1.7. 1.8. 1.9.

1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 1.14.

Surovinové zdroje pro výrobu hliníku (Andrea Miškufová, Tomáš Havlík) ........................................ 14 1.1.1. Bauxit a jeho formulace ....................................................................................................... 14 1.1.2. Naleziště bauxitů .................................................................................................................. 16 Přehled světové výroby hliníku od r. 1950 do r. 2003 a její perspektivy (Ivan Lukáč) ....................... 18 Oblasti použití hliníku a jeho slitin (Štefan Michna) ........................................................................... 22 1.3.1. Hliník v dopravě .................................................................................................................. 23 1.3.2. Hliník ve stavebnictví .......................................................................................................... 27 1.3.3. Hliník v potravinářském průmyslu ...................................................................................... 28 1.3.4. Jiné oblasti použití hliníku a jeho slitin ............................................................................... 30 Hliník a zdraví (Štefan Michna) ........................................................................................................... 31 1.4.1. Hliník a životní prostředí ..................................................................................................... 31 1.4.2. Hliník v lidském těle ............................................................................................................ 31 1.4.3. Hliník v medikamentech ...................................................................................................... 32 1.4.4. Hliník v potravě a obalech ................................................................................................... 33 Označování slitin hliníku (Věra Jelínková) ......................................................................................... 33 1.5.1. Označování hliníku a slitiny hliníku podle ČSN EN ........................................................... 33 1.5.2. Označování hliníku a slitiny hliníku podle ČSN ................................................................. 34 Přehled slévárenských hliníkových slitin (Ivan Lukáč) ....................................................................... 38 Přehled hliníkových slitin pro tváření (Ivan Lukáč) ............................................................................ 41 Výroba oxidu hlinitého z bauxitu (Andrea Miškufová, Tomáš Havlík) ............................................... 44 Bayerova a spékací metoda výroby oxidu hlinitého (Andrea Miškufová, Tomáš Havlík) .................... 46 1.9.1. Bayerova metoda ................................................................................................................. 46 1.9.2. Technologie Bayerovy metody ............................................................................................ 47 1.9.3. Popis jednotlivých operací Bayerova procesu ..................................................................... 48 1.9.4. Spékací metoda výroby Al2O3 .............................................................................................. 62 Kombinované metody výroby oxidu hlinitého (Andrea Miškufová, Tomáš Havlík) ........................... 68 Výroba hliníku elektrolýzou (Andrea Miškufová, Tomáš Havlík) ....................................................... 71 Alternativní metody výroby hliníku a moderní trendy ve vývoji technologií (Andrea Miškufová, Tomáš Havlík) ....................................................................................................... 93 Rafinace hliníku (Andrea Miškufová, Tomáš Havlík) ........................................................................ 103 Speciální metody rafinace hliníku (Andrea Miškufová, Tomáš Havlík) ............................................. 116

2. VLASTNOSTI HLINÍKU A JEHO SLITIN ..................................................................................... 119 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

2.5. 2.6.

2.7.

Úvod (Ivan Lukáč) ............................................................................................................................. 119 Fyzikální vlastnosti hliníku (Ivan Lukáč) .......................................................................................... 119 Aplikace fyzikální metalurgie u hliníku a jeho slitin (Ivan Lukáč) ................................................... 120 Technologické vlastnosti hliníku a jeho slitin (Vladivoj Očenášek) .................................................. 131 2.4.1. Tvárnost ............................................................................................................................. 131 2.4.2. Svařitelnost ........................................................................................................................ 131 2.4.3. Obrobitelnost ..................................................................................................................... 136 Chemické vlastnosti hliníku a jeho slitin (Dalibor Vojtěch) .............................................................. 139 Mechanické, únavové a lomové vlastnosti hliníku a jeho slitin (Vladivoj Očenášek) ............................................................................................................................. 143 2.6.1. Mechanické vlastnosti ........................................................................................................ 143 2.6.2. Únavové vlastnosti ............................................................................................................. 152 2.6.3. Lomové vlastnosti .............................................................................................................. 156 Vybrané binární diagramy hliník – příměs (Jaromír Drápala) .......................................................... 162 Obsah

8

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

2.7.1. Diagram Al – B .................................................................................................................. 169 2.7.2. Diagram Al – Bi ................................................................................................................. 170 2.7.3. Diagram Al – Cr ................................................................................................................. 171 2.7.4. Diagram Al – Cu ................................................................................................................. 173 2.7.5. Diagram Al – Fe ................................................................................................................. 176 2.7.6. Diagram Al – Li ................................................................................................................. 178 2.7.7. Diagram Al – Mg ................................................................................................................ 179 2.7.8. Diagram Al – Mn ............................................................................................................... 181 2.7.9. Diagram Al – Ni ................................................................................................................. 183 2.7.10. Diagram Al – Pb ................................................................................................................ 185 2.7.11. Diagram Al – Si ................................................................................................................. 185 2.7.12. Diagram Al – Sn ................................................................................................................ 187 2.7.13. Diagram Al – Ti ................................................................................................................. 187 2.7.14. Diagram Al – Zn ................................................................................................................ 189 2.8. Vybrané ternární diagramy hliník – příměs (Jaromír Drápala) ........................................................ 191 2.8.1. Diagram Al – Bi – Pb ......................................................................................................... 192 2.8.2. Diagram Al – Bi – Sn ......................................................................................................... 193 2.8.3. Diagram Al – Cu – Mg ...................................................................................................... 194 2.8.4. Diagram Al – Cu – Si ......................................................................................................... 200 2.8.5. Diagram Al – Cu – Zn ........................................................................................................ 201 2.8.6. Diagram Al – Mg – Si ........................................................................................................ 205 2.8.7. Diagram Al – Mg – Zn ...................................................................................................... 209 2.8.8. Diagram Al – Mn – Zn ....................................................................................................... 214 2.8.9. Diagram Al – Cu – Mn ...................................................................................................... 216 2.8.10. Diagram Al – Cr – Fe ......................................................................................................... 218 2.9. Periodická korelační závislost rozdělovacích koeficientů v hliníku a její význam (Jaromír Drápala) ............................................................................................................................... 219 2.9.1. Definice rovnovážného rozdělovacího koeficientu a jeho stanovení ................................. 219 2.9.2. Rozdělovací koeficienty příměsí v hliníku ........................................................................ 220 2.9.3. Periodická korelační závislost rozdělovacích koeficientů příměsí v hliníku a její význam pro praxi a řízení procesů probíhajících na rozhraní krystal – tavenina .............. 222 2.9.4. Křivky rozpustnosti příměsí v tuhém roztoku α slitin hliníku ........................................... 225 2.10. Interval tuhnutí a metody jeho stanovení (Jaromír Drápala) ............................................................ 226 2.11. Teoretické aspekty rozpustnosti vodíku v roztaveném hliníku (Karel Tomášek) .............................. 228

3. KOROZE HLINÍKU A JEHO SLITIN (JARMILA ŠEVČÍKOVÁ) .......................................................235 3.1. 3.2. 3.3.

3.4.

Korozní vlastnosti hliníku a jeho slitin ............................................................................................... 235 Vliv chemického složení na odolnost proti korozi ............................................................................. 236 Druhy koroze u hliníku a jeho slitin ................................................................................................... 238 3.3.1. Bodová koroze ................................................................................................................... 238 3.3.2. Mezikrystalická koroze ...................................................................................................... 241 3.3.3. Koroze po vrstvách ............................................................................................................ 242 3.3.4. Korozní praskání ................................................................................................................ 242 3.3.5. Korozní únava .................................................................................................................... 243 3.3.6. Vibrační koroze .................................................................................................................. 243 3.3.7. Kontaktní koroze ................................................................................................................ 244 Působení různých prostředí na hliník a jeho slitiny ............................................................................ 244 3.4.1. Elektrochemická koroze ..................................................................................................... 244 3.4.2. Chemická koroze ............................................................................................................... 252

4. TAVENÍ A ODLÉVÁNÍ HLINÍKU A JEHO SLITIN (RUDOLF KOŘENÝ) ...........................................253 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.

Obsah

Všeobecné poznatky o tavení a odlévání hliníkových slitin ............................................................... 253 Technologie přípravy slitin na bázi hliníku ........................................................................................ 262 Pece a zařízení k tavení a lití hliníku a jeho slitin ............................................................................... 266 Rafinace a ošetření taveniny ............................................................................................................... 271

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. 4.13. 4.14.

9

Zjemnění struktury hliníkových slitin (Peter Benko) ........................................................................ 274 Očkování siluminů novými příměsmi (Peter Benko) ........................................................................ 280 Výroba odlitků do pískových forem ................................................................................................... 284 Odlévání odlitků do netradičních forem ............................................................................................. 290 Nízkotlaké a vakuové odlévání ........................................................................................................... 293 Gravitační a odstředivé lití .................................................................................................................. 297 Přesné lití slitin hliníku ....................................................................................................................... 300 Tlakové lití .......................................................................................................................................... 305 Odlévání v magnetickém a ultrazvukovém poli ................................................................................. 309 Polokontinuální odlévání do krystalizátorů nepřímo chlazených vodou ............................................ 310

5. TVÁŘENÍ HLINÍKU A JEHO SLITIN (VLADIVOJ OČENÁŠEK) .....................................................312 5.1.

5.2.

5.3.

5.4.

5.5. 5.6. 5.7.

Průtlačné lisování hliníku a jeho slitin za tepla .................................................................................. 312 5.1.1. Přímé lisování .................................................................................................................... 313 5.1.2. Nepřímé lisování ................................................................................................................ 314 5.1.3. Hydrostatické lisování ....................................................................................................... 315 5.1.4. Lisování metodou ,,Conform“ ........................................................................................... 315 5.1.5. Další postupy lisování ........................................................................................................ 316 5.1.6. Lisovatelnost slitin hliníku a vliv podmínek lisování ........................................................ 319 5.1.7. Technologické operace související s lisováním ................................................................. 321 5.1.8. Vady výlisků ....................................................................................................................... 324 5.1.9. Nehomogenita a anizotropie struktury a vlastností výlisků ............................................... 325 Válcování hliníku a jeho slitin (Karel Brada) .................................................................................... 329 5.2.1. Úvod ................................................................................................................................... 329 5.2.2. Schéma výroby .................................................................................................................. 330 5.2.3. Slitiny pro válcování .......................................................................................................... 331 5.2.4. Výroba předvalků ............................................................................................................... 332 5.2.5. Válcování za studena ......................................................................................................... 333 5.2.6. Regulace procesu válcování ............................................................................................... 334 5.2.7. Finální operace ................................................................................................................... 339 5.2.8. Mechanické vlastnosti plechů a pásů, vlastnosti desek ..................................................... 339 5.2.9. Polotovary z plechů a pásů ................................................................................................ 341 5.2.10. Vlastnosti fólií .................................................................................................................... 341 5.2.11 . Veličiny a zkratky .............................................................................................................. 342 Kování hliníku a jeho slitin ................................................................................................................. 343 5.3.1. Vliv teploty a rychlosti deformace ..................................................................................... 343 5.3.2. Způsoby kování .................................................................................................................. 345 5.3.3. Vstupní materiál a technologické operace související s kováním ..................................... 348 5.3.4. Homogenita struktury a vlastnosti výkovků ...................................................................... 349 Tažení drátů, tyčí a trubek z hliníku a jeho slitin za studena .............................................................. 351 5.4.1. Tažení drátů ........................................................................................................................ 353 5.4.2. Tažení tyčí a trubek ............................................................................................................ 354 Ohýbání tyčí, profilů a trubek ............................................................................................................. 356 Tváření plechů .................................................................................................................................... 358 Nástroje a nářadí pro tváření (Jozef Mikloška) .................................................................................. 362 5.7.1. Nástroje pro průtlačné lisování .......................................................................................... 362 5.7.2. Materiálové řešení nástrojů pro průtlačné lisování hliníkových slitin ............................... 363 5.7.3. Typy nástrojů pro průtlačné lisování .................................................................................. 365 5.7.4. Nástroje pro zápustkové kování ......................................................................................... 366 5.7.5. Nástrojové materiály pro objemové tváření ....................................................................... 367 5.7.6. Materiálové řešení nástrojů pro tváření za tepla ................................................................ 368 5.7.7. Nástrojové oceli ................................................................................................................. 372 5.7.8. Chemické složení nástrojových ocelí pro tváření za tepla ................................................. 373 5.7.9. Nové nástrojové oceli pro tváření za tepla ......................................................................... 374 5.7.10. Přehled ocelí kalitelných ve vakuu v kalírně Bodycote HT, technické parametry a použití ............................................................................................................ 375

Obsah

10

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

5.7.11. 5.7.12. 5.7.13.

Nové směry chemicko-tepelného zpracování používaného pro zvyšování životnosti nástrojů .............................................................................................................. 376 Nové možnosti zlepšování tribologických vlastností povrchu nástrojů ............................ 377 Vytvrzení povrchových vrstev pomocí hybridních technologií ......................................... 378

6. TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ HLINÍKU A JEHO SLITIN (IVAN LUKÁČ) ...............................................379 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6.

Definice, základní terminologie .......................................................................................................... 379 Rozdělení způsobu tepelného zpracování hliníku a jeho slitin ........................................................... 379 Tepelné zpracování jednotlivých typů slitin ....................................................................................... 393 Označování stavů tepelného zpracování hliníku a jeho slitin ............................................................. 399 Doporučené technologické parametry tepelného zpracování ............................................................. 404 Zařízení pro tepelné zpracování .......................................................................................................... 409

7. STRUKTURY A VADY U HLINÍKU A JEHO SLITIN (ŠTEFAN MICHNA) ......................................... 411 7.1.

7.2.

7.3.

7.4.

Obsah

Metalografická příprava hliníkových slitin (George F. Vander Voort, Elena P. Manilova) ............... 411 7.1.1 Metalografická příprava hliníkových slitin ......................................................................... 411 7.1.2. Úvod ................................................................................................................................... 411 7.1.3. Experimenty přípravy metalografického vzorku ............................................................... 411 7.1.4. Experimenty s leptáním ..................................................................................................... 419 7.1.5. Závěry ................................................................................................................................ 422 Vyvolání a využití barevného kontrastu při identifikaci jednotlivých strukturálních složek a vad u hliníku a jeho slitin ...................................................................................................... 423 7.2.1. Možnosti vyvolání a využití barevného kontrastu u hliníkových slitin ............................. 423 7.2.2. Polarizované světlo u hliníkových slitin ............................................................................ 423 7.2.3. Barevné leptání u hliníkových slitin .................................................................................. 425 7.2.4. Napařované interferenční vrstvy ........................................................................................ 428 7.2.5. Barevná metalografie a EDX analýza při identifikaci Cr částic ........................................ 429 7.2.6. Barevná metalografie a EDX analýza při identifikaci Zr částic ......................................... 430 7.2.7. Barevná metalografie a EDX analýza při identifikaci Fe částic ........................................ 431 7.2.8. Barevná metalografie a EDX analýza při zkoumání chemické nehomogenity dendritických buněk ........................................................................................................... 432 7.2.9. Závěr .................................................................................................................................. 436 Struktury hliníku a hliníkových slitin ................................................................................................. 437 7.3.1. Metalografické metody zkoušení ....................................................................................... 437 7.3.2. Struktury litého stavu hliníku čistoty Al 99.99 % .............................................................. 438 7.3.3. Struktury litého stavu hliníku čistoty Al 99.6 % ................................................................ 438 7.3.4. Struktury litého stavu slitiny AlMgSi1 .............................................................................. 439 7.3.5. Struktury litého stavu slitiny AlCu4Mg1 ........................................................................... 439 7.3.6. Struktury slitiny AlCu4MgMn ........................................................................................... 440 7.3.7. Struktury litého stavu slitiny AlZn6MgCu ........................................................................ 441 7.3.8. Struktury tvářeného stavu slitiny AlMgSiPb ..................................................................... 442 7.3.9. Struktury litého stavu slitiny typu Al – Si .......................................................................... 442 7.3.10. Identifikace intermetalických fází u slitiny AlCu5.5PbBi ................................................. 444 7.3.11. Identifikace intermetalických fází u slitiny AlCuSnBi vyloučených po hranicích zrn ...... 445 7.3.12. Identifikace intermetalických fází u slitiny AlMgSiCu ..................................................... 445 7.3.13. Identifikace intermetalických fází u slitiny AlCuSiMn ..................................................... 446 7.3.14. Identifikace intermetalických fází u slitiny AlZn6MgCu1.5 ............................................. 447 7.3.15. Identifikace intermetalických fází u slitiny AlTi5B1 ......................................................... 447 7.3.16. Identifikace intermetalických fází u slitiny AlFe10 ........................................................... 448 Vady hliníkových slitin zjistitelných na makrostruktuře litých čepů a lisovaných polotovarů .......... 449 7.4.1. Charakteristika vad zjistitelných na makrostruktuře .......................................................... 449 7.4.2. Naplynění – mikroporezita ................................................................................................ 450 7.4.3. Vměstky makroskopické kovové a nekovové .................................................................... 450 7.4.4. Puchýře (bubliny) .............................................................................................................. 451

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

7.5.

7.6.

7.7.

7.8.

11

7.4.5. Naplátování výlisků ........................................................................................................... 452 7.4.6. Příčné trhliny na povrchu ................................................................................................... 453 7.4.7. Vnitřní trhliny .................................................................................................................... 454 7.4.8. Hrubozrnná povrchová vrstva ............................................................................................ 454 7.4.9. Strukturální nehomogenita materiálu ................................................................................. 455 7.4.10. Zatažený kužel (vtaženiny) ................................................................................................ 456 7.4.11. Vady povrchu ..................................................................................................................... 457 7.4.12. Studené sváry ..................................................................................................................... 459 Vady u hliníku a hliníkových slitin zjistitelné na mikrostruktuře ....................................................... 460 7.5.1. Vměstky u hliníku a hliníkových slitin ................................................................................... 460 7.5.1.1. Oxidické blány .................................................................................................. 460 7.5.1.2. Oxidické vměstky a oxidické vločky ................................................................ 462 7.5.1.3. Cizorodé nekovové vměstky ............................................................................. 465 7.5.1.4. Boridové vměstky ............................................................................................. 466 7.5.2. Nerozpuštěné kovy a předslitiny ........................................................................................ 468 7.5.3. Nerozpuštěný křemík ......................................................................................................... 469 7.5.4. Nerozpuštěné částice zirkonu ............................................................................................ 471 7.5.5. Shluky nerozpuštěných částic chrómu ............................................................................... 473 7.5.6. Shluky částic a velké částice nerozpuštěného olova a bismutu ......................................... 474 7.5.7. Částice nerozpuštěného manganu a železa ........................................................................ 476 7.5.8. Přehřátí u hliníkových slitin ............................................................................................... 477 7.5.9. Mikroporezita u hliníkových slitin .................................................................................... 479 7.5.10. Hrubé intermetalické fáze a shluky fází ............................................................................. 480 Zrno u hliníku a v jeho slitinách v litém a tvářeném stavu ................................................................. 482 7.6.1. Zrno v litém stavu .............................................................................................................. 482 7.6.2. Odchylky od globulitického tvaru litého zrna ................................................................... 483 7.6.3. Zrno v tvářeném stavu – nerekrystalizovaná struktura ...................................................... 484 7.6.4. Rekrystalizovaná struktura ................................................................................................ 485 7.6.5. Tvar rekrystalizovaného zrna ............................................................................................. 486 7.6.6. Částečně rekrystalizovaná struktura .................................................................................. 488 7.6.7. Anomální struktury u rekrystalizovaného zrna .................................................................. 489 Substrukturální analýzy ...................................................................................................................... 492 7.7.1. Transmisní elektronová mikroskopie -TEM ...................................................................... 492 7.7.2. Příklady substrukturálního šetření u Al slitin .................................................................... 492 Fraktografické analýzy lomů a lomových ploch ................................................................................. 501 7.8.1. Fraktografie ........................................................................................................................ 501 7.8.2. Některé typické příklady lomových ploch a porušení materiálu u Al slitin ...................... 503

8. ÚPRAVA POVRCHU HLINÍKU A JEHO SLITIN (HEINZ SCHNEIDER, MICHAL PALKO) ..................509 8.1. 8.2. 8.3. 8.4.

8.5. 8.6.

8.7.

Anodická oxidace hliníku ................................................................................................................... 509 Teorie vytváření vrstvy ....................................................................................................................... 510 Fyzikálně-chemické vlastnosti anodicky vytvořených vrstev ............................................................ 512 Různé metody anodické oxidace hliníku ............................................................................................ 514 8.4.1. Stejnosměrný proud – metoda kyseliny sírové (GS metoda) ............................................ 515 8.4.2. Kyselina šťavelová – metoda kyseliny šťavelové .............................................................. 515 8.4.3. Metoda kyseliny chromové ................................................................................................ 516 8.4.4. Metoda smaltu .................................................................................................................... 516 Vliv složení slitiny, tažných a litých hliníkových materiálů na vlastnosti oxidických vrstev ............ 516 Technologie anodické oxidace hliníku ................................................................................................ 518 8.6.1. Předúprava hliníku před anodickou oxidací ...................................................................... 518 8.6.2. Mechanická úprava povrchu .............................................................................................. 520 8.6.3. Chemická předúprava ........................................................................................................ 520 8.6.4. Anodická oxidace – technologie výrobního procesu ......................................................... 526 8.6.5. Chyby, jejich příčiny a odstranění ..................................................................................... 528 Metody barvení ................................................................................................................................... 530 8.7.1. Chemické anorganické barvení .......................................................................................... 532

Obsah

12

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

8.7.2. Adsorpční barvení organickými barvivy ............................................................................ 533 Elektrolytické barvení ......................................................................................................................... 535 8.8.1. Elektrolytické barvení dvoustupňovou metodou ............................................................... 535 8.8.2. Chyby vzhledu při elektrolytickém dvoustupňovém barvení ............................................ 537 8.8.3. Elektrolytické barvení speciálních slitin (integrální metoda) ............................................ 540 8.8.4. Elektrolytické barvení (integrální postup) jednostupňovou metodou ................................ 540 8.8.5. Elektrolytické barvení interferenční metodou ................................................................... 540 8.9. Utěsnění oxidických vrstev ................................................................................................................. 542 8.9.1. Utěsnění v horké vodě (sealing za horka) .......................................................................... 542 8.9.2. Utěsnění v roztoku kovových solí při teplotách > 96° C ................................................... 544 8.9.3. Studený sealing (studená impregnace) ............................................................................... 545 8.9.4. Sealing za nízkých teplot (sealing za středních teplot) ...................................................... 548 8.9.5. Kontrola kvality utěsnění ................................................................................................... 548 8.9.6. Příčiny chyb utěsnění v praxi ............................................................................................. 550 8.9.7. Přehled metod pro zkoušku vrstev po anodické oxidaci .................................................... 551 8.10. Metody chemické předúpravy hliníku před práškovým a mokrým lakováním .................................. 552 8.10.1. Různé metody .................................................................................................................... 553 8.10.2. Metoda chromatování ........................................................................................................ 555 8.10.3. Žluté chromatování ............................................................................................................ 556 8.10.4. Zelené chromatování .......................................................................................................... 558 8.10.5. Transparentní chromatování .............................................................................................. 559 8.10.6. Příčiny chyb při žlutém chromatování ............................................................................... 560 8.10.7. No – Rinse – postupy obsahující chróm ............................................................................ 561 8.10.8. Metody bez obsahu chrómu ............................................................................................... 562 8.10.9. Metoda titan zirkonium ...................................................................................................... 563 8.10.10. Metoda cerátování .............................................................................................................. 565 8.10.11. Metoda SAM ...................................................................................................................... 565 8.10.12. Silanová technologie .......................................................................................................... 566 8.10.13. Metody zkoušek / normy pro chemickou předúpravu hliníku ........................................... 567 8.8.

9. PRÁŠKOVÁ METALURGIE HLINÍKU (JURAJ ĎURIŠIN, MÁRIA OROLÍNOVÁ, KATARÍNA ĎURIŠINOVÁ) ...............................................568 9.1. 9.2.

9.3.

9.4.

9.5.

Obsah

Prášková metalurgie obecně ............................................................................................................... 568 Vlastnosti a výroba práškového hliníku a jeho slitin .......................................................................... 569 9.2.1. Vlastnosti práškového hliníku a jeho slitin ........................................................................ 569 9.2.1.1. Vlastnosti prášků ............................................................................................... 569 9.2.1.2. Vlastnosti práškového hliníku .......................................................................... 570 9.2.1.3. Vlastnosti práškových slitin hliníku ................................................................. 570 9.2.2. Výroba práškového hliníku a jeho slitin ............................................................................ 571 9.2.2.1. Metoda rozstřikování taveniny ......................................................................... 572 9.2.2.2. Metoda rychlého tuhnutí ................................................................................... 573 9.2.2.3. Mechanické legování ........................................................................................ 575 9.2.2.4. Reakční mletí .................................................................................................... 576 9.2.2.5. Nanotechnologie ............................................................................................... 576 Zhutňování prášků .............................................................................................................................. 576 9.3.1. Úprava prášků a jejich příprava na zhutňování .................................................................. 577 9.3.2. Zhutňování za studena ....................................................................................................... 577 9.3.3. Spékání ............................................................................................................................... 578 9.3.4. Sekundární operace po spékání .......................................................................................... 580 9.3.5. Zhutňování za tepla ............................................................................................................ 580 9.3.6. Tváření sprejového prášku ................................................................................................. 583 Kompozitní materiály pro práškovou metalurgii ................................................................................ 583 9.4.1. Charakteristika kompozitů ................................................................................................. 583 9.4.2. Možnosti použití kompozitů s hliníkovou matricí ............................................................. 585 Vlastnosti hliníku a hliníkových komponentů ve vztahu k mikrostruktuře ........................................ 585 9.5.1. Mechanismy zpevňování v práškových hliníkových slitinách .......................................... 586

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

9.6.

10.

13

9.5.2. Deformační mechanismy při zvýšených teplotách ............................................................ 587 9.5.3. Vztah mezi strukturou a vlastnostmi různých hliníkových slitin ....................................... 587 Využití technologie práškové metalurgie a její aplikace v průmyslu ................................................. 593 9.6.1. Využití hliníkového prášku ................................................................................................ 593 9.6.2. Využití práškových hliníkových slitin ............................................................................... 594

NOVÉ MATERIÁLY A TECHNOLOGIE ..................................................................................596

10.1. Nové bezolovnaté hliníkové slitiny s vysokou třískovou (mechanickou) obrobitelností (Jiří Faltus, Karel Plaček) .................................................................................................................. 596 10.1.1. Obrobitelné slitiny hliníku s obsahem cínu ....................................................................... 596 10.1.2. Obrobitelné slitiny hliníku typu Al-Si ............................................................................... 602 10.2. Slitiny na bázi Al – Sc a jejich využití (Vladivoj Očenášek) ............................................................. 603 10.2.1. Vliv Sc na strukturu Al ...................................................................................................... 603 10.2.2. Vliv Sc na vlastnosti .......................................................................................................... 605 10.3. Slitiny na bázi Al – Li (Ivan Lukáč) ................................................................................................... 609 10.4. Kompozitní materiály s hliníkovou matricí (Dalibor Vojtěch) .......................................................... 611 10.4.1. Definice, rozdělení a základní přehled kompozitních materiálů ........................................ 611 10.4.2. Druhy, vlastnosti a výroba výztuží v kompozitech s hliníkovými matricemi .................... 612 10.4.3. Vlastnosti částicových kompozitů s hliníkovými matricemi ............................................. 614 10.4.4. Vlastnosti vláknových kompozitů s hliníkovými matricemi ............................................. 615 10.4.5. Výroba částicových kompozitů s hliníkovými matricemi ................................................. 620 10.4.6. Výroba vláknových kompozitů s hliníkovými matricemi ................................................. 623 10.4.7. Významné druhy kompozitů s hliníkovými matricemi ..................................................... 625 10.5. Rychle ztuhlé hliníkové slitiny pro zvýšené teploty (Dalibor Vojtěch) ............................................. 626 10.6. Amorfní a nanokrystalické hliníkové slitiny (Dalibor Vojtěch) ........................................................ 632 10.6.1. Amorfní hliníkové slitiny ................................................................................................... 632 10.6.2. Nanokrystalické hliníkové slitiny ...................................................................................... 634 10.7. Simulační program MAGMAsoft® pro odlévání Al slitin (Petr Vrábel) ........................................... 636 10.7.1. Úvod ................................................................................................................................... 636 10.7.2. Gravitační lití ..................................................................................................................... 636 10.7.3. Nízkotlakové lití ................................................................................................................ 637 10.7.4. Vysokotlaké lití .................................................................................................................. 638 10.7.5. Squeeze casting .................................................................................................................. 639 10.7.6. Thixotropní lití ................................................................................................................... 640 10.7.7. Výpočet napětí a deformací ............................................................................................... 640 10.7.8. Závěr .................................................................................................................................. 641 10.8. Výroba a průmyslové využití pěnového hliníku (Jaroslav Jerz) ....................................................... 642 10.9. Lepší vlastnosti tvářených slévárenských slitin na bázi Al – Si v porovnání s litým stavem (Štefan Michna) ................................................................................................................................... 654 10.10. Sekundární hliník (Ivan Lukáč) ......................................................................................................... 661 10.11. Hliníkové dekorativní pigmenty (Lubomír Zahradník) ..................................................................... 664 10.12. Nové trendy ve využití hliníku a jeho slitin v automobilovém průmyslu (Petr Louda) .................... 671 10.12.1. Význam aplikací hliníku a jeho slitin v automobilovém průmyslu ................................... 671 10.12.2. Příklady použití hliníku a jeho slitin v automobilovém průmyslu ..................................... 671 10.12.3. Hydroforming .................................................................................................................... 674 10.12.3.1. Dvourozměrné tváření – ohýbání ................................................................ 675 10.12.3.2. Využívání tváření ve třetím rozměru – hydroforming ................................. 676 Použitá literatura ke kapitolám ........................................................................................................................ 678 Charakteristiky všech autorů ........................................................................................................................... 695 Reklamy .............................................................................................................................................................. 701

Obsah

14

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

1.

P ehled o výrob a použití hliníku a jeho slitin

1.1.

Surovinové zdroje pro výrobu hliníku

A koli hliník má nejvtší procento zastoupení v zemské k e, jeho výroba v pr myslovém m ítku za ala teprve od roku 1859. Zpo átku byl hliník velmi drahý, což dokonce vedlo k tomu, že se kus hliníku použil jako šperk pro výzdobu královské koruny na Svtové výstav v Pa íži v roce 1855. Hliník se nachází v p írod p ibližn v 250 r zných minerálech a mezi nejd ležitjší pat í korund, diaspor, boehmit, spinel, gibbsit, kyanit, andaluzit, silimanit, kaolinit, alunit a nefelín (tabulka 1.1.1.). Tabulka 1.1.1. P ehled bžných minerál hliníku. Minerál Chemický vzorec korund Al2O3 diaspor, boehmit Al2O3.H2O gibbsit (hydrargilit) Al2O3.3 H2O spinel Al2O3.MgO kyanit, andaluzit, silamanit Al2O3.SiO2 kaolinit Al2O3.2SiO2.2 H2O alunit K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH)3 nefelín (Na,K)2O. Al2O3.2SiO2 leucit K2O. Al2O3.4SiO2 sericit K2O.3 Al2O3.6SiO2.2H2O

Hmot. % Al2O3 100 85 65.4 71 63 39.5 37 32.3-35.9 23.5 38.4

Nejvýznamnjší ekonomicky využitelnou rudou pro výrobu hliníku je bauxit. V závislosti na bohatosti se jedna tuna hliníku získává ze ty až šesti tun bauxitu. V sou asnosti se svtová výrobní kapacita z bauxit odhaduje na 130 milión tun za rok Z tohoto množství se 123 milión tun použije na výrobu Al2O3 metalurgické jakosti a 7 milión tun pro speciální ú ely. V zemích bývalého Sovtského svazu se také prosazovala výroba Al2O3 z alternativních surovin, jako je nefelín, seynit a alunit. Množství tchto zpracovávaných surovin se však pohybuje jen okolo 3 milión tun ro n.

1.1.1. Bauxit a jeho formulace Slovo bauxit neodpovídá njakému specifickému minerálu, ale hornin, která se skládá vtšinou z hydratovaných oxid hliníku, zejména gibbsitu, boehmitu a diasporu. Podle [1] je bauxit definován jako hornina obsahující z hydroxid hliníku zejména Al2O3.3H2O a také p ímsi ve form silikát , jíl , usazenin, hydroxid železa a z hydroxid hliníku. Vyskytuje se p evážn v tropech a subtropech, tj. v oblastech s dobrým odvodnním. Mineralogický slovník [2] definuje bauxit jako zbytkové jílové horniny skládající se hlavn z hlinitých hydroxid vznikajících v tropických oblastech chemickým zvtráváním základních vyv elin. V pozdjších definicích se však naproti tomu bauxit definuje jako hornina, u které bauxit vznikl jinak nežli zvtráváním vyv elin. Název bauxit prosadil P. Berthier. V roce 1921 analyzoval jílovité horniny z nalezišt, které se nazývalo Le Baux ve Francii. Tato hornina se skládala z 52 % Al2O3, 27 % Fe2O3, a 20.4 % H2O. Horniny srovnatelného chemického složení se pak nazývaly bauxitem [3]. Bauxit oby ejn obsahuje principiáln základní minerály hliníku, minoritní složky a minerální ne istoty. Základní minerály tvo ící bauxit jsou gibbsit, boehmit a diaspor. Tabulka 1.1.2. uvádí nkteré vlastnosti základních hydratovaných oxid hliníku a korundu.

Kapitola 1.1.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

15

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Tabulka 1.1.2. Nkteré vlastnosti hlinitých minerál bauxitu a korundu [4]. Chemické Krystalografický M rná hmotnost Obsah složení systém [g/cm3] hliníku [%] Gibbsit Al2O3.3H2O Monoklinický 2.41 34.6 Boehmit Al2O3.H2O Ortorombický 3.01 45 Diaspor Al2O3.H2O Ortorombický 3.44 45 Bayerit Al2O3.3H2O Monoklinický 2.53 34.6 Nordstrandit Al2O3.3H2O Triklinický 2.436 34.6 Tohdit 5Al2O3.H2O Hexagonální 3.72 10.22 Korund Al2O3 Hexagonální 3.98 53

Mohsova tvrdost 2.5 – 3.5 4–5 6.5 – 7 3 9

Gibbsit aneb hydrargilit je nejd ležitejší základní minerál bauxitu. T i molekuly vody v jeho vzorci Al2O3.3H2O jsou p ítomné v hydroxylové form. Oxid hlinitý se z gibbsitu nejsnadnji a ekonomicky nejvýhodnji získává Bayerovým procesem. P ítomnost gibbsitu v rud tedy podmiuje jak efektivitu celého procesu získání oxidu hlinitého, jelikož se snadnji rozpouští v roztoku hydroxidu sodného p i nižších koncentracích a nižší teplot a tlaku. Gibbsit tvo í dv polymorfní modifikace, bayerit a nordstrandit. Tyto modifikace byly zpo átku p ipraveny v laboratorním m ítku a pozdji se také identifikovaly v nkterých bauxitech v nalezištích v Maarsku, erné Ho e, ecku a na Ukrajin. Nordstrandit se m že vyskytovat v bauxitech s obsahem 1 - 5 % SiO2. Zjištn byl také v bauxitech v nkterých nalezištích Jamajky. Boehmit je monohydrátem oxidu hlinitého s chemickým složením
-AlO(OH) aneb Al2O3.H2O. Celé množství p ítomné vody se nachází v hydroxylové form. P edpokládá se, že boehmit je druhotným minerálem vznikajícím z gibbsitu dehydratací. Tvorba gibbsitu anebo boehmitu je podmínná teplotou, vlhkostí a klimatickými podmínkami tvorby jednotlivých naleziš. Porovnáním s gibbsitem boehmit vyžaduje p i zpracování Bayerovým zp sobem vyšší koncentraci, teplotu a tlak pro rozpuštní v roztoku hydroxidu sodného. Diaspor je dimorfem boehmitu, má tedy stejné chemické složení jako boehmit, ale jeho krystalová struktura je ponkud tsnji uspo ádaná. Z toho také vyplývá, že je obtížnji rozpustný v roztoku hydroxidu sodného a oby ejn je ho možno využít na výrobu žáruvzdorných materiál . Krom základních hlinitých minerál obsahuje bauxit také další minerály hliníku v minoritním zastoupení, jako nap . korund, cliachit, sporogellit, gibbsitogelit, alumogel, silikagel. Korund se ob as vyskytuje v nkterých bauxitových nalezištích, což se p ipisuje vlivu termického metamorfizmu. Cliachit se popisuje jako amorfní forma gibbsitu, i když má vtší množství hydroxylových molekul. Sporogelit, gibbsitogelit, alumogel, silikagel atd. jsou další amorfní hydratované hlinité slou eniny. Silikagel obsahuje 4.9 % oxidu hlinitého, 2.2 % silikát , 0.3 % Fe2O3 a 90 % vody. Alumogel je amorfní gel hydroxidu hlinitého. Alofan má promnlivé složení s r zným pomrem silikát a oxidu hlinitého. Bauxit, podobn jako jiné rudy, obsahuje nkolik minerálních ne istot. Tyto je možné seskupit do minerál obsahujících železo, minerál obsahujících titan, jílových minerál , k emi itých minerál a stopových prvk [5]. Železité minerály. Nej astjší železité minerály, p ítomné v bauxitu, jsou hematit (Fe2O3) a goethit (Fe2O3.nH2O). Mimo to se v bauxitu nachází i další minerály železa, jako je magnetit (Fe3O4) ilmenit (FeTiO3) maghemit (
-Fe2O3), pyrit (FeS2) a siderit (FeCO3) podobn jako aluminogoethit, tvo ený izomorfní substitucí oxidu hlinitého v goethitu. Minerály železa se v bauxitu oby ejn vyskytují v podob nodulí a vtroušenin, jsou to p erostlé minerály hliníku. Jejich p ítomnost zp sobuje na ervenalou a hndou barvu bauxit . Titanové minerály. V bauxitu se oby ejn vyskytují rutil (TiO2), ilmenit (FeTiO3) a titanželeznatý magnetit. Tyto p vodní minerály p echázejí do sekundárních, jako anatas (TiO2) a leucoxen (TiO2) a tvo í se zvtráváním. Dalšími titan-železnatými minerály, zjištnými v bauxitu, jsou titanový hematit a sfén (CaO.TiO2.SiO2) [6]. Jílové minerály. Oby ejn se v bauxitech vyskytují t i hlavní jílové minerály, a to kaolinit (Al4Si4O10(OH)8), haloyzit (Al4Si4O10(OH)8) a endelit (Al4Si4O10(OH)8.4H2O). Kaolinit a haloyzit mají

Kapitola 1.1.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

16

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

sice stejné chemické složení, ale r znou krystalovou strukturu. Vyskytují se v podob vá k , žilek a konkrecí, jsou p erostlými minerály obsahujícími hliník a železo. Silikátové minerály. Silikáty jsou v bauxitu p ítomné jednak v jílové form, známé jako „reaktivní silikát“, anebo jako volný k emen a chalcedon, tvo ící tak „nereaktivní silikáty“. V Bayerovém procesu reaktivní aluminosilikáty reagují s kaustickým roztokem hydroxidu sodného a tvo í hydratované sodné aluminosilikáty, které jsou nerozpustné, ímž se zvyšují ztráty hliníku do odpadu. Z toho vyplývá, že p ítomnost nebo nep ítomnost reaktivních silikát má velký ekonomický význam. Obecn se uvádí, že zpracování bauxit s obsahem silikát více než 7 % je neekonomické. Oxidy železa a titanu p echází do nerozpustných slou enin a tvo í odpad známý jako ervený kal. Mimo výše popsaných p ímsí se v bauxitu nachází mnoho dalších minoritních minerál a stopových prvk . Mezi nejd ležitejší pat í zirkon, turmalín, kyanit, granát, andaluzit, baryt, chamozit a podobn. K známým stopovým prvk m vyskytujícím se v bauxitu pat í chrom, olovo, niob, vanad, zirkonium, m, kobalt, zinek, barium, indium, cín, galium, ytrium, lithium, mangan, stroncium, arzén, apod. [7]. Tyto p ímsi se vyskytují ve velmi malých množstvích, ádov ppm. Nkteré stopové prvky, jako nap . galium a vanad, se mohou získávat v procesu výroby hliníku.

1.1.2. Nalezišt bauxit Podle [8] je možné bauxity z hlediska jejich geologického p vodu rozdlit na lateritické, karstové anebo usazeninové. Lateritické bauxity, p edstavující p ibližn 86 % z celkového množství bauxit , se nacházejí blíže k rovníku a vznikly zvtráváním. Karstové bauxity se nachází v krasových podložích, a to dále od rovníku v Evrop, ín a pacifické oblasti. Jejich množství se pohybuje kolem 13 %. Usazeninové bauxity p edstavují kolem 1 % z celkového množství a nacházejí se v evropské oblasti. V tžb bauxitu dominuje pt zemí: Austrálie, Guinea, Jamajka, Brazílie a ína. Další zem, v kterých se bauxit tží ve významném množství, jsou Venezuela a Indie. Tempo ve výrob oxidu hlinitého ur uje hlavn Austrálie, dále následují USA, Jamajka, Rusko, ína, Brazílie, Venezuela, Surinam a Indie. P edpokládá se, že výroba oxidu hlinitého bude i nadále expandovat v Austrálii, Indii, Jamajce, Brazílii a Guiney [9]. Podle P. A. Lyew-Ayee [9] celkové svtové zásoby bauxit jsou hodnoceny na zhruba 50 bilión tun. Také se p edpokládá, že životnost celkových zásob nepoklesne pod 140 let i v blízké budoucnosti. Tabulka 1.1.2.1. uvádí nkterá nalezišt bauxit ve svt a jejich složení.

Tabulka 1.1.2.1. Nkterá nalezišt bauxit ve svt a jejich složení. Složka [%] Zem

Al2O3 SiO2 Fe2O3 Jamajka 47-52 0.3 - 3.9 19 - 22 Guayana 50 - 61 1 - 12 3 - 15 Francie 56 - 60 2-5 20 - 35 USA 40 - 52 10 6 Guinea 40 - 55 1-5 6 - 20 ecko 50 - 59 1-4 25 - 30 Dominikánská 45 - 50 1-5 9 - 33 republika Indie 36 - 60 1 - 10 6 - 39 Malajsie 50 - 58 1 - 13 4 - 15 Haiti 45 - 55 3-4 22 Indonésie 42 - 55 2-7 13 - 15 Itálie 43 - 58 Sarawak 47 - 57 3-7 9 Ghana 46 - 63 0.2 - 3 2 - 31 Austrálie 35 - 55 4 - 10 6 - 17 Brazílie 30 - 60 2.5 - 5.5 7 - 10 Sudán 45 - 50

Kapitola 1.1.

Nositel hliníku gibbsit, boehmit gibbsit, boehmit boehmit gibbsit gibbsit diaspor gibbsit,boehmit gibbsit gibbsit gibbsit gibbsit gibbsit gibbsit gibbsit gibbsit, boehmit gibbsit gibbsit

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

17

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Kamerun Kongo Venezuela Rusko

40 - 45 40 - 45 40 42 - 60

1-5 5 - 15

gibbsit gibbsit boehmit, diaspor gibbsit, boehmit

12 - 27 12 - 22

Obr. 1.1.2.1. Ro ní produkce oxidu hlinitého ve svtovém m ítku a obr. 1.1.2.2. Nejvtší producenti oxidu hlinitého. Produkce oxidu hlinitého 16.7 13.4

7.0

6.2

6.2

oxid hlinitý

5.2

Afrika

Východní/Centrální Evropa

Západní Evropa

Ásie

Severní Amerika

Latinská Amerika

0.7

Oceánie

[mil.tun]

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Obr. 1.1.2.1. Výroba oxidu hlinitého.

[mil.tun]

16 14 12 10 8 6 4 2 0

Oxid hlinitý

Alcoa

BHP Billiton

Alcan

RusAl

SuAl

Obr. 1.1.2.2. Nejvtší producenti oxidu hlinitého.

Kapitola 1.1.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

18

1.2.

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

P ehled sv tové výroby hliníku od r. 1950 do r. 2003 a její perspektivy

Historie výroby hliníku je velice zajímavá. Dle údaj IAI (International Aluminium Institute) byla jeho výroba do roku 1946 následující, viz tabulka 1.2.1. Tabulka 1.2.1. Ro ní výroba hliníku dle IAI. Rok výroby Celosv tová výroba [tuny . 103] 1900 8 1913 65 1920 128 1938 537 1946 681 R st výroby od po átku do poloviny 20. století byl pozvolný a p í inou byla p edevším jeho cena. P ehled celosvtové produkce primárního hliníku od roku 1973 do roku 2003 z dostupných údaj IAI je uveden v tabulce 1.2.2. Tabulka 1.2.2. Výroba primárního hliníku v jednotlivých oblastech od r. 1973 do r. 2003 dle IAI [tuny . 103]. Rok 1.oblast 2. oblast 3. oblast 4. oblast 5. oblast 6A oblast 6B oblast 7. oblast Celkov Denní pr mr 1973 249 5.039 229 1.149 290 2.757 324 10.037 27,5 1974 278 5.454 256 1.167 296 3.150 330 10.931 29,9 1975 272 4.400 275 1.061 329 3.062 323 9.722 26,6 1976 337 4.485 316 963 402 3.150 372 10.025 27,4 1977 367 5.093 358 1.235 379 3.292 393 11.117 30,5 1978 336 5.409 413 1.126 385 3.345 414 11.428 31,3 1979 401 5.421 668 1.084 376 3.425 425 11.800 32,3 1980 437 5.726 821 1.168 399 3.595 460 12.606 34,4 1981 483 5.603 793 817 513 3.551 536 12.296 33,7 1982 501 4.343 795 376 627 3.306 548 10.496 28,8 1983 436 4.448 942 270 717 3.322 700 10.835 29,7 1984 413 5.327 1.035 304 878 3.502 998 12.457 34,0 1985 472 4.781 1.160 245 918 3.327 1.091 11.994 32,9 1986 556 4.402 1.397 158 916 3.399 1.119 11.947 32,7 1987 572 4.889 1.486 927 3.462 1.273 12.609 34,5 1988 597 5.475 1.553 981 3.488 1.407 13.501 36,9 1989 603 5.587 1.698 1.093 3.580 1.501 14.062 38,5 1990 602 5.617 1.790 1.118 3.561 1.498 14.186 38,9 1991 612 5.947 1.996 1.223 3.505 1.495 14.778 40,5 1992 617 6.016 1.949 1.379 3.319 1.483 14.763 40,3 1993 616 6.000 1.949 1.530 3.236 1.653 14.948 41,1 1994 576 5.554 1.976 1.585 3.961 1.583 15.235 41,7 1995 631 5.546 2.058 1.656 5.885 1.566 17.342 47,5 1996 1.015 5.860 2.107 1.624 3.192 3.185 1.656 18.639 50,9 1997 1.106 5.930 2.116 1.910 3.297 3.316 1.804 19.479 53,4 1998 1.043 6.086 2.075 1.843 3.549 3.419 1.934 19.949 54,7 1999 1.095 6.169 2.093 1.966 3.720 3.548 2.028 20.655 56,6 2000 1.178 6.041 2.167 2.221 3.801 3.689 2.094 21.191 57,9 2001 1.369 5.222 1.991 2.234 3.885 3.728 2.122 20.551 56,3 2002 1.372 5.413 2.230 2.261 3.928 3.825 2.170 21.199 58,1 2003 1.428 5.495 2.275 2.475 4.068 3.996 2.198 21.935 60,1 Pro správné pochopení této tabulky je nutno uvést, že primární hliník je vyrábn z bauxitu a nejde o hliník získaný recyklováním. Jednotlivé geografické oblasti s p íslušnými státy a termíny zavedení výroby primárního hliníku po roce 1973 jsou uvedené v tabulce 1.2.3.

Kapitola 1.2.

Ivan Lukáč

19

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Tabulka 1.2.3. Geografické oblasti. íslo oblasti Geografická oblast Jednotlivé státy 1 Afrika Kamerun, Egypt, Ghana, Mozambik (7/2000 – dodnes), Nigérie (10/1997 - dodnes), Jižní Afrika 2 Severní Amerika Kanada, USA 3 Latinská Amerika Argentina, Brazílie, Mexiko (1/1973 – 12/2003), Surinam (1/1973 – 7/2001) Venezuela 4 Východní Asie ína, Japonsko, Severní Korea, Jižní Korea (1/1973 – dodnes), Tadžigistán (1/1973 – dodnes, Tchaj-Wan (1/1973 – 4/1982) 5 Jižní Asie Azerbajdžán, Bahrain, India, Indonésie (1/1973 – dodnes), Irán (1/1992 – po dnešek), Turecko (1/1975 – dodnes), Spojené arabské emiráty (11/1979 – dodnes) 6A Západní Evropa Rakousko (1/1973 – 10/1992), Francie, Nmecko, ecko, Island, Itálie, Nizozemí, Norsko, Španlsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie 6B Východní/St ední Bosna a Hercegovina (1/1981 – dodnes), Chorvátsko, NDR (1/1973 – Evropa 8/1990), Maarsko (1/1973 – dodnes), Polsko, Rumunsko, Ruská federace (1/1973 – dodnes), Srbsko a erná Hora (1/1973 – dodnes), Slovensko (1/1973 – dodnes), Slovinsko (1/1973 – dodnes), Ukrajina (1/1973 – dodnes) 7 Oceánie Austrálie, Nový Zéland V první polovin 20. století p ispla k výraznému nár stu výroby hliníku možnost jeho využití v oblasti vojenské techniky v období druhé svtové války. Avšak po druhé svtové válce nastal pokles jeho výroby, zp sobený p edevším ekonomickou situací ve státech zni ených válkou, a to bylo nap . ve Francii, Nmecku a áste n taky v Norsku. Oživování celosvtové ekonomiky za átkem 50. let p ineslo z po átku mírný, pak prudký, m žeme íci, že exponenciální r st výroby, jak je patrno z obr. 1.2.1. 25

milion tun/rok 25 Milion tun/rok

20

20 15

15

10 10

5

0

5

0 1900 1900

1920 1920

1940 1940

1960 1960

1980 1980

2000 2000

Obr. 1.2.1.

Produkce sekundárního hliníku získaného recyklací je také významná. V roce 1999 bylo vyprodukováno p ibližn 7 milion tun sekundárního hliníku recyklací druhotných surovin (odpadu). Je tedy možno íci, že v roce 1999 bylo celkov vyrobeno asi 28 milion tun hliníku. Není bez zajímavosti, že hliník je v sou asnosti, z neželezných kov , nejprodukovanjším kovem. Pro porovnání - v roce 2003 bylo primárního hliníku vyrobeno cca 22 mil. tun, mdi 14 mil. tun, olova 6 mil. tun a cínu 0.2 mil. tun. Význam produkce sekundárního hliníku se rok co rok zvyšuje, jak je patrné z tabulky 1.2.4., kde je uveden procentuální podíl množství hliníku získaného recyklací z celkového množství vyprodukovaného hliníku.

Kapitola 1.2.

Ivan Lukáč

20

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Tabulka 1.2.4. Podíl hliníku získaného recyklací z celkové svtové výroby [%]. Rok výroby Podíl recyklací získaného hliníku z celkové svtové výroby [%] 1976 18 1997 23 1999 25 P i pohledu na perspektivu produkce hliníku v nejbližších letech je nutno uvést faktory, které p edevším ovlivní r st jeho výroby. 1. Spot eba elektrické energie. Pr myslová výroba hliníku je známa svou velkou spot ebou navíc, s negativními d sledky pro životní prost edí. V p íštích letech bude pozornost zam ena tímto smrem, tzn. na snížení energetické náro nosti p i jeho výrob. Už dnes existují rozdíly ve spot eb na 1 tunu primárního hliníku (viz tabulka 1.2.5.). Tabulka 1.2.5. Spot eba elektrické energie na 1 tunu primárního hliníku v roce 2001. Geografická oblast Spot eba elektrické energie na 1 tunu primárního hliníku [MWh/tuna] Asie 15.39 Evropa 15.26 Severní Amerika 15.20 Afrika 14.92 Austrálie, Nový Zéland 14.79 2.

Zvyšující se nároky prmyslových oblastí. Dnes v podstat m žeme íci, že hlavní hybnou silou pro vzr st produkce hliníku v p íštích letech bude automobilový a letecký pr mysl. U obou, krom bezpe nosti, je základní požadavek snížení spot eby paliva,

ehož se dá docílit p edevším snížením hmotnosti konstrukce, p i emž hliníkové slitiny jsou v pop edí zájmu výrobc . Snížením spot eby paliva dochází k snižování množství emisí, a tím se zlepšuje životní prost edí. Jinak e eno, je tu vyvíjen tlak na aplikaci hliníku jak z d vodu ekonomických, tak i z d vod ekologických. 3. O ekávaný ekonomický rozvoj v n kterých zemích. Jedná se p edevším o ínu. R st produkce v letech 1999 – 2003 a p edpokládaný r st v roce 2004 a 2005 je uveden v tabulce 1.2.6. Tabulka 1.2.6. R st produkce hliníku v letech 1999 – 2003 a p edpoklad pro rok 2004 a 2005. Rok Produkce hliníku v ín v letech 1999 – 2003 a p edpoklad pro 2004 a 2005 [v tisících tunách] 1999 253 2000 198 2001 628 2002 825 2003 1.048 2004 1.138 2005 1.254 Prognostické studie realizované koncem 90. let v USA o spot eb hliníku v dalších dekádách p edpovídaly, že spot eba kolem roku 2015 vzroste proti roku 1998 asi o 600 %. Je možná diskuse o správnosti odhadu výšky tohoto r stu, ale zdá se, že je pot eba u této prognózy akceptovat nutnost r stu produkce vzhledem k budoucí spot eb. Ve stále se mnících podmínkách celosvtové ekonomiky i díky p edpokládané expanzi nkterých zemí je velice tžké p ibližn odhadnout r st celosvtové produkce hliníku. Je ovšem možné s ur itostí tvrdit, že vzhledem k požadavk m jiných technických oblastí produkce i spot eba hliníku bude v p íštím desetiletí stále stoupat. Z pohledu bu rozší ení sou asných, nebo zavedení nových výrobních kapacit je velice zajímavý publikovaný p ehled o p edpokládaném dní v této oblasti do roku 2008 uvedený v tabulce 1.2.7.

Kapitola 1.2.

Ivan Lukáč

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

21

Tabulka 1.2.7. Plán rozší ení sou asných nebo zavedení nových výrobních kapacit u svtových výrobc . Jméno Zem Spole nost Zvýšení výroby Celková nová kapacita Za átek [t/rok] [t/rok] výroby Mozal 2 Mozambik BHP-Billiton 253.000 506.000 2/2003 Hindalco Indie Aditya Birla 123.000 364.000 3/2003 Renukoot Group. Hindalco Mosjeen Norsko Elkem 68.000 188.000 3/2003 Aluar Argentina Aluar 85.000 265.000 1/2004 Aluminio Argentina CBA Brazílie CBA 100.000 340.000 1/2004 Slovalco Slovensko Norsk Hydro 50.000 160.000 2/2004 Hillside 3 Jižní BHP-Billiton 132.000 640.000 2/2004 Afrika Alro Rumunsko Marco 56.000 240.000 2/2004 Slatina Internat. Inc. Angul Indie Nalco 100.000 345.000 2/2004 Nag Egypt Egyptalum 50.000 245.000 2/2004 Hammadi Sunndal Norsko Norsk Hydro 83.000 330.000 4/2004 Sept-Iles Kanada Aluminierie 307.000 550.000 1/2005 Alouette Inc. Venalum Venezuela CVG 180.000 560.000 1/2005 Alba Bahrain Alba 307.000 820.000 1/2005 Boyne Austrálie Comalco 50% 220.000 710.000 2/2005 Island 4 Balco Indie Sterlite 250.000 350.000 3/2005 Industries Sohal Oman Sohar 480.000 480.000 4/2005 Aluminium (SASCO) Tomago Austrálie Pechiney 70.000 530.000 4/2005 51% Alcasa Venezuela CVG 240.000 450.000 1/2006 Coega Jižní Pechiney 460.000 460.000 1/2006 Afrika 50% Lumut Malajsie Masco 230.000 (x 3) 230.000 (x 3) 1/2006 (2008) Port Aluminium Smelter Bhd Aldoga Austrálie Aldoga 560.000 560.000 2/2006 Aluminium Smelter Dubal UAE Dubal 174.000 710.000 1/2007 Perak Malajsie Dubal (50%) 250.000 ( x 2) 250.000 ( x 2) 1/2007 (2009) Aluminium Aluminium Kazachstán Corica AG 240.000 240.000 1/2007 of Kazachstán Fjardaal Island Alcoa 322.000 322.000 2/2007 Deschambault Kanada Alcoa 320.000 570.000 2/2008 Vancouver Kanada Alberni 360.000 360.000 2/2008 Island Aluminium Corp.(Al2Co) Celkové zvýšení výrobních kapacit dle údaj v tabulce 1.2.7. 1 100 000 tun (do konce 2004), 2 914 000 tun (do konce 2005), 4 404 000 tun (do konce 2006), 5 390 000 tun (do konce 2007), 6 530 000 tun (do konce 2008).

Kapitola 1.2.

Ivan Lukáč

22

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

1.3. Oblasti použití hliníku a jeho slitin Pochopit význam tohoto st íbrn zbarveného kovu, který se v sou asnosti používá ve všech oblastech, je možné jenom v souvislosti s jeho historickým vývojem a to výrobou „st íbra z hlíny”. Hliník je p ítomen ve všem co nás obklopuje. Je nejenom t etím nejrozší enjším prvkem na zemi, ale provází nás v každodenním život p i všem, co dláme od budíku, p es zubní pasty, spraye, fólie p i otev ení kávy nebo jogurtu až po cestu do práce autem nebo autobusem. Budovy, ve kterých pracujeme, mají hliníková okna a pracovní za ízení mají také hliníkové sou ásti. Hliník tedy ovlivuje náš životní styl mnohými zp soby a v sou asnosti výrobky z hliníku nalézají použití v široké škále aplikací, p i emž splují nároky na funk nost i estetiku. Je pot eba poukázat na skute nost, že tento st íbrn lesklý kov je z hlediska pr myslového využití relativn mladý a s jeho komer ním využitím se za alo p ibližn p ed 100 lety. Po átek výroby hliníku: 1825 – Oerstedt získal malé množství hliníku redukcí chloridu hliníku amalgámem draslíku, 1886 – Heroult a Hall objevili možnosti výroby hliníku elektrolýzou, zrod pr myslové výroby hliníku, 1887 – první aplikace hliníku ve stavitelství, st echa ímsko – katolického kostela Gioacchino. Po objevu výroby hliníku elektrolýzou Heroultom a Hallom p ešla ješt další desetiletí, než za ala jeho první pr myslová výroba. V d sledku malého po áte ního produkovaného množství hliníku byl hliník velice drahý, dokonce dražší než zlato. Jeho aplikace v tomto období byla jenom na speciální ú ely v klenotnictví (obr. 1.3.1). Postupn se zvyšující p ístupnost a pr myslová výroba mla za následek výrobu výrobk pro použití v každodenním život (obr. 1.3.2.).

Obr. 1.3.1.

Obr. 1.3.2. . S další zvyšující se výrobou hliníku a jeho klesající cenou se postupn rozši ovalo i jeho použití, které zaznamenalo strmý nár st hlavn po 2. svtové válce. Je samoz ejmostí, že hliník a jeho slitiny vzhledem ke svým vlastnostem našly uplatnní ve všech oblastech lidské innosti. Prakticky není oblasti pr myslu a každodenního života, kde bychom se nesetkali s výrobky z hliníku a jeho slitin. Proto i ú elem této podkapitoly je vyjmenovat jen nejd ležitjší oblasti použití hliníku a nkteré výrobky, kde zabírají hliníkové materiály podstatnou ást výrobku. Kdybychom chtli napsat podrobn o výrobcích z hliníku a o jeho využití, bylo by to na samostatnou knihu a stejn bychom nebyli schopní napsat o všech výrobcích, ve kterých jsou materiály z hliníku využity. Je to i proto, že Al materiály nahrazují stále více jiné materiály. Proto cílem této kapitoly je zam it se jenom na oblasti s nejvtším objemem spot eby hliníku a hliníkových slitin, poukázat na ur ité nové trendy vývoje ve spot eb hliníkových slitin a poukázat na jednotlivé zajímavé oblasti použití hliníku a jeho slitin. Nejvtší nar st a použití hliníku a jeho slitin co do objemu i samotného sortimentu nastal v dopravním sektoru. Hlavní oblasti použití hliníku v sou asnosti:  doprava,  stavebnictví,  strojírenský a hutnický pr mysl,  energetika a elektrotechnický pr mysl,  potraviná ský pr mysl,  chemický pr mysl (potrubí, výmníky),  rekrea ní pr mysl a sport,  jiné oblasti použití (klenotnictví).

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

23

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Pro p esnjší p edstavu o využití hliníku a jeho slitin v jednotlivých odvtvích pr myslu uvádím v tabulce 1.3.1. celosvtovou spot ebu hliníku a jeho slitin v roce 2002. Z tabulky je jednozna n patrné, že tém 60 % celosvtové produkce hliníku a jeho slitin se spot ebuje v oblasti dopravy (letadla, osobní auta, autobusy, autocisterny, vlaky, lod, kosmonautika). Tabulka 1.3.1. Celosvtová spot eba hliníku a jeho slitin v jednotlivých odvtvích v roce 2002. Odv tví Spot eba [%] Doprava (letecká, lodní, železni ní, automobilová) Stavebnictví Strojírenství Elektrotechnický pr mysl Potraviná ský pr mysl Ostatní CELKEM

59.1 18.4 10.3 7.2 4.3 0.7 100

1.3.1. Hliník v doprav

Jak již bylo uvedeno, nejvtším spot ebitelem hliníku je oblast dopravy, kterou m žeme ješt rozdlit na nkolik oblastí a to:  letecký pr mysl,  automobilový pr mysl,  kolejová doprava,  konstrukce lodí,  kosmonautika. Nejvtší procento použitých hliníkových materiál z celkového objemu je p i výrob letadel. Letadlo A340 váží cca 90 000 kilogram a 2/3 použitých materiál pat í do kategorie slitin z hliníku. Z d vodu nízké hmotnosti a dobrých mechanických vlastností zejména p i nízkých teplotách pod bodem mrazu je hliník materiálem . 1 v leteckém pr myslu. I když je snaha o jeho nahrazování ješt leh ími materiály na bázi ho íku, uhlíkovými a sklennými vlákny kompozit , z stává hliník nenahraditelným materiálem, pokud se jedná o komponenty namáhané p i vyšších naptích, jakými jsou trup a k ídla letadla (obr. 1.3.1.1.). Hlavn pro výrobu plech a sou ástí pro k ídla a trupy letadel se používají následující hliníkové slitiny: AlMgSiCu (AA6013), AlMgSc, AlMgLi (1424) a AlCuMg2 (AA 2024).

Obr. 1.3.1.1. Výroba ásti k ídla letadla.

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

24

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

V dopravním sektoru je nejvtším argumentem pro aplikaci hliníkových slitin jejich nízká hmotnost. Politicko – enviromentální požadavky na nové dopravní prost edky jsou ve smru lepšího využití paliva (snížení spot eby paliva) a snížení celkových škodlivých emisí produkovaných automobilovou dopravou. Jedna z cest, která k tomu vede, je také ta, že se využívají materiály s nízkou hmotností. V sou asnosti jsou to sk ín motor , hlavy válc , hnací komponenty, kola aut, tlumi e (obr. 1.3.1.3.), ásti klimatizace (obr. 1.3.1.4.), hlavice ídicí páky (obr. 1.3.1.5.), hliníkové volanty (obr. 1.3.1.6.), lánky a svorky nápravy a nebo dokonce ve stále vzr stajícím po tu také celé karoserie aut, které jsou vyrábné z hliníkových slitin. Podrobn ji se využití hliníku a jeho slitin v automobilovém prmyslu v nuje kapitola 10.12. V roce 1998 se objem materiál na bázi hliníku v autech s hmotností nad 1300 kilogram pohyboval kolem 6 % a je snaha snížit po roce 2008 hmotnost aut pod 1000 kilogram . Proto je nutné zvýšit objem hliníkových materiál na minimáln 13 %. P íkladem Litý materiál 22 % zvyšování podílu hliníkových slitin m že být kostra Profily 15% Audi A2 na obr. 1.3.1.2., která je z hliníkových Plech 60 % odlitk , profil a výkovk . Obr. 1.3.1.2. Kostra Audi A2.

Snaha o co nejvtší využití a aplikaci hliníkových materiál v automobilovém pr myslu vede k tomu, že se za íná uvažovat o výrob auta vyrobeného z hliníkových plech a o náhrad nkterých hliníkových odlitk za hliníkové profily a plechy. Lze pak reáln snížit hmotnost auta až o cca 800 kilogram . P íkladem takového auta z plechu je koncepce výroby auta Audi 100 (C3) na obr. 1.3.1.7. D vody aplikace hliníku pro kostru a karoserii z hliníkového plechu jsou následující:       

snížení hmotnosti auta umožní – snížení spot eby paliva, zvýšení výkonu aut, zlepšení ekologie (menší emise), žádné korozní problémy, dobrá možnost oprav, vyšší užitková životnost, dobrá možnost kombinace s jinými materiály, vynikající deforma ní schopnosti (pohlcování energie), lehká kone ná separace odpad .

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

25

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Obr. 1.3.1.3. Tlumi pro automobil.

Obr. 1.3.1.4. Regula ní ventil klimatizace.

Obr. 1.3.1.5. Hlavice ídicí páky.

Obr. 1.3.1.6. Hliníkový volant.

Plechy Výlisky Odlitky

Výlisky 10 % Plechy 81 % Odlitky 9 %

Obr. 1.3.1.7. Koncepce auta Audi 100 (C3) vyrobeného z hliníkového plechu.

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

26

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

V rámci využití hliníkových materiál v oblasti dopravy poukážeme na dva p íklady a to na celý skelet z hliníkových materiál u autobus Scania Omnicity a Omnilink na obr. 1.3.1.8., který je z hliníkových výlisk (profil ) spojených v rozích. Druhým p íkladem je konstrukce lokálního vlaku Deutsche Bahn AG Series ET 423/426 na obr. 1.3.1.9. Dále jsou vyrábné z hliníkových materiál celé skelety malých lodí a nebo v rámci snížení hmotnosti velkých lodí jsou hliníkové materiály použité p i montáži jednotlivých vrstev palub.

Obr. 1.3.1.8. Autobusy Scania Omnicity a Omnilink (dole hliníkový skelet autobusu).

Obr. 1.3.1.9. Konstrukce lokálního vlaku Deutsche Bahn AG Series ET 423/426 (vlevo hliníkový skelet vlaku).

Další významnou oblastí s vysokým podílem hliníkových materiál je výroba jízdních kol, kde v podstat celé jízdní kolo (hlavn pro sportovce) od rámu až po ráfky je z hliníkových materiál (obr. 1.3.1.10.). Hlavním d vodem je nízká hmotnost, vysoká pružnost a pevnost používaných hliníkových materiál .

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

27

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Obr. 1.3.1.10. kola.

Jednotlivé hliníkové sou ásti jízdního

Specifickou oblastí dopravy je oblast kosmonautiky, kde se ve velkém množství používají hliníkové materiály. Co se tý e celkového objemu použitých hliníkových materiál , nejedná se o oblast v sou asné dob významnou, ale s dalším o ekávaným rozvojem této oblasti lze o ekávat významné objemy nár stu spot eby hliníkových materiál . Zajímavým p íkladem využití hliníkových materiál je sestrojení sondy Huygens, která byla vyslána k jednomu z msíc Saturnu a to Titanu, kde 14.1.2005 p istála na povrchu. Sonda Huygens má pr mr 2.75 m s hmotností 352 kg, kde pouzdro má hliníkovou kostru a aparatura i provozní subsystémy jsou na dvou plošinách z hliníkové voštiny, zakrytých hliníkovým pláštm (obr. 1.3.1.11.).

Obr. 1.3.1.11. Konstrukce sondy Huygens.

1.3.2.

Hliník ve stavebnictví

Stavebnictví je co do celkového objemu spot eby hliníku a jeho slitin hned na druhém míst za dopravou. V období posledních desetiletí stoupala spot eba hliníku v tomto období hlavn vyrábním pr myslových fasádních prvk (r zn tvarované profily, trubky), které se využívají p i budování nákupních center, kancelá ských budov firem a spole ností, bank, vlakových a autobusových nádraží, výstavních pavilon , benzinových pump, montovaných pr myslových staveb atd. Dnes je tedy hliník materiálem, který ur uje vzhled r zných budov a tém v každém mst se objevují stavby, u nichž pro obohacení architektury bylo použito hliníku jak vn tak i uvnit budov (viz. obr. 1.3.2.1. a obr. 1.3.2.2.). Výhody staveb s hliníkem jsou následující:  uchovávají bezvadný vzhled po dlouhou dobu,  jednoduchá a levná údržba,  vysoká odolnost proti korozi,

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

28

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

  

nízká hmotnost použitých materiál , výborná a rychlá zpracovatelnost Al materiál p i montáži, možnost barvení na rozdílné barevné odstíny.

Obr. 1.3.2.1. Využití Al materiál na vnjší fasád budovy T-Mobile Praha (realizace v roce 2003).

Obr. 1.3.2.2. Detail Al budovy T–Mobile.

Další oblastí použití hliníku ve stavebnictví je výroba jednotlivých konstruk ních díl jako jsou nap . okna (obr. 1.3.2.3.) a výkladní sk ín, dve e, st ešní krytina atd. Stále astji se za ínají používat trubková hliníková lešení p i vnjších opravách budov a nebo také se vyrábjí hliníkové sch dky r zných velikostí používané p i stavebních pracích (obr. 1.3.2.4.).

Obr. 1.3.2.3. Ukázka hliníkového okna vyrobeného z tvarovaných hliníkových profil .

1.3.3.

Obr. 1.3.2.4. Hliníkové sch dky.

Hliník v potraviná ském prmyslu

Hliník našel široké uplatnní v potraviná ském pr myslu a to p edevším proto, že z hliníku se dají vyrábt tenké fólie. Ty jsou ideálním obalem pro uchování hotových jídel a lah dek, balení potravin, k úprav potravin atd. Jsou praktické, lehké, hygienicky nezávadné, neovlivují vlastnosti uchovávaných potravin, výborn snášejí vysoké teploty pe ení i nízké teploty mražení. Hliníková fólie je istá, bez zápachu a díky své dekorativnosti dodá výrobku svží a erstvý vzhled. P íkladem takového výrobku jsou mísy z hliníkové fólie tloušky 72 m (viz obr. 1.3.3.1.) pro uchovávání hotových jídel a potravin. Dalším výrobkem je alobal (fólie tloušky 9-14 m), který má podobn jako jiné výrobky z hliníku výborné bariérové vlastnosti, nízkou hmotnost, hygienickou nezávadnost a chemickou stálost na vzduchu a používá se p edevším k ochran a balení potravin

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

29

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

(obr. 1.3.3.2.). Velice rozší eným sortimentem jsou hliníkové fólie tloušky 12 až 14 m s nánosem ochranného a samozatavitelného laku použité p edevším pro balení sýr .

Obr. 1.3.3.1. Misky z hliníkové fólie tloušky 72 m.

okolády, okoládové výrobky a cukrovinky je nutné chránit proti ú ink m svtla, vlhkosti vzduchu, sou asn je pot eba zabránit pronikání tuku z okolády a uchovat její aroma. Pro balení

okolády, figurek a bonbón jsou vyrábny hliníkové fólie s tiskem i bez tisku, s možností dezénu, lakování i celoplošného barvení atd. Na obr. 1.3.3.3. jsou schématicky znázornny r zné druhy výroby obalového materiálu pro okolády a okoládové výrobky ve firm Al Invest B idli ná, a.s.

dezén ochranný lak tisk podlak hliníková fólie disperzní lepidlo papír termoplastický lak hotmelt

Obr. 1.3.3.2.

Obr. 1.3.3.3.

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

30

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Obaly pro másla a tuky tvo í hliníková fólie podlepená speciálním papírem, který spolu s voskem dodávají laminátu odolnost proti pronikání tuku. Jinou variantou laminátu je hliníková fólie podlepená papírem a nánosem polyetylénu (PE). Pro balení tvarohu a zmrzlin (v kostkách) jsou ur eny lamináty složené z hliníkové fólie podlepené papírem, který s voskem dodá obalu vynikající pevnost za mokra. Na lamináty se m že tisknout hlubotiskem nebo flexotiskem (obr. 1.3.3.4.). Zvláštní skupinou výrobk jsou hliníkové plechovky pro uskladnní piva a limonád (obr. 1.3.3.5.). Zejména v posledním období z stávají v oblib a jejich objem výroby roste. Výhodou je možnost dlouhodobého uskladnní a stálá kvalita uskladnného nápoje. Obr. 1.3.3.4.

Obr. 1.3.3.5.

1.3.4. Jiné oblasti použití hliníku a jeho slitin T etím nejvtším spot ebitelem hliníku a jeho slitin je strojírenství, kde je nep eberné množství sou ástek anebo celých sou ástí stroj , za ízení a p ístroj . Uvedeme si proto jenom nkolik p íklad použití, a to nap . ásti za ízení pro rafinaci ropy, výmníky tepla, destila ní p ístroje a chladi e pro pavkovou vodu, topné hady nádrží pro dehet, cisterny a nádrže pro skladování i p epravu pavkové vody, rotory a ventilátory pra ek p i výrob pavku, aparatury pro ištní kyseliny benzoové, za ízení k rekuperaci použitých rozpouštdel, kotle k tavení kalafuny, sušárny, sou ásti textilních stroj (obr. 1.3.4.1.), sou ásti optických p ístroj , r zná technologická potrubí, sou ásti erpadel (obr. 1.3.4.2.), hliníkové p íruby (obr. 1.3.4.3.) atd.

Obr. 1.3.4.1. Sou ásti textilních stroj .

Obr. 1.3.4.2. Hliníkové p íruby.

Ukázky hotových výrobk vyrobených metodou p esného lití jsou v kapitole 4.11. Využití práškových hliníkových slitin je uvedeno v kapitole 9.6.2. Možnosti použití kompozit s hliníkovou matricí je popsáno v kapitole 9.4.3. Využití p nového hliníku je popsáno v kapitole 10.8. a dekorativních pigment v kapitole 10.11.

Kapitola 1.3.

Štefan Michna

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

31

1.4. Hliník a zdraví Hliník je nerozší enjším kovovým prvkem na svt a tvo í 8 % zemské k ry. Jako významný prvek zemské litosféry se ješt v nedávné dob vyskytoval ve formách tžko dostupných živým organizm m, a byl proto považován za netoxický. S výskytem kyselých deš a širokým používáním solí hliníku nastalo výrazné zvýšení výskytu reaktivních forem tchto iont . Hliník, který je obsažen v p d, se p irozenou cestou dostává do rostlin a jejich prost ednictvím do potravinového etzce živých tvor . Ve strav pr mrné dosplé populace se množství hliníku z p irozených zdroj pohybuje od 3 do 12 mg za den. P íprava jídel v hliníkovém nádobí

i fóliích znamená obvykle navýšení pouze o cca 0.1 mg za den. Lidé užívající speciální medikamenty (anacida) p ijmou více než 1000 mg hliníku za den, obvykle ve form hydroxidu hliníku. Nebyl zaznamenán žádný rozdíl mezi kontrolní skupinou a dobrovolníky, kte í p ijímali v potrav sto násobn vyšší množství hliníku.

1.4.1. Hliník a životní prost edí Hliník se vyskytuje v r zných chemických formách ve vtšin nerost , zemin, vegetaci a nachází se p irozen také ve vodách a v ásticích prachu ve vzduchu. Je p ítomen ve všech jílech, které byly základem pro výrobu keramických nádob od zrodu prvních civilizací. Hliník v kovové form se v p írod nenachází. Vždy je kombinován s dalšími prvky ve slou eninách. Až v roce 1825 byl izolován jako kov a teprve ve ty icátých letech minulého století byla vyvinuta komer n využitelná metoda jeho výroby. První vtší obchodní použití hliníku bylo v sortimentu kuchyského nádobí. Hliník, který je zna n rozší en v životním prost edí, nemá vliv na živé organizmy. Je to z toho d vodu, že jeho p irozené formy výskytu jsou stabilní. Vtšina vegetace obsahuje hliníkové ástice, které jsou rostlinami absorbovány p ímo z p dy. Dokonce nkteré - jako nap íklad ajový ke - vst ebávají hliník ve vtším množství, a proto jsou nazývány rostlinnými „akumulátory“. Hliník je p irozen obsažen v povrchové a spodní vod. Vtšina vodáren na celém svt používá hliníkový sulfát (kamenec) jako flota ní initel p i úprav vody. Kamenec je svtov rozší ený prost edek k úprav vody. Je nejefektivnjším flota ním initelem, který je relativn bezpe ný pro manipulaci, cenov dostupný a pro své malé zne ištní p edstavuje nízké riziko p ítomnosti toxických chemikálií. Podle sou asného mínní expert nep edstavuje p i bžném použití žádné riziko pro lidské zdraví. Nkteré zdroje vody nevyžadují tento zp sob úpravy. Ale jiné se bez nj neobejdou, protože jsou kalné se zvýšeným obsahem chemikálií a mikroorganizm , které mohou vyvolat u lidí onemocnní. Soli hliníku se p idávají k mraženým potravinám pro zlepšení jejich vzhledu, používají se pro výrobu sýr a piva. Zna n vysoký obsah hliníku byl zjištn v nápojích, jako jsou aj, káva nebo ovocné šávy uchovávané v hliníkových plechovkách. Hliník tak m že vstupovat do potravinového etzce etnými zp soby, v etn jeho uvolování z hliníkového nádobí [3]. Sou asná smrnice WHO stanovuje maximální úrove hliníku v pitné vod na 0.2 mg v jednom litru. D vodem jsou vzhledové a chuové aspekty, nikoli zdravotní rizika. Tuto hodnotu p evzala rovnž Evropská komise. Veškerá voda obsahuje malé množství hliníku. Zatímco v neutrálních vodách je p ítomen ve form pevných ástic, ve vysoce kyselých i zásaditých vodách m že být rozpuštn. Nkteré epidemiologické studie se pokoušely hledat vztah mezi p ítomností hliníku ve vod a Alzheimerovou chorobou. A dosply k rozporuplným výsledk m. Sou asná studie (1977) neprokázala souvislost mezi p ítomností hliníku ve vod a Alzheimerovou chorobou. Je t eba vzít na vdomí, že množství hliníku ve vod iní mén než 1.0 % jeho celkového denního p íjmu.

1.4.2. Hliník v lidském t le Pr mrné lidské tlo podle odhad obsahuje 35 až 50 mg hliníku. Z toho je p ibližn 50 % v plicích, 25 % v mkkých tkáních a 25 % v kostech. Biologická funkce hliníku není známa - není považován za významný stopový prvek - a lidské tlo má efektivní bariéry proti p edávkování hliníkem. Pouze minimální podíl hliníku v potrav je absorbován trávicím ústrojím a u zdravých jedinc je velmi rychle vylou en prost ednictvím ledvin. Když je množství hliníku v krvi velmi vysoké, za nou kosti toto navýšení rychle absorbovat, a pozdji v delším asovém období je uvolují. Aby mohli výzkumníci studovat vliv hliníku v lidském tle, dávkovali dobrovolník m v potrav sto násobn vyšší množství hliníku oproti normálu - bez jakýchkoliv efekt . V minulosti, p i pokusech na zví atech, kdy dostávala podstatn vtší množství hliníku, byl prakticky veškerý hliník rovnž vylou en zažívacím traktem a eliminován. Studie podílu hliníku v lidské strav šla nad rámec p ípravy a skladování potravy. Všechny kovové prvky, které se vyskytují v zemské k e, se dostávají r znými cestami do rostlinných a živo išních bunk. Výzkumníci tedy sledují kombinovaný vliv na lidské zdraví jednak z p irozeného obsahu kovových ástic Kapitola 1.4.

Štefan Michna

32

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

v potrav, vod a vzduchu a dále z používání hliníkového nádobí, obal a medikament . Sou asné studie ukazují, že lidským tlem je absorbováno mén než 1 % požitého hliníku, p i emž v závislosti na p ítomnosti ostatních prvk to m že být i mén než 0.01 %. Možnost spojitosti mezi hliníkem a Alzheimerovou chorobou vyplula na povrch v roce 1965 p i laboratorních pokusech. Následný výzkum p inesl rozporuplné výsledky. Výzkumná skupina v Newcastle zjistila hliník v centru senilních plak spojovaných s Alzheimerovou chorobou. Hypotéza o tom, že hliník je rizikovým faktorem pro vznik Alzheimerovy demence v 70. letech vytvo ila v myslích mnoha lidí odpor k hliníkovým p íbor m a hliníkovým hrnc m. Hlavní motivaci tohoto masového odmítání hliníkového nádobí byla zjištní, že v mozcích osob, které zem ely na diagnózu Alzheimerovy demence, p esahuje obsah hliníku normální horní hranice jeho obsahu v mozcích zdravých lidí. Analytické studie jiných autor však tyto nálezy zcela jednozna n nepotvrdily. Skupina z Oxfordské univerzity s využitím pokro ilých analytických technik na vzorcích hliník uvnit plak nenalezla. Sou asná norská studie zam ená na eliminaci ur itých d ívjších nesrovnalostí nezjistila rozdíl v obsahu hliníku v p íslušných oblastech mozku mezi pacienty s Alzheimerovou chorobou a kontrolní skupinou. Intenzivní výzkum zam ený na studium patofyziologických a genetických zmn p i Alzheimerov demenci v posledních letech p inesl mnoho nových nález v oblasti molekulární biologie, biochemie a neurochemie a na jejich základech byly postulovány nové teorie o možné etiologii Alzheimerovy demence. P vodní podez ení na hliník jako možnou p í inu vyvolávající postupnou zmnu vdomí, ztrátu pamti, vnímání a orientace, ztrátu osobnosti a intelektu p i Alzheimerov demenci bylo odsunuto na okraj pozornosti. V sou asné dob je hliník uvádn pouze ve skupin domnlých rizikových faktor a to spole n s konzumací alkoholu a manuálním zamstnáním [1]. Zatím bylo málo p ihlíženo k tomu, že rozpustnost hliníku a jeho biologická dostupnost se siln zvyšují v p ítomnosti fluoridových iont , kdy se tvo í dob e rozpustné fluorohlinitanové komplexy [2]. Poslední ucelená zpráva byla vytvo ena v roce 1997 auditorskou skupinou Mezinárodního programu chemické bezpe nosti za podpory Svtové zdravotnické organizace a Programu životního prost edí OSN. Závry této zprávy jsou následující: „Nebyl zaznamenán vliv ani p í inná souvislost hliníku v i Alzheimerov chorob a hliník nezp sobuje Alzheimer v patologický stav u živých tvor , lovka nevyjímaje.“ Hypotézy, že vystavení starší populace vyšší úrovni hliníku v pitné vod m že zhoršit nebo urychlit Alzheimerovu chorobu, nejsou podpo eny hodnovrnými daty. Bhem sedmé Mezinárodní konference o Alzheimerov chorob a souvisejících onemocnních v ervenci roku 2000, které se zú astnilo více než tisíc specialist , nebyl hliník shledán jako faktor, který by se podílel na Alzheimerov chorob.

1.4.3. Hliník v medikamentech Prakti tí léka i p edepisují svým pacient m dlouhodob velké množství lék obsahujících hliníkové slou eniny. Ješt vtší množství lék je užíváno bez receptu na základ uvolnní regula ními orgány.

Hlavní slou eninou hliníku obsaženou v medikamentech je hydroxid hlinitý. Ten je používán jako anacidum p i ošet ování žalude ních v ed a také jako prost edek, který váže fosfáty v p ípad dlouhotrvajících ledvinových poruch. Alternativní anacida sice existují, ale nejsou tak efektivní. Dlouhodobý p íjem orálních hliníkových anacid u pacient s onemocnním ledvin m že vést ke zvyšování hliníku v krevním séru. V sou asné dob u dialyzovaných pacient nep sobí zvyšující se hladina hliníku v tle žádné problémy. Hliníkové slou eniny jsou rovnž používány v antiperspirantech, antiseptických roztocích a jako nosi e ú inných látek ve vakcínách. O hliníku není známo, že by vytvá el jakékoli nežádoucí ú inky, a proto byl p ijat Svtovou zdravotnickou organizací pro výše uvedená použití.

Kapitola 1.4.

Štefan Michna

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

33

1.4.4. Hliník v potrav a obalech Vtšina potravin má ur itý p irozený obsah hliníku. P íkladem potravin s vysokým obsahem hliníku jsou aje a nkteré rostliny a ko ení. Tém veškerý denní p íjem hliníku pochází z p írodních zdroj . V normální strav Evropana je denní p íjem hliníku odhadován v rozmezí 3 - 12 mg, v závislosti na typu jídla. V USA je obvykle vyšší z d vodu širšího používání ur itých potraviná ských p ídavk , nap . p i výrob sýr , oplatek a sušených výrobk ve form prášk . Tato aditiva, která obsahují hliníkové soli, jsou všechna povolena zodpovdnými institucemi. Hliník v podob fólií, misek, plechovek a nádobí je široce používán pro ochranu, skladování, konzervaci a p ípravu jídel a nápoj . Vynikající tepelná vodivost se s výhodou používá pro p ípravu a servírování jak teplých, tak studených jídel. Hliník je kov velmi lehký, ímž snižuje náklady na p epravu a nachází uplatnní taktéž v p ípadech, kdy je hmotnost podstatná. Používá se pro r zné typy obal , v etn v kombinaci s jinými materiály. Nepropouští mikroorganizmy, vzduch ani svtlo, ímž zabezpe uje ochranu obsahu. Oxid hlinitý, který se tvo í na povrchu kovového hliníku za p ítomnosti vzduchu, je stabilní v oblasti pH od 4.5 do 8.5. To iní hliník použitelným pro skladování celé škály r zných typ potravin. Hliníková fólie je asto používána v domácnostech, kde se do ní balí mnoho potravin. Je známo, že touto cestou se dostává do potravin pouze zanedbatelné množství hliníku. Již d íve bylo zjištno, že lovk získává ur ité množství hliníku ve strav. Ovšem to bylo dáno rozsáhlým zastoupením hliníku v p írodních potravinách. P íjem z jídla p ipravovaného v hliníkovém nádobí, fóliích, i nápojových plechovkách je vtšinou zanedbatelný (obvykle cca 0.1 mg/den). Výjimkou jsou pouze p ípady, kdy se dlouhodob va í nebo skladují velmi kyselé i velmi slané potraviny v hliníkových nádobách bez ochranné vrstvy. Toto se ovšem bžn nestává. Z již tak nízkého množství hliníku obsaženého v potrav je pouze malý podíl absorbován v žaludku a ve st evech a zakrátko tém všechen byl vylou en prost ednictvím ledvin.

1.5.

Ozna ování slitin hliníku

Ozna ování hliníku a slitin hliníku se ídí eskými technickými normami. V sou asnosti je platné ozna ování jak podle norem SN EN, tak podle norem SN. Normy SN EN mají v technické praxi p ednost. P i ozna ování hliníku a slitin hliníku podle SN se písemné zna ení SN dopluje šestimístnou íslicí. Podle SN EN písemné zna ení dopluje ty místná, resp. ptimístná íslice. Toto íselné ozna ení dopluje chemické ozna ení. To se skládá z chemických zna ek, za kterými obvykle následují ísla udávající istotu hliníku nebo jmenovitý obsah p íslušného prvku. Systém ozna ování íslicemi je prioritní, ozna ování chemickými zna kami je pouze doplkové.

1.5.1. Ozna ování hliníku a slitiny hliníku podle SN EN a) Ozna ování hliníku a slitin hliníku pro tvá ení podle SN EN 573-1 až 3 Tyto normy platí pro tvá ené výrobky a ingoty ur ené ke tvá ení a stanoví ozna ování písmeny EN AW a ty mi íslicemi. íselné ozna ení lze doplnit i chemickým ozna ením, nap . EN AW-5052 [AlMg2.5]. Jednotlivé ásti ozna ení následují v po adí:  p edpona EN následována mezerou,  písmeno A ur uje hliník,  písmeno W ur uje tvá ené výrobky,  spojovací árka,  ty i íslice ozna ují chemické složení. Kapitola 1.5.

Věra Jelínková

34

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

V ty místném íselném ozna ení udává první ze ty íslic skupinu slitin podle hlavních slitinových prvk :

ada 1000 – Al minimáln 99.00% a více

ada 3000 – slitina AlMn

ada 5000 – slitina AlMg

ada 7000 – slitina AlZn

ada 2000 – slitina AlCu

ada 4000 – slitina AlSi

ada 6000 – slitina AlMgSi

ada 8000 – slitina Al s r znými prvky

Seznam všech platných typ hliníku a slitin hliníku pro tvá ení je obsažen v norm:

SN EN 573-3 – Hliník a slitiny hliníku - Chemické složení a druhy tvá ených výrobk – ást 3: chemické složení:2004. P ehled nkterých vybraných slitin se sou asným porovnáním tchto druh slitin podle SN a DIN 1725-1 (Nmecko) je uveden v tabulkách . 1.5.2.1. – 1.5.2.8. b) Ozna ování slitin hliníku na odlitky podle SN EN 1706 Tato norma platí pro odlitky a stanoví ozna ování písmeny EN AC a pti íslicemi. íselné ozna ení lze doplnit i chemickým ozna ením, nap . EN AC-21000 [AlCu4MgTi]. Jednotlivé ásti ozna ení následují v po adí:  p edpona EN následována mezerou,  písmeno A ur uje hliník,  písmeno C ur uje odlitky,  spojovací árka,  ty i íslice ozna ují chemické složení. První z pti íslic v ptimístném íselném ozna ení udává skupinu slitin stejn jako u slitin pro tvá ení podle hlavních slitinových prvk :

ada 10000 – Al minimáln 99.00% a více

ada 20000 – slitina AlCu

ada 30000 – slitina AlMn

ada 40000 – slitina AlSi

ada 50000 – slitina AlMg

ada 60000 – slitina AlMgSi

ada 70000 – slitina AlZn

ada 80000 – slitina Al s r znými prvky Seznam všech platných typ hliníku a slitin hliníku na odlitky je obsažen v norm:

SN EN 1706 – Hliník a slitiny hliníku – Odlitky - Chemické složení a mechanické vlastnosti:1999. P ehled nkterých vybraných slitin se sou asným porovnáním tchto druh slitin podle SN a DIN 1725-2 (Nmecko) je uveden v tabulce . 1.5.2.9.

1.5.2. Ozna ování hliníku a slitiny hliníku podle SN V SN normách jsou jednotlivé typy hliníku a slitin hliníku ozna ovány vždy samostatnou normou SN a šestimístným íslem. P íklad šestimístného íslování za zna kou SN: Nap íklad t ída norem 42 udává hutnictví, skupina norem 40 - 45 uvádí, že jde o Al nebo slitiny Al na odlitky nebo pro tvá ené výrobky. íselné ozna ení lze také doplnit i chemickým ozna ením. SN 42 4400 AlMg1Si1Mn t ída norem skupina norem ve t íd norem

Kapitola 1.5.

chemické ozna ení

íslo ve skupin norem (ur uje p esn p edmt normy)

Věra Jelínková

35

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Tabulka 1.5.2.1. Technicky istý hliník – ada 1000 Ozna ení slitin podle SN EN 573-3

Ozna ení slitin podle SN

íselné zna ení SN 42 4004 SN 42 4005

chemické zna ení Al 99.5 E Al 99.5

EN AW-1070A EN AW-Al 99.7(A)

SN 42 4003

EN AW-1080A EN AW-Al 99.8(A) EN AW-1200 EN AW-1350

íselné zna ení

chemické zna ení

Ozna ení slitin podle DIN 1725-1

íselné chemické zna ení zna ení 3.0255

Al 99.5

Al 99.7

3.0275

Al 99.7

SN 42 4002

Al 99.8

3.0285

Al 99.8

EN AW-Al 99.0

SN 42 4009

Al 99

3.0205

Al 99

EN AW-EAl 99.5

SN 42 4004

Al 99.5 E

-

-

-

-

3.0257

E-Al

EN AW-1050A EN AW-Al 99.5(A)

EN AW-1350A EN AW-EAl 99.5(A) Tabulka 1.5.2.2.

Slitiny hliníku – ada 2000 – AlCu Ozna ení slitin podle SN EN 573-3

Ozna ení slitin podle SN

Ozna ení slitin podle DIN 1725-1

íselné chemické zna ení zna ení

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

EN AW-2007

EN AW-Al Cu4PbMgMn

-

-

3.1645

AlCuMgPb

EN AW-2011

EN AW-Al Cu6BiPb

-

-

3.1655

AlCuBiPb

EN AW-2014

EN AW-Al Cu4SiMg

-

-

3.1255

AlCuSiMn

EN AW-2017A EN AW-Al Cu4MgSi(A)

SN 42 4201

AlCu4Mg

3.1325

AlCuMg1

EN AW-2024

EN AW-Al Cu4Mg1

SN 42 4203

AlCu4Mg1

3.1355

AlCuMg2

EN AW-2030

EN AW-Al Cu4PbMg

SN 42 4254

AlCu4PbMg

-

-

EN AW-2117

EN AW-Al Cu2.5Mg

SN 42 4204

AlCu2Mg

3.1305

AlCu2.5Mg0.5

SN 42 4218

AlCu2Mg2Ni

-

-

íselné zna ení

EN AW-2618A EN AW-Al Cu2Mg1.5Ni Tabulka 1.5.2.3.

Slitiny hliníku – ada 3000 – AlMn Ozna ení slitin podle SN EN 573-3

Ozna ení slitin podle SN

Ozna ení slitin podle DIN 1725-1

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

EN AW-3002

EN AW-Al Mn0.2Mg0.1

-

-

-

-

EN AW-3003

EN AW-Al Mn1Cu

-

-

3.0517

AlMnCu

EN AW-3103

EN AW-Al Mn1

SN 42 4432

AlMn1

-

-

íselné zna ení

Kapitola 1.5.

Věra Jelínková

36

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

EN AW-3103A EN AW-Al Mn1(A)

-

-

3.0515

AlMn1

EN AW-3004

EN AW-Al Mn1Mg1

-

-

3.0526

AlMn1Mg1

EN AW-3005

EN AW-Al Mn1Mg0.5

-

-

3.0525

AlMn1Mg0.5

EN AW-3105A

EN AW-Al Mn0.5Mg0.5(A)

-

-

3.0505

AlMn0.5Mg0.5

EN AW-3207

EN AW-Al Mn0.6

-

-

3.0506

AlMn0.6

Tabulka 1.5.2.4. Slitiny hliníku – ada 4000 – AlSi Ozna ení slitin podle SN EN 573-3

íselné zna ení EN AW-4032

chemické zna ení EN AW-Al Si12.5MgCuNi

Ozna ení slitin podle SN

Ozna ení slitin podle DIN 1725-1

íselné zna ení

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

SN 42 4237

AlSi12Ni1Mg

-

-

Tabulka 1.5.2.5. Slitiny hliníku – ada 5000 – AlMg Ozna ení slitin podle SN EN 573-3

Ozna ení slitin podle SN

Ozna ení slitin podle DIN 1725-1

íselné zna ení

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

-

-

3.3315

AlMg1

SN 42 4415

AlMg5

3.3555

AlMg5

-

-

3.3527

AlMg2Mn0.8

EN AW-5051A EN AW-Al Mg2(B)

-

-

3.3326

AlMg1.8

EN AW-5052

EN AW-Al Mg2.5

-

-

3.3523

AlMg2.5

EN AW-5083

EN AW-Al Mg4.5Mn0.7

-

-

3.3547

AlMg4.5Mn

EN AW-5086

EN AW-Al Mg4

-

-

3.3545

AlMg4Mn

EN AW-5182

EN AW-Al Mg4.5Mn0.4

-

-

3.3549

AlMg5Mn

EN AW-5251

EN AW-Al Mg2Mn0.3

SN 42 4412

AlMg2

3.3525

AlMg2Mn0.3

EN AW-5454

EN AW-Al Mg3Mn

-

-

3.3537

AlMg2.7Mn

EN AW-5754

EN AW-Al Mg3

SN 42 4413

AlMg3

3.3535

AlMg3

íselné zna ení

chemické zna ení

EN AW-5005A EN AW-Al Mg1(C) EN AW-5019

EN AW-Al Mg5

EN AW-5049

EN AW-Al Mg2Mn0.8

Kapitola 1.5.

Věra Jelínková

37

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Tabulka 1.5.2.6. Slitiny hliníku – ada 6000 – AlMgSi Ozna ení slitin podle SN EN 573-3

Ozna ení slitin podle SN

Ozna ení slitin podle DIN 1725-1

íselné zna ení

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

EN AW-6005A EN AW-Al SiMg

-

-

3.3210

AlMgSi0.7

EN AW-6012

EN AW-Al MgSiPb

-

-

3.0615

AlMgSiPb

EN AW-6060

EN AW-Al MgSi

SN 42 4401

AlMgSi

3.3206

AlMgSi0.5

EN AW-6061

EN AW-Al Mg1SiCu

-

-

3.3211

AlMg1SiCu

EN AW-6063A EN AW-Al Mg0.7Si

SN 42 4401

AlMgSi

EN AW-6082

SN 42 4400

AlMg1Si1Mn

3.2315

AlMgSi1

-

-

3.3207

E-AlMgSi0.5

íselné zna ení

chemické zna ení

EN AW-Al Si1MgMn

EN AW-6101B EN AW-EAl MgSi(B)

Tabulka 1.5.2.7. Slitiny hliníku – ada 7000 – AlZn Ozna ení slitin podle SN EN 573-3

íselné zna ení

chemické zna ení

Ozna ení slitin podle SN

Ozna ení slitin podle DIN 1725-1

íselné zna ení

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

EN AW-7020

EN AW-Al Zn4.5Mg1

SN 42 4441

AlZn5Mg1

3.4335

AlZn4.5Mg1

EN AW-7022

EN AW-Al Zn5Mg3Cu

-

-

3.4345

AlZnMgCu0.5

EN AW-7075

EN AW-Al Zn5.5MgCu

SN 42 4222

AlZn6Mg2Cu

3.4365

AlZn4.5MgCu1.5

Tabulka 1.5.2.8. Slitiny hliníku – ada 8000 – rzné Ozna ení slitin podle SN EN 573-3

íselné zna ení

chemické zna ení

EN AW-8011A EN AW-Al FeSi(A)

Kapitola 1.5.

Ozna ení slitin podle SN

Ozna ení slitiny podle DIN 1725-1

íselné zna ení

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

-

-

3.0915

AlFeSi

Věra Jelínková

38

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Tabulka 1.5.2.9. Slitiny hliníku na odlitky Ozna ení slitin podle DIN 1725-2

íselné chemické zna ení zna ení

Ozna ení slitin podle SN EN 1706

Ozna ení slitin podle SN

íselné zna ení

chemické zna ení

íselné zna ení

chemické zna ení

EN AC-21000

EN AC-Al Cu4MgTi

-

-

3.1371

AlCu4MgTi

EN AC-21100

EN AC-Al Cu4Ti

-

-

3.1841

AlCu4Ti

EN AC-42100

EN AC-Al Si7Mg0.3

-

-

3.2371

AlSi7Mg0.3

EN AC-43000

EN AC-Al Si10Mg(a)

SN 42 4331

AlSi10MgMn

3.2381

AlSi10Mg(a)

EN AC-43200

EN AC-Al Si10Mg(Cu)

-

-

3.2383

AlSi10Mg(Cu)

EN AC-43300

EN AC-Al Si9Mg

SN 42 4331

AlSi10MgMn

3.2373

AlSi9Mg

EN AC-43400

EN AC-Al Si10Mg(Fe)

-

-

3.2382

AlSi10Mg(Fe)

EN AC-44000

EN AC-Al Si11

-

-

3.2211

AlSi11

EN AC-44200

EN AC-Al Si12(a)

SN 42 4330

AlSi12Mn

3.2373

AlSi12

EN AC-44300

EN AC-Al Si12(Fe)

SN 42 4330

AlSi12Mn

3.2582

AlSi12(Fe)

EN AC-45000

EN AC-Al Si6Cu

-

-

3.2151

AlSi6Cu

EN AC-46000

EN AC-Al Si9Cu3(a)

SN 42 4339

AlSi8Cu2Mn

3.2163

AlSi9Cu3(a)

EN AC-46200

EN AC-Al Si8Cu3

-

3.2163

AlSi9Cu3

EN AC-47000

EN AC-Al Si12(Cu)

SN 42 4330

AlSi12Mn

3.2583

AlSi12(Cu)

EN AC-47100

EN AC-Al Si12Cu(Fe)

-

-

3.2982

AlSi12Cu(Fe)

EN AC-48000

EN AC-Al Si12CuNiMg

-

-

-

AlSi12CuNiMg

EN AC-51100

EN AC-Al Mg3(a)

-

-

3.3541

AlMg3

EN AC-51200

EN AC-Al Mg9

SN 42 4519

AlMg10SiCa

3.3292

AlMg9

EN AC-51300

EN AC-Al Mg5

-

-

3.3561

AlMg5Si

EN AC-51400

EN AC-Al Mg5(Si)

SN 42 4515

AlMg5Si1Mn

3.3261

AlMg5Si

1.6.

P ehled slévárenských hliníkových slitin

Slévárenské slitiny hliníku mají v i slévárenským slitinám z jiných kov adu výhod, které lze formulovat následovn:  dobrá slévatelnost, která se výrazn zlepšuje se zvyšujícím se podílem p íslušného eutektika podle chemického složení,  nízká teplota tavení,  malý interval krystalizace,  obsah vodíku v odlitku, který je jediným rozpustným plynem v hliníku, lze minimalizovat vhodnými technologickými podmínkami,  dobrá chemická stabilita (odolnost v i korozi),  dobré povrchové vlastnosti odlitku,  u vtšiny slitin je nízká náchylnost k tvorb trhlin za tepla.

Kapitola 1.6.

Ivan Lukáč

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

39

Volba vhodné slitiny pro vyhotovení odlitku požadovaného tvaru a rozmru je ovlivována tmito pti hlavními faktory. 1. Slévárenské vlastnosti: slévatelnost, odolnost v i vzniku trhlin za tepla, malý interval krystalizace, dobré vlastnosti pro tlakové lití. Je nutno uvést, že slévatelnost je p edevším ovlivnná teplotním intervalem krystalizace, viskozitou a povrchovým naptím taveniny. Odolnost v i vzniku trhlin za tepla je všeobecn tím nižší, ím má slitina vtší interval krystalizace a nižší pevnostní vlastnosti za vyšších teplot. 2. Požadované mechanické vlastnosti: pevnostní a plastické vlastnosti, tvrdost, možnost zvýšení pevnostních vlastností tepelným zpracováním. 3. Chemické vlastnosti: odolnost v i korozi, možnost povrchové úpravy – eloxování. U hliníkových slitin je odolnost v i korozi výrazn zhoršována p ítomností Cu. 4. Vlastnosti hotových výrobk: nepropustnost kapalin v odlitku p sobením tlaku, rozmrová a teplotní stabilita. 5. Ekonomické faktory: náklady na mechanické obrábní, tavení a lití, tepelné zpracování, sva itelnost. Spole ným znakem všech slévárenských slitin hliníku je celkov vyšší obsah legujících prvk než u slitin pro tvá ení. Ze strukturálního hlediska jde o heterogenní slitiny s p ítomností eutektika. V souasnosti, dle ASM (ASM International–The Materials Information Society), dlíme slévárenské slitiny hliníku, na základ obsahu legujícího prvku nebo legujících prvk, do šesti základních typ: 1. Slitiny typu Al – Cu. Obsah Cu je obvykle v rozmezí 4 – 5 %. Tepelným zpracováním lze zvýšit jejich pevnostní vlastnosti v i litému stavu. Vyrábjí se také slitiny s obsahem 9 – 11 % Cu, vyzna ující se dobrými pevnostními vlastnostmi za vyšších teplot a také odolností v i otru. Velmi dobrých pevnostních vlastností za vyšších teplot lze docílit p idáním Ni a Mg. Nevýhodou tchto slitin je horší slévatelnost a nízká korozní odolnost. P edstavitelé v eských normách jsou tyto slitiny: SN EN 1706 i slitina AC – AlCu4MgTi (4.2 – 5.0 % Cu, 0.15 – 0.35 % Mg, 0.15 – 0.35 % Ti) a SN 42 4315, slitina AlCu4Ni2Mg2 (3.75 – 4.5 %Cu, 1.75 – 2.25 % Ni, 1.25 – 1.75 % Mg). 2. Slitiny typu Al – Cu – Si. Jedná se o zna n používané slitiny, u kterých se legováním Si, v i prvnímu typu slitin, zlepšily slévárenské vlastnosti. U tchto slitin je bu v p evaze Cu, nebo Si. Slitiny s obsahem Cu nad 3 % jsou tepeln zpracovatelné. Vtšinou se tepeln zpracují jen slitiny, u kterých je legován také Mg. Slitiny s vysokým obsahem Si (nad 10 %) jsou aplikované tam, kde se vyžaduje nízký koeficient teplotní roztažnosti. Vysokou odolnost v i otru vykazují slitiny, kde obsah Si m že dosáhnout až 22 %. Dle SN jsou k dispozici nap íklad slitiny: SN 42 4339 - slitina AlSi8Cu2Mn (7.5 – 9.5 % Si, 2 – 3 % Cu, 0.3 – 0.5 % Mn), SN EN 1706 - slitina AC-AlSi6Cu4 (5.0 – 7.0 % Si, 3.0 – 5.0 % Cu) a SN 42 4386 - slitina AlSi20Cu2NiMgMn (19.0 – 22.0 % Si, 1.5 – 2.0 % Cu, 0.5 – 1.0 % Ni, 0.8 – 1.2 % Mg, 0.1 – 0.4 % Mn). 3. Slitiny typu Al – Si. Jsou aplikovány p i požadavku na dobrou slévatelnost a odolnost v i korozi. Obsah Si se u tchto slitin pohybuje vtšinou mezi 5 až 13 %. Podle obsahu k emíku jsou rozdlovány na podeutektické (mén než 12 % Si), eutektické (kolem 12 % Si) a nadeutektické (nad 12 % Si). V p ípad nelegování Mg je možnost tepelného zpracování tchto slitin a nejsou legovány mdí. Dle SN je k dispozici SN 42 4330 - slitina AlSi12Mn (11.00 – 13.00 % Si, 0.1 – 0.4 % Mn). 4. Slitiny typu Al – Mg. Mají velmi dobrou odolnost v i korozi p edevším v mo ské vod. Nejlepší odolnost v i korozi vykazují slitiny vyrobené z vysoko istých surovin. Jsou sva ovatelné a mají také dobrou mechanickou obrobitelnost. P i aplikaci v architektu e lze u odlitku realizovat eloxování. Nevýhodou tchto slitin je špatná slévatelnost a náchylnost ho íku k oxidaci v procesu tavení. P edstaviteli tchto slitin u nás jsou nap íklad SN 42 4515 - slitina AlMg5Si1Mn (4.40 – 5.50 % Mg, 0.60 – 1.50 % Si, 0.25 – 0.6 % Mn) a SN 42 4519 - slitina AlMg10SiCa (7.00 – 10.00 % Mg, 0.01 – 2.00 % Si, 0.01 – 0.15 % Ca). 5. Slitiny typu Al – Zn – Mg. Typické pro tyto slitiny jsou dobré pevnostní vlastnosti již v litém stavu, dobrá odolnost v i korozi (ne za naptí). V p ípad tepelného zpracování není nutné drastické ochlazování z kalící teploty (v porovnání se slitinami typu Al – Cu) a maximálních pevnostních vlastností lze dosáhnout po 20 až 30 dnech p irozeným stárnutím. Slévatelnost slitin tohoto typu je špatná a mají také náchylnost k tvorb trhlin za tepla. Zástupce najdeme v SN EN 1706, slitina EN AC AlZn5Mg (4.50 – 6.00 % Zn, 0.40 – 0.70 % Mg). 6. Slitiny typu Al – Sn. Jedná se o slitiny s obsahem cca 6 % Sn a malým množstvím Cu a Ni (s cílem zvýšení pevnostních vlastností) speciáln ur enými pro výrobu kluzných ložisek. Ze slévárenského hlediska je hlavním problémem velký interval krystalizace a možnost segregace Sn. V SN není k dispozici zástupce tohoto typu slitin. V amerických normách najdeme slitinu s ozna ením AA850.0 – 6.5Sn-1Cu-1Ni. Je pot eba se zmínit také o moderních slitinách typu Al – Li, které nejsou ze slévárenského hlediska doposud komer n využity tak jako slitiny pro tvá ení.

Kapitola 1.6.

Ivan Lukáč

40

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Celosvtov hlavními p estaviteli, co se tý e množství slévárenských výrobk , jsou odlitky vyhotovené tlakovým litím. Aplikované slitiny pro odlévání pod tlakem jsou ponkud jinak uspo ádány a jsou azeny do následujících pti skupin s obecn charakteristickými vlastnostmi pro ú ely odlitku. a. Slitiny typu Al-Cu-Si. V amerických normách (Aluminium Association) je typickým p estavitelem slitina AA 380.0 – odpovídá p ibližn SN 42 4339 - slitina AlSi8Cu2Mn (7.5 – 9.5 % Si, 2.0 – 3.0 % Cu, 0.3 – 0.5 % Mn). Jedná se o nejvíce aplikované slitiny pro tlakové lití. Ozna ovány jsou jako slitiny „pro všechny ú ely“. Mají velmi dobrou slévatelnost a dobré mechanické vlastnosti, ale mají malou odolnost v i korozi. b. Slitiny typu Al-Si-Mg. V americkým normách typická slitina AA 360.0 odpovídá SN 42 4331 - slitin AlSi10MgMn (9.0 – 10.5 % Si, 0.25 – 0.45 % Mg). O tchto slitinách lze také

íci, že jsou univerzální. Vyzna ují se dobrou slévatelností a odolností v i korozi. Na druhou stranu mají zhoršenou mechanickou obrobitelnost a jejich mechanické vlastnosti jsou nižší než u slitiny AA380.0. c. Slitiny typu Al-Si-Cu-Mg. Za p estavitele je pokládána slitina AA 390.0 (16.0 – 18.0 % Si, 4.0 – 5.0 % Cu, 0.45 – 0.65 % Mg). Dle SN 42 4386 jí p ibližn odpovídá slitina AlSi20Cu2NiMgMn. Jedná se o slitiny s vynikající otruvzdorností, malou teplotní roztažností, vysokou tepelnou vodivostí, dobrými mechanickými vlastnostmi za zvýšených teplot a velmi dobrou slévatelností. Oproti tmto uvedeným kladným vlastnostem však mají nízkou odolnost v i korozi, nízké plastické vlastnosti a špatnou mechanickou obrobitelnost. Používají se hlavn jako náhrada za odlitky ze sivé litiny a pro odlitky, u kterých se žádá vysoká otruvzdornost. d. Slitiny typu Al-Si. Dle ASM je to slitina podeutektická C 443.0 (4.5 – 6.0 % Si) a jí áste n odpovídá SN EN 1706, slitina EN AC-AlSi5Cu1Mg (4.5 – 5.5 % Si, 1.0 – 1.5 % Cu, 0.35 – 0.65 % Mg a také nadeutektická 413.0, jež odpovídá SN 42 4330 (11.00 – 13.00 % Si, 0.1 – 0.4 % Mn). Mají vynikající slévatelnost, velmi dobrou odolnost v i korozi, ale špatnou mechanickou obrobitelnost. Jsou velice vhodné pro odlitky vtších rozmr a tenkostnné odlitky. e. Slitiny typu Al-Mg. Za hlavního p edstavitele je považována slitina AA518.0 (7.5 – 8.5 % Mg), jíž áste n odpovídá SN EN 1706, slitina EN AC – AlMg5 (4.5 – 6.5 % Mg). Aplikace tchto slitin je p edevším tam, kde se žádá vysoká odolnost v i korozi. Mají také vysoké pevnostní vlastnosti, vysokou tažnost, vynikající mechanickou obrobitelnost, dobré lomové hodnoty a nízkou specifickou hustotu. Jejich slévárenské vlastnosti jsou ale špatné. V tabulce 1.6.1. jsou uvedeny typické mechanické vlastnosti vybraných slitin a v tabulce 1.6.2. jejich fyzikální vlastnosti dle údaj ASM. Tabulka 1.6.1. Typické mechanické vlastnosti vybraných slitin pro tlakové odlévání dle ASM. Slitina dle ASM Odpovídá slitin dle SN Rm [MPa] Re [MPa] A [%] AA 380.0 42 4339 320 160 2.5 AA 360.0 42 4331 300 170 2.5 AA 390.0 42 4386 280 240 1.0 AA 443.0 EN AC – AlSi5Cu1Mg 230 100 9.0 AA 518.0 EN AC – AlMg5 310 190 5.0 Tabulka 1.6.2. Fyzikální vlastnosti vybraných slitin pro tlakové odlévání dle ASM. Slitina dle ASM Hustota Interval tavení El. vodivost Tepelná vodivost Koef. tep. roztažnosti [K x 10-6] p i °C [kg.m3] [°C] IACS [%] p i 25 °C -1 -1 [W.m .K ] 20 - 100 20 - 300 AA 380.0 2740 520 -590 27 0.26 21.2 22.5 AA 360.0 2685 570 –590 37 0.35 20.9 22.9 AA 390.0 2740 510 – 650 25 0.32 18.5 AA 443.0 2685 575 – 630 37 0.34 AA 518.0 2519 540 – 620 24 0.24 24.1 26.1 Lze konstatovat, že v posledním období je celosvtová snaha jednotlivých výzkumných pracoviš o vytvo ení ur ité „univerzální“ slitiny, resp. „univerzálních“ slitin a tím snížení doposud aplikovaného po tu. Pro pochopení této snahy nutno uvést hodnocení slévárenských slitin z r zných hledisek dle ASTM standard 85 – 92a, jak je to patrné u vybraných slitin v tabulce 1.6.3.

Kapitola 1.6.

Ivan Lukáč

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

41

Tabulka 1.6.3. Hodnocení vybraných slévárenských slitin pro tlakové odlévání dle ASTM standard 85 – 92a. Slitina dle ASM Zabíhavost Náchylnost ke vzniku Korozní odolnost Mechanická Možnost eloxování trhlin za tepla obrobitelnost a povrchový vzhled AA 380.0 2 2 4 3 3 AA 360.0 2 1 2 3 3 AA 390.0 2 4 3 5 5 AA 443.0 1 3 2 5 2 AA 518.0 5 5 1 1 1 Poznámka k hodnocení: 1 – nejlepší, 5 – nejhorší. Doposud žádná známá slévárenská slitina není tou optimální, její rozdílné požadované vlastnosti nejsou klasifikovány nejnižší hodnotou. D ležité je hodnocení kvality odlitku z hlediska struktury jednotlivých typ slitin. ASTM vypracoval za pomoci SEM a EDX analýz systém hodnocení jen optickou mikroskopií, kde u nkterých typ slitin lze identifikovat strukturní složky na základ barevného kontrastu. Údaje jsou uvedeny v tabulce 1.6.4. až 1.6.6. Tabulka 1.6.4. Strukturní složky ve slitin AA 380.0. Strukturní složka Charakteristika  fáze (matrice) Dendrity Al15Mn3Si2 Hndé intermetalické ástice tvaru „ ínské písmo“ Al5FeSi Jehlice Si Šedivé jehlice Al2Cu Intermetalické ástice r žové barvy Al5Cu2Mg8Si6 Mg2Si erné intermetalické ástice

Tabulka 1.6.5. Strukturní složky ve slitin AA 390.0. Strukturní složka Charakteristika  fáze (matrice) Dendrity Primární Si Velké šedivé jehlice, resp. velké krystalograficky vyvinuté ástice Si Šedivé jehlice Al15(Mn,Fe)3Si2 Hndé intermetalické ástice tvaru „ ínské písmo“ Al5FeSi Jehlice Al2Cu Intermetalické ástice r žové barvy Al5Mg8Cu2Si6 Šediv – hndé krystalograficky vyvinuté ástice

Tabulka 1.6.6. Strukturní složky ve slitin AA 518.0. Strukturní složka Charakteristika  fáze (matrice) Dendrity Al3Fe Šedivé jehlice Mg2Si Svtle – hndé krystalograficky vyvinuté ástice Al8Mg5 erné krystalograficky vyvinuté ástice Vzhledem ke skute nosti, že všechny uvedené typy slitin se aplikují i pro odlitky pro automobilový a letecký pr mysl, kde jsou žádány i vysoké hodnoty únavových vlastností, je nutné uvést faktory, které je ovlivují. Jsou to:  porezita a staženiny,  velikost, množství a krystalografická orientace intermetalických ástic,  strukturní parametry (velikost dendritických bunk, morfologie a množství eutektické složky atd.).

1.7.

P ehled hliníkových slitin pro tvá ení

Hliníkové slitiny pro tvá ení lze za adit podle EN 573–1 do tchto skupin, v etn hliníku istoty minimáln 99.00 % a výše (viz tabulku 1.7.1.).

Kapitola 1.7.

Ivan Lukáč

42

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Tabulka 1.7.1. Rozdlení podle EN 573–1. Hlavní legující prvek Ozna ení série Hliník istoty minimáln 99.00 % 1000 M 2000 Mangan 3000 K emík 4000 Ho ík 5000 Ho ík a k emík 6000 Zinek 7000 Jiné prvky 8000 Nepoužitá skupina 9000 Je nutno zd raznit, že u všech slitin jednotlivých sérií lze mnit široké spektrum mechanických, fyzikálních i chemických vlastností p esným chemickým složením, technologickými parametry tvá ení a tepelným zpracováním. Od všech tchto slitin se prioritn požaduje dobrá schopnost ke tvá ení jak za tepla, tak i za studena. Díky moderním technologickým za ízením a know – how se dnes aplikují pro tvá ení i slitiny, které se d íve aplikovaly pouze pro výrobu odlitk . Jako p íklad lze uvést slitiny s vysokým obsahem Si, které áste n nahrazují automatové slitiny a donedávna byly ješt aplikovány výlu n jako slévárenské slitiny. Aplikace hliník istoty minimáln 99.00 % (série 1000) je p edevším v oblastech, kde se požadují vysoké hodnoty fyzikálních vlastností, a to vysoká elektrická a tepelná vodivost a také vysoká odolnost v i korozi. Jedná se o elektrotechnický a chemický pr mysl, energetiku, architekturu a obalovou techniku. U slitin série 2000 je hlavním legujícím prvkem Cu, sekundárním je Mg. Slitiny jsou tepeln zpracovatelné a v tomto stavu lze u nich dosáhnout maximálních pevnostních vlastností. Jejich odolnost v i korozi je špatná a m že dojít k interkrystalické korozi. Z uvedeného d vodu plechy ze slitin série 2000 jsou plátovány fóliemi bu z Al vysoké istoty, nebo nkterou ze slitin série 6000. Tím se dosáhne vysoké odolnosti v i korozi. Slitiny série 3000 nejsou tepeln zpracovatelné. Efektivní zvýšení pevnostních vlastností cca o 20 % proti sérii 1000 je do obsahu cca 1.5 % Mn. Jejich aplikace je p edevším v oblasti výmník tepla a v architektu e. Slitiny série 4000 vtšinou nejsou tepeln zpracovatelné. Slitiny s vysokým obsahem Si (do 12 %) se aplikují p i svá ení – svá ecí dráty. P i eloxování má jejich povrch tmav šedivou barvu. Hlavním legujícím prvkem slitin série 5000 je Mg. Ten je z hlediska substitu ního zpevnní  matrice daleko efektivnjší než Mn (cca 0.8 % Mg je ekvivalentní cca 1.25 % Mn). V tabulce 1.7.2 je uveden vliv legujících prvk na substitu ní zpevnní Al vysoké istoty. Aplikovány jsou v potraviná ském pr myslu, lodní doprav, architektu e, za ízeních pro kryogenní techniku a v komponentech pro dopravu. Tabulka 1.7.2. Vliv prvk na substitu ní zpevnní Al vysoké istoty. Prvek Rozdíl rx – rAl [%] Rp0.2 [MPa/hmot. %] Rm [MPa/hmot. %] Si - 3.8 9.2 39.6 Zn - 6.0 2.9 15.2 Cu - 10.7 13.8 43.1 Mn - 11.3 30.3 53.8 Mg + 11.8 18.6 50.3 U slitin série 6000 je z hlediska pevnostních vlastností d ležité množství intermetalické fáze Mg2Si, díky které jsou tyto slitiny tepeln zpracovatelné a mají ur itou analogii se samokalitelnými ocelemi – jsou samokalitelné. Charakteristickou vlastností je jejich výborná schopnost ke tvá ení, sva itelnost, odolnosti v i korozi, mechanická obrobitelnost p i st edních pevnostních vlastnostech. Hlavní aplikace je v komponentech pro dopravu, segmentech mostních konstrukcí, architektu e a v oblasti sportovních výrobk , nap . rámy jízdních kol. Pro sérii 7000 je hlavním legujícím prvkem zinek v množství 1 až 8 %. Za p ítomnosti Mg tyto slitiny po tepelném zpracování dosahují nejvyšších pevnostních vlastností ze všech hliníkových slitin. Obvykle jako další legující prvky mohou být p ítomny Cu a Cr. P i maximálních pevnostních vlastnostech mají slitiny špatnou odolnost v i korozi. Tepelným zpracováním, p estárnutím (stav T7), lze zvýšit korozní odolnost za cenu nižších hodnot pevnostních vlastností. Hlavní využití je zatím v letectví a automobilovém pr myslu. P i p ehledu hliníkových slitin pro tvá ení je nutno uvést základní procesy tvá ení a jejich produkty.

Kapitola 1.7.

Ivan Lukáč

43

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

  

Jedná se o: válcování – pásy, plechy a fólie (v eské republice jsou fólie známé pod obchodním názvem ALOBAL), lisování – ty e, trubky, profily a dráty, kování – výkovky.

Z hlediska možnosti zvýšení pevnostních vlastností tepelným zpracováním – vytvrzováním - se všechny slitiny pro tvá ení rozdlují na:  slitiny tepeln nezpracovatelné,  slitiny tepeln zpracovatelné. D ležitou otázkou p i výrob polotovar lisováním je otázka jejich lisovatelnosti. Obecn lze íci, že ím vyšší je obsah legujících prvk ve slitin a ím jsou vyšší její pevnostní vlastnosti, tím se slitina h e lisuje a její hodnocení lisovatelnosti je nižší. Americká metalurgická spole nost (ASM) na základ hodnocení lisovatelnosti vychází ze slitiny analogické EN AW 6063, které p idlila hodnotu 100 %. Hodnocení jednotlivých typ slitin je patrné v tabulce 1.7.3. Tabulka 1.7.3. Hodnocení tvá itelnosti dle ASM. Slitina Hodnota lisovatelnosti [%] EN AW 1350 160 EN AW 1060 135 EN AW 1100 135 EN AW 3003 120 EN AW 6063 100 EN AW 6061 60 EN AW 2011 35 EN AW 5086 25 EN AW 2014 20 EN AW 5083 20 EN AW 2024 15 EN AW 7075 9 EN AW 7178 8 Schopnost hliníkových slitin pro kování závisí na legujícím prvku/legujících prvcích. Jejich kovatelnost je v porovnání s titanovými a nikl/kobaltovými slitinami lepší. Relativní kovatelnost a teplota kování pro vybrané typy slitin je patrná na obrázku 1.7.1.

Relativní kovatelnost

Obr. 1.7.1.

Kapitola 1.7.

Ivan Lukáč

44

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

V tabulce 1.7.4. jsou pro vybrané zástupce jednotlivých t íd uvedeny doporu ené teploty kování. Uvedených 15 slitin v této tabulce je v praxi nej astji aplikovaných pro výkovky. Tabulka 1.7.4. Doporu ené teploty kování. Slitina Doporu ený interval kování [°C] EN AW 1100 EN AW 2014 EN AW 2025 EN AW 2219 EN AW 2618 EN AW 3003 EN AW 4032 EN AW 6061 EN AW 7010 EN AW 7039 EN AW 7049 EN AW 7050 EN AW 7075 EN AW 7079

315 – 405 420 – 460 420 – 450 425 – 470 410 – 455 315 – 405 415 – 460 430 – 480 370 – 440 380 – 440 360 – 440 360 – 440 380 – 440 405 – 455

Polotovary vyrábné válcováním jsou nejen plechy, pásy, fólie, ale také ty e a dráty. Jak již bylo zmínno, plechy ze slitin vykazujících horší korozní odolnost, jedná se p edevším o slitiny EN AW 2024, EN AW 2124, EN AW 2219, EN AW 7050, EN AW 7075, EN AW 7150, EN AW 7475 a EN AW 7178 aplikované pro letecký pr mysl, jsou plátovány. Tlouška plátování je 2.5 až 5 % (z jedné strany) z celkové tloušky plechu. Plátování se aplikuje také u slitin EN AW 5083, EN AW 5086 a EN AW 5456, které se používají v konstrukcích lodí a v kryogenní technice. V nkterých p ípadech se plátují také plechy ze slitin EN AW 3003, EN AW 5052 a EN AW 6061. Pro výrobu fólií, u kterých je tlouška menší než 0.15 mm, se používají, mimo série 1xxx, slitiny vyšší

istoty, nap íklad slitiny EN AW 3003, EN AW 5052, EN AW 5056, EN AW 8111 a EN AW 8079. Hodnocení slitin pro tvá ení závisí na konkrétní požadované aplikaci p íštího výrobku. Je možné uvést následující nej astji hodnocené vlastnosti:  fyzikální vlastnosti (elektrická a tepelná vodivost),  chemické vlastnosti (odolnost proti korozi a schopnost k eloxování),  mechanické vlastnosti (mimo základní mechanické vlastnosti p i pokojové teplot jsou to vlastnosti za zvýšených teplot i p i záporných teplotách, únavové vlastnosti, lomové vlastnosti, nap . rychlost r stu únavové trhliny apod.),  technologické vlastnosti (nap . ur ení deforma ní schopnosti trubky p i jejím ohybu apod.).

1.8.

Výroba oxidu hlinitého z bauxitu

Existuje nkolik zp sob výroby istého oxidu hlinitého z rud, prakticky se však pr myslov využívá jen nkolik z nich. Vzhledem k amfoternímu charakteru oxidu hlinitého je ho v podstat možné získávat z rud zásaditými i kyselými metodami. Navíc existuje také elektrotermický zp sob výroby oxidu hlinitého [1, 2]. V sou asnosti se oxid hlinitý vyrábí tém výlu n zásaditými metodami. Tmito metodami se p sobením alkálií (NaOH, resp. Na2CO3) na rudu bauxitu váže oxid hlinitý na hlinitan sodný podle rovnic (1) a (2), který je rozpustný ve vod: Al2O3 + 2NaOH  2NaAlO2 + H2O, (1) (2) Al2O3 + Na2CO3  2NaAlO2 + CO2. Roztok hlinitanu sodného se oddluje od sraženiny, tzv. erveného kalu, složeného hlavn z oxid a hydroxid k emíku, železa a titanu. Roztok hlinitanu sodného se potom rozkládá a vylu uje se istý hydroxid hlinitý. Ten se odfiltruje a alkalický roztok se po úpravách vrací zpt do procesu. Hydroxid hlinitý se pak p i vysokých teplotách kalcinuje za ú elem odstranní vody a promny na suchý, istý a nehygroskopický Al2O3 vhodný k výrob kovového hliníku. Oxid hlinitý, obsažený v rud, p echází na hlinitan sodný r znými zp soby, a to bu mokrou cestou Bayerovým zp sobem, p i kterém se ruda zpracuje nejd ív p ímo roztokem hydroxidu sodného, anebo suchou cestou, p i které se ruda nejprve spéká se solemi alkalických kov , oby ejn s karbonáty, jako Na2CO3, a také za p ítomnosti CaCO3 v rota ních pecích (Müller-Jarkovin v zp sob), anebo se z rud tavením v elektrických pecích (Kuzncov-Žukovského zp sob), p ípadn v šachtových pecích, získává hlinitan v tuhé form [1, 3]. Získaný pevný hlinitan sodný se pak louží ve vod anebo roztokem hydroxidu sodného a získá se vodní roztok hlinitanu sodného. Ten se potom rozkládá za vzniku hydroxidu hlinitého. Kapitola 1.8.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

45

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

P i kyselých zp sobech se ruda zpracuje roztokem anorganických kyselin (H2SO4, HCl, HNO3 a podobn), p i emž se oxid hlinitý mní na p íslušnou hlinitou s l A12(SO4)3, AlCl3 atd. podle rovnic: Al2O3 + 3H2SO4  Al2(SO4)3 + 3H2O, (3) Al2O3 + 6HCl  2 AlCl3 + 3H2O. (4) Rozkladem získané soli se uvoluje hydroxid hlinitý a jeho vyžíháním bezvodý oxid hlinitý. P i elektrotermických zp sobech se tavením bauxitu (nebo jiné suroviny obsahující hliník) s uhlím v elektrické peci vyredukují p ímsi a získá se roztavený oxid hlinitý. Pomrn velký po et výrobních zp sob istého oxidu hlinitého a jejich nejr znjší modifikace byly vyvolány rozli nými typy zpracovávaných rud (bauxity, nefelíny, alunity, kaoliny) a vtším anebo menším obsahem r zných p ímsí v tchto rudách. Pro elektrolytickou výrobu hliníku jsou nejškodlivjší p ímsi slou enin prvk elektropozitivnjších, než je hliník. Mezi n pat í zejména oxidy k emíku, železa a titanu. V zásaditých zp sobech je ištní oxidu hlinitého od p ímsí železa a titanu v podstat jednoduché, protože jejich oxidy jsou v zásaditých roztocích prakticky nerozpustné a dají se s kalem jednoduše odstranit. Proto se oxidy železa a titanu dostávají do oxidu hlinitého zejména mechanickým zne ištním, bu neúplným odfiltrováním erveného kalu, anebo zne ištním rzí z potrubí, nádrží apod. Jistá nepatrná ást tchto p ímsí však m že být vázaná i ve form, která je lépe rozpustná v hydroxidu sodném, zejména jsou to p ímsi ve form hydroxid , gel anebo jiných alotropních modifikací a zne išovat tak hlinitanový roztok, a zp sobovat ztráty volné zásady a oxidu hlinitého. Oxid k emi itý naproti tomu pomrn lehce reaguje se zásadami. Jeho vtší obsah v rud zvtšuje ztráty hydroxidu sodného a oxidu hlinitého do erveného kalu a vtší obsah ve vyrobeném oxidu hlinitém následn zhoršuje jakost hliníku vyrobeného elektrolýzou. Z tohoto d vodu se pro zásadité zp soby oby ejn požaduje ruda s nízkým obsahem oxidu k emi itého. Obsah oxid železa a titanu v tomto p ípad není zvláš d ležitý. U kyselých zp sob se vždy v menší nebo vtší mí e louží oxidy železa a titanu, zatímco oxid k emi itý s kyselinami tém nereaguje a m že se prakticky úpln mechanicky oddlit od roztoku hlinitanových solí. Chování železitých solí se v kyselých roztocích neoby ejn podobá chování solí hlinitých. Proto je úplné odstranní železa z takových roztok zna n obtížné. Z tchto d vod se pro kyselé zp soby používají rudy s nízkým obsahem železa, jako je nap íklad kaolin, bílé bauxity a podobn. Na obsahu oxidu k emi itého v tomto p ípad speciáln nezáleží [4-6]. V sou asnosti se kyselé zp soby výroby oxidu hlinitého tém nepoužívají a up ednostují se zásadité zp soby. D vody spo ívají v nkterých zvláštnostech kyselých proces v protikladu k zásaditým, které výrobní proces p edražují. K nejd ležitjším pat í:  úplné vy ištní oxidu hlinitého od železa je p i kyselých zp sobech velmi složité,  aparatura musí být kyselinovzdorná, nap íklad olovná, keramická apod., a tedy je nákladnjší než v zásaditých zp sobech, kde je aparatura vtšinou ocelová,  regenerace kyselin je obtížná a spojená s velkými ztrátami, kdežto hydroxidy se relativn snadno a tém beze ztrát vracejí znovu do výrobního procesu. V elektrotermických zp sobech je základní podmínkou pro ekonomickou pr myslovou výrobu dostatek levné elektrické energie. Tato okolnost omezuje pr myslové použití elektrotermických zp sob na výrobu oxidu hlinitého jen na nkolik málo p ípad . Kvalita bauxit se posuzuje nejen podle obsahu Al2O3, ale také podle tzv. bauxitového (kemíkového) modulu, M [1, 7]: M=

wAl 2O 3 wSiO 2

hmot % . hmot %

(5)

Také se sleduje chemická istota a mineralogické složení bauxit , což m že dále rozhodovat o výbru technologie výroby oxidu hlinitého. Podle bauxitového modulu se bauxity rozdlují na vysoce kvalitní bauxity, vhodné pro výrobu Bayerovou metodou (M = 10 a víc) a mén kvalitní bauxity, vhodné pro spékací anebo kombinovanou metodu výroby Al2O3 (M > 5 a < 8), a na bauxity nevhodné pro výrobu Al2O3, ale jen pro výrobu cementu apod. V sou asnosti se však v d sledku nedostatku vysoce kvalitního bauxitu zpracovávají Bayerovým zp sobem také bauxity s modulem kolem 6-7. Z hlediska fyzikálních vlastností rozlišujeme více typ bauxit . Bauxity mohou dosahovat tvrdosti podle Mohsovy stupnice tvrdosti stupn od 2 do 7, jejich charakter m že být jílový, zemitý nebo až tvrdý, kamenitý. Jejich barva se pohybuje od bílé p es ervenou až k hndé a šedé. Barva bauxit je závislá na charakteru a množství jejich p ímsí. ervenou barvu bauxit zp sobuje p íms oxid železa, bílá nebo šedá barva znamená nízký obsah železa, ale vyšší obsah SiO2. Hustoty bauxit se také liší od hutných s hustotou 3.5 g/cm3 až po pórovité s hustotou 0.92 g/cm3.

Kapitola 1.8.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

46

1.9.

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Bayerova a spékací metoda výroby oxidu hlinitého

1.9.1. Bayerova metoda V sou asnosti je v celosvtovém m ítku nejrozší enjší hydrometalurgická výroba oxidu hlinitého zásaditým Bayerovým zp sobem. Pro tento ú el slouží jako surovina kvalitní bauxit, obsahující pomrn malé množství oxidu k emi itého v rozmezí 2–5 %. Pro zpracování takových bauxit je Bayer v zp sob nejhospodárnjší, je jednoduchý a pomocí nho je možné vyrobit velmi istý oxid hlinitý. Tento proces byl vynalezen rakouským chemikem Karlem Josefem Bayerem (1847-1904) v devadesátých letech 19. století v Rusku, kde pracoval na získávaní oxidu hlinitého z bauxitu pro textilní pr mysl. Základem byly dva d ležité objevy, které se staly základem jeho procesu. Prvním z nich byl objev samovolného rozkladu roztok hlinitanu sodného a vylu ování hydroxidu hlinitého za p ítomnosti katalyzátoru erstv vysráženého Al(OH)3. Druhý Bayer v objev spo íval v tom, že oxid hlinitý, obsažený v bauxitech, je možné tlakov loužit p sobením hydroxidu sodného za vzniku hlinitanu sodného. Tyto dva pochody, p ímé loužení oxidu hlinitého loužicími roztoky za ú elem získání hlinitanového roztoku a jeho samovolné rozkládání a vylu ování hydroxidu hlinitého, jsou podstatou Bayerova výrobního postupu [1]. Bayer v postup je uzav ený cyklus založený na chemické reakci: Al2O3 + 2 NaOH  2 NaAlO2 + H2O (1)

Obr. 1.9.1.1. Schéma Bayerovy metody výroby oxidu hlinitého.

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

47

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

1.9.2.

Technologie Bayerovy metody

Bayerova metoda je uzav ený cyklus loužení hydroxidem sodným a srážení slou enin hliníku ze vstupní suroviny – bauxitu. Podle typu bauxitu probíhají následující reakce:  pro gibbsitické bauxity: (2) Al(OH)3 + NaOH  NaAlO2 + 2 H2O p i emž loužení probíhá p i teplotách vyšších než 100 C a srážení pod 100 C,  pro boehmitické bauxity: AlOOH + NaOH  NaAlO2 + H2O,

(3)

loužení probíhá p i teplotách vyšších než 200 C,  pro diasporické bauxity: AlOOH + NaOH + Ca(OH)2 NaAlO2 + Ca(OH)2+ H2O,

(4)

loužení probíhá p i teplotách vyšších než 240 C. Pr myslové roztoky vzniklých hlinitan se oby ejn charakterizují absolutní koncentrací oxidu hlinitého a zásady Na2O, vyjád ené v gramech na litr. Zásada m že být dvojího druhu, bu je louhová a vyjád ená jako Na2Okaustický tvo ící hlinitany, nebo je p ítomná v roztoku jako NaOH, a nebo je to zásada karbonátová - Na2Okarbonátový, která je v roztoku jako Na2CO3. Sou et Na2Okaustický a Na2Okarbonátový se ozna uje jako Na2Ocelkový [1]. Obecn platí, že Al2O3 z gibbsitických bauxit , kde se nachází jako trihydrát, se snadno louží, a rozklad tedy probíhá p i teplotách 140-145 °C a relativn nižší koncentraci (120 -140 g/l kaustického Na2O) kaustického roztoku, zatímco boehmitické a diasporické bauxity, kde je oxid hlinitý p ítomen jako monohydrát, se rozkládají mén snadno a p i vyšších teplotách nad 200 °C (nkteré závody až 240-250 °C a výše) a p i koncentracích kaustického Na2O 180-250 g/l. První technologie se nazývá také „americká" a druhá „evropská" varianta, jelikož tyto technologie byly vyvinuty na obou kontinentech nezávisle na sob. Ze schématu je z ejmé, pro je d ležité poznat mineralogické, i chemické složení a charakteristiku bauxit . Na složení bauxit závisí výbr metody a podmínek výroby Al2O3. Postupnost, jak snadno se zpracuje daný typ bauxitu Bayerovou metodou, je daná schématem: gibbsitické bauxity  boehmitické bauxity  diasporické bauxity  korund. Technologie vysokotlakého rozkladu bauxitu je založena na loužení bauxitu v recyklovaném alkalickém roztoku o dané koncentraci, tlaku a teplot. Proces je tedy charakterizován jako heterogenní, který probíhá mezi dvma kontaktními povrchy pevné fáze. Hlavní opera ní kroky Bayerova procesu tvo í:  rozklad - loužení oxidu hlinitého vázaného v bauxitu (tvorba hlinitanového roztoku),  oddlování erveného kalu,  srážení hydroxidu hlinitého z hlinitanového roztoku,  odstraování Al(OH)3 z ochlazujícího se p esyceného hlinitanového roztoku,  odpa ování mate ného roztoku. Pevný zbytek po loužení, který obsahuje složky bauxitu nerozpustné v kaustickém roztoku po rozkladu, se nazývá ervený kal, který se oddlí od hlinitanového roztoku usazováním nebo zahušováním a nkdy filtrací. Dalším krokem je krystalizace Al(OH)3 z hlinitanového roztoku za stálého míchání v p ítomnosti o kovadla, kterým je erstv vylou ený hydroxid hlinitý. Po ukon ení precipitace se Al(OH)3 se sníženým obsahem Al2O3 odfiltruje od mate ného roztoku. Mate ný roztok se zahustí odpa ováním a po kompenzaci ztrát kaustického Na2O p ídavkem NaOH, vtšinou až po odstranní ne istot, se opt vrátí na za átek cyklu do procesu rozkladu bauxitu. K tmto základním operacím je nutné doplnit další opera ní kroky:  p íprava bauxitu drcením a mletím ( asto mokrým),  desilikace p ed rozkladem,  oplachování erveného kalu,  filtrace erveného kalu,  uskladnní erveného kalu po jeho oddlení,

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

48

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

    

promytí vyrobeného Al(OH)3, odstraování ne istot (sodno-karbonátových solí), zahušování mate ného roztoku odpa ováním, filtrace a kalcinace hydrátu po srážení, kaustifikace zahuštného mate ného roztoku a regenerace hydroxidu sodného.

Technicko-ekonomické ukazatele efektivity Bayerova procesu Bhem rozkladu bauxitu reaguje reaktivní podíl oxidu k emi itého s kaustickým roztokem a tvo í sodno-hlinitý hydrosilikát, ímž zp sobuje ztráty na NaOH a Al2O3. V d sledku toho je cena bauxitu na trhu podmínna obsahem reaktivního SiO2. P i použití evropské varianty se bere v úvahu také obsah TiO2, jelikož tvo í s kaustickým roztokem sody titanáty r zného složení a výsledkem je opt zvýšená spot eba NaOH. Efektivita Bayerova procesu se posuzuje ekonomickými ukazateli – výrobními náklady, kam spadá spot eba surovin, cena bauxitu a NaOH, technická úrove technologie, za ízení a energetické náklady. Velikost závodu hraje také svou roli a je ur ujícím faktorem. Další vývoj Bayerova procesu v zásad ur ují velké zásoby vysokokvalitního bauxitu ve svt a jejich geografické rozložení.

1.9.3.

Popis jednotlivých operací Bayerova procesu

Úprava bauxitu Smyslem p ípravy bauxitu je vyrobit bauxitovou suspenzi pomocí kaustického roztoku a nadávkovat ji do rozkladného za ízení. P íprava bauxitu za íná již na míst dobývání prvotním drcením. Všeobecn se bauxit následn podrobuje promývání vodou a t ídní za ú elem odstranní jílových minerál . V p ípad p epravy bauxitu na dlouhé vzdálenosti se m že za adit také sušení bauxitu p i 150-200 °C. P i vyšší teplot sušení 400 °C se p ítomný goethit m že transformovat na hematit, sníží se také podstatn obsah organických látek, avšak tyto zp soby sušení se už neaplikují. Bauxit se drtí oby ejn na zrnitost menší než 50 mm v elisovém nebo kladivovém drti i. V sou asnosti se používá zejména diferenciální i válcový drti , který je vhodný pro zpracování mk ích, lepivých bauxit . Spot eba energie se pohybuje od 1 do 3 kWh/t podle tvrdosti bauxitu. Vyhovující typ drti e pro bauxity se tedy ur í p edevším podle jejich fyzikálních charakteristik. elisový drti se používá zejména pro drcení suchých, dob e t ísnivých rud, zatímco kladivový drti se up ednostní pro drcení tvrdších, zejména diasporických bauxit . Nkteré bauxity však nevyžadují drcení v bec. Další fází v p íprav bauxit je mletí. Požadovaná jemnost mletí závisí na mineralogickém složení a tvrdosti bauxit . Bžná maximální velikost zrn po mletí pro gibbsitické bauxity p edstavuje 1 mm, pro boehmitické 0.5 mm a pro diasporické jen 0.060 mm. Velikost zrn je d ležitá zejména z hlediska dosažení vysoké ú innosti rozkladu a zabránní usazování hrubozrnných frakcí a minimalizace abrazivního efektu tvrdých (diasporických) zrn. Mletí se realizuje v jednokomorových anebo vícekomorových kulových, resp. ty ových mlýnech v otev eném anebo uzav eném cyklu. T ídní na frakce probíhá v hydrocyklonech i na sítech. Vyzkoušela se také metoda autogenního mletí, která byla úspšná p i tvrdších bauxitech. P i navrhování závodu je d ležité udlat p esnou analýzu mletitelnosti používaného bauxitu, jelikož energie na mletí tvo í podstatnou ást energetických nárok celého závodu a zárove nedostate né mletí m že zap í init vážné opera ní tžkosti v dalších krocích. Opera ní jednotka pro p ípravu bauxitu zahrnuje jednak p epravu bauxitu, jeho uskladnní, drcení, mletí a také p ípravu suspenze (míchání bauxitu s kaustickým roztokem) v požadovaném pomru. Výbr pomru bauxitu ke kaustickému roztoku musí být ízen takovým zp sobem, aby se získala maximální výtžnost Al2O3 a maximáln p esycený roztok (s minimálním kaustickým molárním pomrem). Nastavení pomr v suspenzi se m že provádt v jedné nebo dvou etapách, a to obecn po íta em ízeným systémem s poloautomatickým nastavením konstantní hodnoty [2,3]. Desilikace Po mletí a úprav se suspenze bauxitu oh ívá na teplotu rozkladu. V pr bhu této etapy se reaktivní k emi itý podíl rozpustí v kaustickém roztoku a následn odstraní z roztoku srážením ve form sodnohlinitých hydrosilikát . Tento proces se nazývá desilikace, p ípadn nkdy p eddesilikace, když se desilikace provádí ješt p ed rozkladem v autoklávu, na rozdíl od desilikace, která m že probíhat p ímo v autoklávu: (5) SiO2 + 2 NaOH  Na2SiO3 + H2O (6) 2NaAlO2 + 2 Na2SiO3 + 4 H2O  Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O + 4 NaOH

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

49

Jako prevence v i srážení hydrosilikát typu sodalit a tvorby nár st v p edeh íva ích je ú elné p edeh át suspenzi bauxitu na 100 °C ješt p ed tím, než se nadávkuje do p edeh íva e anebo na rozklad a p i této teplot provést reaktivní k emi itý podíl, nap . kaolinit, v co nejvtší mí e na sodalit. Zavedení operace p eddesilikace je také vhodné k zabezpe ení homogenizace suspenze p ed samotným loužením. Ú innost desilikace je možné zvýšit prodloužením doby operace a zvýšením obsahu pevné fáze v suspenzi. P i použití tropických lateritických bauxit se m že aplikovat vysoká koncentrace tuhé fáze (do 1000 g/l), zatímco u boehmitických bauxit jen 300 až 400 g/l. Desilikace se m že urychlit také p ídavkem desilika ního, filtrovaného produktu anebo filtrovaného desilika ního kalu. Desilikace se provádí v pr bhu 8 až 10 hodin v nádržích zapojených do série, které jsou vybaveny mechanickými míchadly. Úprava suspenze se provede po desilikaci p ídavkem malého množství loužicího roztoku, p i emž se automaticky p edpokládá jistý p ebytek bauxitu v suspenzi. Desilikace se ukon í v pr bhu rozkladu v p echodných udržovacích nádržích. Jako p ídavek m že být nkdy ú inný erstv usazený sodalit. Za p ítomnosti vápna v suspenzi se tvo í vápenatý hydroaluminosilikát - hydrogarnet: Na2SiO3 + 2 NaAlO2 + 3 Ca(OH)2 + 3 H2O  3 CaO.Al2O3.SiO2.4H2O + 4 NaOH. (7) Loužení bauxitu a jeho rozklad Na rozdíl od pyrometalurgických zp sob výroby kov , které jsou založeny na p evodu kov s celým obsahem hlušiny do taveniny, mají hydrometalurgické zp soby zpracování pro nkteré druhy rud nkolik výhod. Umožují selektivní získávání kov nebo jejich slou enin pomocí vybraných reagencí a následn oddlení nerozpustných složek p ímo v roztoku. Umožují pracovat p i nízkých teplotách a zabezpe ují recyklaci použitých reagencí. Neprodukují úlety anebo spaliny a v p ípad ízené recyklace roztok nemají tak negativní vliv na životní prost edí jako pyrometalurgie. V mnohých p ípadech jsou hydrometalurgické procesy spojeny také s nižší spot ebou energie než pyrometalurgické. Nejvtší výhodou alkalického loužení bauxit je selektivita procesu, a tedy separace hliníku od železa a vtšiny k emíku. Hliník se provede do roztoku, z kterého se následn sráží jako istý hydroxid hlinitý a umožuje též recyklaci loužicího roztoku. Teoretické principy loužicího procesu je možné vždy popsat pomocí termodynamických úvah, které umožují hodnotit variabilitu reakce a tepelný efekt reakce. Pomocí konstant rovnovážné reakce m žeme ur it pravdpodobnost jejího pr bhu v daném smru, maximální teoretickou hodnotu výtžnosti a také spot ebu reagencí. Teoretické hodnocení procesu zahrnuje také studium kinetiky a mechanizmu procesu, jelikož termodynamika poukazuje jen na sch dnost té–které reakce, ale nemluví nic o rychlosti reakce, která je velmi d ležitá p i uvedení procesu do technologické praxe. Vtšina hydrometalurgických reakcí probíhá efektivn zejména za zvýšených teplot a tlak , jelikož p i normálním tlaku a teplot probíhají jen velmi pomalu. Hydrometalurgické procesy za použití zvýšeného tlaku zahrnují dva zp soby. Prvním z nich je tlakové oxida ní loužení, kde se zvýšením tlaku oxida ního plynu dosáhne lepšího p enosu hmoty k povrchu loužených ástic. Druhý zp sob spo ívá v tlakovém loužení bez ú asti plynné fáze p i teplotách nad bodem varu loužicího roztoku, kdy je p ítomen jen tlak nasycených par loužicího roztoku p i dané teplot. V tomto p ípad jsou probíhající reakce kontrolované chemickou kinetikou. V tchto procesech rychlost reakce významn závisí na teplot. Práv tento proces loužení bauxitu probíhá p i teplotách do 320 °C. V p ípad bauxitu se tlakové loužení realizuje v horizontálních anebo vertikálních autoklávech vybavených mechanickými míchadly. Objem autoklávu je limitován designem a pevností systému. V p ípad, že je to dané výrobními kapacitami, divize se rozdlí do nkolika jednotek. Konven ní technologie výroby Al2O3 využívá p evážn vertikální autoklávy spojené do baterií. Suspenze bauxitu a roztoku hydroxidu sodného se kontinuáln na erpává do prvé jednotky série autokláv , které jsou uspo ádány v tandemu. Autokláv je vybaven míchadlem a potrubím, kterým se p ivádí do systému oh ívací pára. Suspenze se p ed vstupem do autoklávu p edeh ívá na požadovanou teplotu. Po vyloužení se suspenze postupn ochlazuje a získaná pára se opt využije na p edeh ev suspenze. Bauxit se louží tak, že se na rozemletou rudu p sobí roztokem hydroxidu sodného anebo vratnými mate nými roztoky pod tlakem oby ejn vyšším, než je tlak atmosférický. Obecn platné rovnice pro zásadité loužení hydrát hliníku z bauxit : Al(OH)3 + NaOH NaAlO2 + 2 H2O, (8) (9) AlO(OH) + NaOH NaAlO2 + H2O. P sobením hydroxidu sodného na trihydrát anebo monohydrát vzniká metahlinitan sodný, rozpustný ve vod. ást Al2O3 vázané na SiO2, nap . v kaolinitu, tvo í sodno-hlinitý silikát, který je

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

50

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

v NaOH nerozpustný a p echází do erveného kalu. Pro zpracování r zných bauxit byly vyvinuty r zné varianty rozklad , hlavn na základ optimální teploty rozkladu, a to podle rozpustnosti gibbsitu, boehmitu a diasporu. Gibbsitické bauxity vyžadují nižší teplotu loužení, nižší tlak a také nižší koncentraci hydroxidu sodného než diasporické, které vyžadují extrémn drastické podmínky loužení a další p ídavné operace. Ú innost loužení je tak mnohem nižší. Rozdílnost chování jednotlivých typ bauxit spo ívá v jejich složení, struktu e, vazbách a vlastnostech. Gibbsitické bauxity jsou zvtrané horniny s nízkou hustotou na rozdíl od diasporických, které jsou tvrdé a stabilní. Výbr procesu a technologie je také ovlivnn chemickým složením bauxit – zejména obsahem Al2O3, SiO2, Fe2O3, a k emíkovým modulem. Bauxity s modulem vyšším než 10 se považují za bauxity vysokokvalitní, p ednostn zpracovávané Bayerovou metodou, bauxity s modulem nižším než 10 jsou nízkokvalitní bauxity, vhodné na zpracování spékací metodou anebo modifikovanou Bayerovou metodou s vyššími teplotami rozkladu. Teoretickou výtžnost p i loužení bauxitu je možné vypo ítat na základ složení bauxitu podle následujícího vzorce:

teor . 

Al 2 O3 reaktivní  SiO2 reaktivní . Al 2 O3 celkové

(10)

Každý typ bauxitu se p i zvýšené teplot rozpouští v kaustickém roztoku a p i snižující se teplot se opt tvo í hydroxid hliníku podle reverzibilní reakce. Technologie tedy využívá teplotní závislost rozpouštní Al2O3 v kaustickém roztoku. Mimoto hraje také d ležitou roli koncentrace kaustického roztoku. V sou asnosti však moderní vysokoteplotní rozklady význam tohoto faktoru do jisté míry snižují. Vysoká rozpustnost hydroxid hliníku v kaustickém roztoku je na jedné stran výhodná pro loužení, na stran druhé však zabrauje srážení celého množství hydroxidu hlinitého, který prošel do roztoku p i loužení. Znamená to, že jedna ást se sráží a druhá z stává rozpuštná v roztoku, takže loužení a srážení probíhá v rozmezí dvou hrani ních koncentrací. V pr bhu loužení se tvo í hlinitanový roztok, který obsahuje nejen jednoduché hlinitanové ionty, ale také r zné komplexní hydro-hlinitany v rovnovážném stavu: Al(OH)3 + 2 NaOH  2 Na+ + [Al(OH)5]2- , (11) Al(OH)3 + 3 NaOH  3 Na+ + [Al(OH)6]3- . (12) Rovnováha závisí na koncentraci a teplot roztoku a na p ebytku NaOH. V pr bhu rozkladu hlinitanového roztoku krystalizuje hydroxid hlinitý a uvoluje se opt hydroxid sodný. Vliv složení bauxitu na loužení Jak už bylo e eno, bauxity jsou tvo ené smsí oxid nebo hydroxid hliníku, železa, k emíku a dalších slou enin Ti, V, Cr, P, As, Ga, F, Zn, Ca a organických složek. Druh a množství ne istot ovlivuje celý proces výroby Al2O3 významným zp sobem. Tyto ne istoty v první ad podstatn ovlivují rozpustnost slou enin hliníku, a tedy rychlost reakcí probíhajících v hlinitanovém roztoku. SiO2, p ítomné v bauxitu jako opálový gel, k emen nebo kaolinit, reaguje s kaustickým roztokem r zn. Volný SiO2 reaguje s NaOH a p echází do roztoku jako sodní silikát: SiO2 + 2 NaOH  Na2SiO3 + H2O. (13) Rychlost a úplnost rozpouštní volného SiO2 závisí p edevším na jeho modifikaci, na velikosti

ástic, na koncentraci a teplot roztoku. Amorfní SiO2 a jeho vodní gel se rozpouští podstatn lépe než krystalická forma téhož oxidu, tzn. k emen, tridymit apod. Amorfní SiO2 je p ítomen v bauxitu ve form opálu - SiO2 .nH2O, slínového vápence, k emi ité mou ky a pod. Vzniklý k emi itan sodný následn reaguje s hlinitanem sodným za tvorby nerozpustného silikátu: 2 NaAlO2 + 2 Na2SiO3 + 4 H2O  Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O + 4 NaOH. (14) Touto reakcí se hlinitanový roztok zbavuje ne istoty SiO2, tedy desilikuje, i za cenu ztrát kaustického Na2O a Al2O3. Pro Bayerovu metodu je typické, že loužení a desilikace jsou spojené v jedné operaci – loužení bauxitu. Slou eniny, vzniklé desilikací se neodstraují z autoklávu p ímo, ale až po

ední a odstranní erveného kalu v zahušova ích. Jisté množství SiO2 však stále z stává v roztoku a zne išuje ho. Každé procento SiO2 váže teoreticky 6.65 kg NaOH a 8.5 kg Al2O3 z jedné tuny zpracovaného bauxitu. U Bayerova zp sobu se proto zpracovávají jen bauxity s malým obsahem SiO2

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

51

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

v rozmezí 3 - 5 %. Ztráty na kaustickém Na2O se kompenzují také p ídavkem Ca(OH)2 anebo CaO, kdy se tvo í nap . slou enina Ca3Al6Si6H12O30. Fe2O3, oxid železitý (jako bezvodý hematit), se v hydroxidu sodném prakticky nerozpouští a p echází do erveného kalu. V principu se však železo v malé mí e m že rozpouštt za vzniku železitanu sodného. Ten však hydrolyzuje a sráží se jako hydroxid železitý: Fe(OH)3 + NaOH  NaFeO2 + 2 H2O. (15) Hydratovaný oxid železitý, hydrohematit (Fe2O3.nH2O), ztrácí p i tlakovém loužení v teplotním intervalu 100-200 °C hydrátovou vodu, rozpadá se na ástice o mnoho menší, a tím se rapidn zhorší sedimenta ní rychlost erveného kalu. Limonit HFeO2.H2O a goethit HFeO2 bhem loužení ztrácí vodu. Malé ástice se shlukují do velkých agregát , ze kterých je velmi tžké odstranit alkálie. Tím se podstatn zvýší množství vody pot ebné na oplachování erveného kalu a následn také množství vody na odpa ení,

ímž nar stají výrobní náklady. Oxidy železa jsou p ítomné v bauxitu též v podob granulí a vlo ek chamozitu (Fe2O3.Al2O3.SiO2) a sideritu FeCO3. Chamozit se v hydroxidu rozkládá na disilikát hlinitosodný a FeO, který reaguje s vodou za vzniku magnetitu a uvolnní vodíku. Obdobn je to u karbonátu železa. Tímto procesem se zvýší tlak v autoklávu oproti teoretickému. Zárove dochází ke ztrátám na NaOH, proto se karbonáty musí periodicky odstraovat z roztoku p ídavkem Ca(OH)2. Vznikající CaCO3 je nerozpustný a po promytí kon í na hald. Ca(OH)2 + Na2CO3  NaOH + CaCO3. (16) TiO2 zp sobuje ztráty na NaOH prost ednictvím reakce: 2 NaOH + 2 TiO2  Na2O.TiO2.H2O.

(17)

Brookit a anatas, alotropní modifikace rutilu TiO2, p echází nevratn na rutil p i oh evu na 650 900 °C. Rutil jako nejstabilnjší modifikace reaguje s NaOH velmi pomalu, anebo v bec. Protože bauxity obsahují z ídka více než 3 % TiO2, podíl ztrát na NaOH v porovnání s SiO2 je malý. Karbonáty CaCO3, MgCO3, FeCO3 reagují obecn podle rovnice: MeCO3 + NaOH  Me(OH)2 + Na2CO3. (18) V koncentrovaných roztocích bží tato reakce smrem doprava a ve z edných naopak. Se zvyšováním množství sody ve vratných roztocích se zvyšují nároky na oh ev p i odpa ování a brzdí se výroba. P estože nkteré karbonáty urychlují loužení diasporických bauxit , jejich škodlivý ú inek je t eba snížit - nap íklad žíháním. Sulfidy se v bauxitu nej astji vyskytují v podob FeS2. P echod síry do roztoku v pr bhu loužení závisí na její mineralogické form a struktu e, ale pohybuje se zhruba do 45 %. V roztocích se potom vtší ást nachází jako Na2S, která pozdji áste n zoxiduje a v dalším kroku p echází na sulfát sodný. P ítomnost sulfid není vhodná u Bayerova zp sobu a odstrauje se flotací anebo žíháním. P2O5 se rozpouští v hydroxidu sodném za tvorby fosfore nanu sodného. V pr bhu rozkladu hlinitanového roztoku se jím vylou ený hydrát hlinitý kontaminuje a musí se recyklovat, jelikož v d sledku snižování proudové výtžnosti není žádoucí p i elektrolýze hliníku. V2O5 se snadno rozpouští v NaOH: V2O5 + NaOH  2 Na3VO4 + 3 H2O. (19) Zhruba 30 % slou eniny vanadu se sodíkem p echází do erveného kalu a zbytek se hromadí ve vratných roztocích. V p ípad, že jeho koncentrace p ekro í hodnoty 0.5 – 0.7 g/l, za íná se vylu ovat spolu s hydroxidem hlinitým. Vanad jako p íms v hliníku snižuje jeho elektrickou vodivost, a proto se musí z hydroxidu odstranit horkým oplachováním hydrátu hlinitého nebo periodickým ochlazováním recyklovaných roztok na teplotu 20-30 °C, kdy spolu s fosfore nanem sodným krystalizuje také vanadi nan sodný. Ga2O3, oxid galitý, má podobné vlastnosti jako slou eniny hliníku, je amfoterní slou eninou, která se rozpouští v kyselinách i v zásadách, a p i Bayerov metod se chová stejn jako oxid hlinitý. Soli kyseliny galité jsou však ješt slabší než hlinité, a tedy lehce hydrolyzují. Na stnách potrubí a za ízení na rozklad a p epravu hlinitanových roztok se proto nachází sraženina s vyšší koncentrací galia, která se m že využít na výrobu galia. Cr2O3 se v NaOH nerozpouští v bec, zatímco Cr(OH)3 se rozpouští dob e a tvo í chromitan sodný. Tento se hromadí v hlinitanových roztocích a zbarvuje je do zelena.

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

52

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Organické látky, humusy, jsou tvo eny zbytky rostlinných organizm a bitumeny p írodními smsmi uhlovodík a jejich kyslíkatých slou enin. Humusy se snadno rozpouští také v slabých zásaditých roztocích, zatímco bitumeny skoro v bec. Obecn však organické látky p echází v pr bhu loužení do hlinitanového roztoku a hromadí se ve vratných roztocích. Nep íznivý ú inek organických látek je v tom, že zhoršují výtžnost Al2O3, zvyšují viskozitu hlinitanových roztok , zhoršují oplachování erveného kalu, zpomalují rozklad hlinitanového roztoku a zbarvují roztoky do hndi až ern. Mimo toho zabraují r stu zrn hydroxidu hlinitého, a vzniká tak nežádoucí jemnozrnný až koloidní prášek. Odstraují se žíháním anebo p sobením aktivního uhlí a následnou filtrací nebo oxidací organického uhlíku kyslíkem p ímo v roztoku p i rozkladu v autoklávu [4]. Vliv složení bauxitu na proces loužení je možné shrnout následovn:  mineralogická forma bauxitu rozhoduje zejména o teplot loužení,  p i vysokém obsahu kaolinitu je nevyhnutelné zavést proces p eddesilikace, kde obsah SiO2 v roztoku poklesne na 0.25 g/l,  vysoká teplota loužení s možným p ídavkem CaO zabrauje negativnímu ú inku nkterých složek, jako jsou goethit a huminové kyseliny, a sníží se rozpouštní slou enin na bázi P, As, V a CO32+,  SiO2 a TiO2 reagují v pr bhu loužení se sodnými a nebo vápenatými slou eninami za tvorby slou enin typu sodalit a titanát , které vytvá ejí k ru na stnách reaktoru,  složky bauxitu jako SiO2, hematit a magnetit, zvyšují abrazivní ú inek suspenze. Hlavní minerály bauxitu a jejich reak ní produkty (tvo ené v pr bhu loužení bu bez p ídavku CaO nebo s p ídavkem CaO) jsou uvedeny v tabulce 1.9.3.1. Tabulka 1.9.3.1. Charakteristické fázové transformace v pr bhu rozkladu [5]. Minerály bauxitu

Reak ní produkty bez p ídavku CaO

Reak ní produkty s p ídavkem CaO

Gibbsit, Boehmit, Nordstrandit, Diaspor

Al(OH)4-

(CA), Al(OH)4-

K emen, Kaolinit, Halloysit, Chamosite

NAS, NAS, Fe2+

CAS, CAS, Fe2+

Hematit,Goethit

Fe2-x AlxO3 Fe1-x AlxOOH

Ilmenit, Anatas, Rutil

FeTiO3 Na-titanaty

FeTiO3, CaTiO3

Kalcit, Dolomit, Siderit

Ca- a Mg-slou eniny, CO32-, CO32-, Fe2+,

Ca- a Mg-slou eniny, CO32CO32-, Fe2+

Crandalit, Apatit, Alunit Pyrit, Lithiophorit, Todorokit

Ca3(PO4)2, (PO4)32Al(OH)4-, SO42Fe2+, S2-, SO32Mn2+ , Mn4+

Ca3(PO4)2, Al(OH)4-, SO42Fe2+, S2-, SO32Mn2+, Mn4+

(Fe2O3 + Al(OH)4-) Fe2O3 + Al(OH)4-

NAS= sodnohlinité hydrosilikáty, CAS= vápenatohlinité hydrosilikáty Vhodnost použití výroby Bayerovým zp sobem je podmínn hlavn ekonomickým zhodnocením, a tedy výrobními náklady, spot ebou surovin, cenou bauxitu a NaOH, technickou úrovní technologie a za ízení a cenou energie. Velikost závodu je také asto ur ujícím faktorem. Velké zásoby vysokokvalitního bauxitu ve svt a jeho geografické rozdlení podstatn ovlivní další vývoj u Bayerova procesu výroby Al2O3.

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

53

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Rovnovážná rozpustnost Al2O3 v roztoku NaOH Pro samotný proces loužení bauxitu je velice d ležitá rozpustnost Al2O3 v hydroxidu sodném. Bayer v proces je založen na chování hlinitanových roztok , tzn. roztok NaOH s obsahem rozpuštného Al2O3, které mohou obsahovat r zné množství hydroxidu hlinitého v závislosti na teplot a koncentraci kaustického Na2O. Složení hlinitanového roztoku se udává podle nmeckého a ruského vzoru v oxidech (Na2O g/l a Al2O3 g/l ), a koli v roztocích se nacházejí Na+ a OH- ionty, a navíc p i nízkých koncentracích Al2O3 také komplexní aniony (Al(OH)4(H2O)2)-. Se vzr stem koncentrace Al2O3 se vytvá ejí jist také tetragonální a hydratované ionty (Al(OH)4)- a jiné [6]. V pr bhu loužení bauxit v hydroxidu sodném je sledován d ležitý parametr - kaustický pomr. Kaustický molový pom r,  k, je pomr po tu mol kaustického Na2O a Al2O3 v roztoku. Kaustické Na2O v principu reprezentuje jenom sou et volného NaOH a vázaného v hlinitanu sodném. Celkový obsah Na2O je sou tem kaustického Na2O a Na2CO3: k =

n Na2O n Al2O3

; z toho k =

Na 2 O g / l 101.9 m Na2O . ; upravené k = 1.645 . . (20) 62 m Al2O3 Al 2 O3 g / l

Jedním z nejd ležitjších charakteristických znak výroby Al2O3 je koncentrace kaustického Na2O v pracovním roztoku. Podle tradi ní americké varianty, vyvinuté pro zpracování gibbsitických bauxit , jsou charakteristické následující koncentrace kaustického Na2O: v loužicím rozkladném roztoku Na2Ok = 100-140 g/l (k=2.6-2.8), v kapalné fázi vyloužené kaše Na2Ok = 100-160 g/l (k = 1.3-1.5) a ve spot ebovaném roztoku Na2Ok = 90-100 g/l (k = 2.6-2.8). U evropské Bayerovy technologie (vyvinuté pro zpracování monohydrát ) hlavn boehmitických bauxit jsou koncentrace kaustického Na2O podstatn vyšší: v loužicím roztoku Na2Ok = 160-200 g/l (k = 2.8-3.2), po vyloužení Na2Ok = 200-250 g/l (k = 1.4-1.5), v mate ném roztoku Na2Ok = 130-160 g/l (k = 1.5-1.6), v spot ebovaném roztoku Na2Ok = 150-160 g/l (k = 2.8-3.2). Kaustický pomr rozhoduje o stabilit hlinitanového roztoku p i r zných teplotách. P i normální teplot platí, že když k  1, roztoky nemohou existovat a rozkládají se, když k je v rozmezí 1.1-1.25, roztoky jsou nestabilní a rozkládají se do 24 hodin. V p ípad, že k > 1.5, jsou roztoky stabilní a používají se p i výrob Al2O3. Stabilita hlinitanových roztok je funkcí koncentrací Na2O, Al2O3 a teploty. Mezi látky, které zvyšují stabilitu hlinitanových roztok , pat í nap íklad škrob anebo sulfid sodný a mezi látky, které snižují jejich stabilitu, pat í nap íklad AlCl3, Al2(SO4)3, (NH4)2SO4, AlF3, NaF, Al, Na2CO3, FeSO4 a jiné. Rozpustnost gibbsitu, boehmitu a diasporu v roztoku o koncentraci 200 g/l kaustického Na2O je znázornná na obr. 1.9.3.1. Hodnoty rovnovážných rozpustností jsou ozna ené plnou árou a reáln získávané te kovanými árami. Obrázek poukazuje na to, že p i nízkoteplotním rozkladu (cca 140 °C) se rozpustí o 60 g/l oxidu hlinitého víc než p i atmosférickém rozkladu (105 °C), tzn. 260 g/l místo 200 g/l. P i zpracování boehmitických anebo diasporických bauxit se m že dosáhnout podobného pr bhu zvyšování výtžnosti pomocí operace, tzv. sweetening, tzn. p ídavkem gibbsitického bauxitu do vhodn vybrané nádrže vysokoteplotního rozkladného systému p i cca 160 °C, kde se gibbsit rychle rozpustí. Tento proces byl patentován spole ností Kaiser Aluminium a aplikován také v jiných závodech, nap . v nejvtší hliníkárn na svt QAL Gladstone v Austrálii [7]. Svtovou produkci oxidu hlinitého podle aplikované technologie výroby je možné rozdlit následn [7]:  nízkoteplotní a atmosférický rozklad (48 %),  vysokoteplotní rozklad s procesem „sweetening“ (12 %),  vysokoteplotní rozklad, áste n s p ídavkem vápna (18 %),  kombinovaná Bayerova metoda se spékáním z Na2CO3 – CaO (17 %),  spékání nefelín a alunit (5 %).

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

54

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Obr. 1.9.3.1. Rozpustnost gibbsitu, boehmitu a diasporu v roztoku kaustického Na2O [7]. Soustava Al2O3-Na2O-H2O D ležitým procesem p i výrob Al2O3 je získávání hlinitanového roztoku loužením bauxit anebo jiných poloprodukt . P itom je pot ebné vdt, jak se získaný roztok chová p i r zných koncentracích a zmnách teploty v pr bhu procesu. Obr. 1.9.3.2. znázoruje izotermy v systému Al2O3 Na2O-H2O p i teplotách 30, 60, 95, 150 a 200 °C.

Izoterma p i

Obr. 1.9.3.2. Izotermy v soustav Al2O3-Na2O-H2O [1]. Každá izotermická k ivka je k ivkou nasycení roztoku hydroxidu sodného hydroxidem hlinitým za jisté teploty. Maximum izotermy zodpovídá stavu, kdy jsou v rovnováze hydroxid hlinitý a hlinitan sodný. Diagram se dá rozdlit na t i oblasti. První oblast nad vtvemi levých izoterem tvo í oblast p esycených (metastabilních) roztok hydroxidu hlinitého v hydroxidu sodném. Roztoky v této oblasti jsou nestálé a podléhají rozkladu spojenému s vylu ováním hydroxidu hlinitého v d sledku snahy dosažení rovnovážného stavu (p íslušný bod na izoterm). Body ležící p ímo na vtvi izotermy odpovídají rovnovážným roztok m gibbsitu (pro 30, 60, 95 °C) anebo boehmitu (pro 150, 200 °C) v hydroxidu sodném a ukazují, že se stoupající koncentrací hydroxidu sodného roste rozpustnost gibbsitu anebo boehmitu v nm. Druhá oblast diagramu je uvnit obou vtví izoterem. Je to oblast nenasycených roztok hydroxidu hlinitého v hydroxidu sodném, které jsou za dané teploty stabilní. T etí ást diagramu nad pravými vtvemi izoterem je oblast p esycených roztok hlinitanu sodného v hydroxidu sodném.

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

55

Body na této vtvi izotermy zodpovídají rovnovážným roztok m vodního metahlinitanu (Na2O.Al2O3.H2O) anebo vodního roztoku ortohlinitanu (3Na2O.Al2O3. 6H2O) v hydroxidu sodném. Se stoupající koncentrací hydroxidu sodného klesá rozpustnost tchto hlinitan v nm. Tyto oblasti nejsou u Bayerova procesu zajímavé. Abychom získali roztoky s maximálním obsahem Al2O3, je t eba sou asn se zvyšováním teploty zvyšovat i koncentraci Na2O. Pomocí izoterem rozpustnosti hydroxidu hlinitého v hydroxidu sodném je možné zjistit pro každou z teplot, zda je roztok stabilní (v rovnovážném stavu nebo nenasycený) nebo nestabilní (p esycený), a ur ovat tak kone né složení roztok a p edvídat jevy vyvolané jakoukoliv zmnou koncentrace [1,8]. Vliv provozních podmínek na loužení bauxitu Loužení bauxit probíhá v autoklávech, kde bží proces za zvýšeného tlaku a teploty. Nejd ležitjší podmínky pro úplné vyloužení Al2O3 jsou [1]:  doba loužení,  koncentrace loužicího roztoku,  kaustický pomr hlinitanového roztoku,  teplota a tlak uvnit autoklávu,  p ítomnost vápna. Doba loužení. Množství oxidu hlinitého, které p ejde do roztoku u Bayerova zp sobu, je úmrné dob loužení. Koncentrace oxidu hlinitého se s dobou loužení zpo átku rychle zvyšuje a pozdji se blíží k horizontále. Na druhé stran doba vyloužení závisí na mineralogické form hydroxidu hlinitého v bauxitu. Na vyloužení stejného množství oxidu hlinitého je pro boehmiticko-diasporické bauxity pot ebná delší doba než pro gibbsitické. Koncentrace loužicího roztoku. Se zvyšující se koncentrací loužicího roztoku se zvyšuje také množství vylouženého oxidu hlinitého. Na druhé stran však dochází k vtšímu zne ištní hlinitanového roztoku oxidem k emi itým. Bylo dokázáno, že bauxity je možné loužit roztokem 420 g/l Na2Ok a získat siln koncentrované hlinitanové roztoky (nad 400 g/l Al2O3) s výtžností Al2O3 více než 90 %. Tyto roztoky však mají velkou hustotu a komplikované je také oddlování erveného kalu, p ípadn se proces oddlování dá realizovat jenom nucenou filtrací ve vakuu i pod tlakem. V praxi se využívají roztoky s koncentrací cca do 300 g/l Na2Ok. Kaustický pom r hlinitanového roztoku (také vratného loužicího roztoku). Rychlost vyloužení roste se vzr stajícím k. P i volb kaustického pomru je pot ebné p ihlížet k tomu, že snížením pomru se sníží chemická aktivita roztoku, je tedy pot ebné zvýšit teplotu, p i emž se zárove sníží stabilita hlinitanových roztok a m že dojít k jejich p ed asnému rozkladu. U hlinitanových roztok s nízkým kaustickým pomrem je tomu možné zabránit rychlým oddlením erveného kalu odst edním anebo pásovými filtry. V praxi se kaustický pomr loužicích roztok pohybuje kolem 4.3 a 4.5 a pomr kone ného hlinitanového roztoku 1.6-1.8. Teplota, resp. tlak. Množství Al2O3 v roztoku se stoupající teplotou a tlakem roste a doba loužení se zkracuje. Optimální tlak se ur uje pokusn, protože závisí na vlastnostech bauxitu, zejména na mineralogické form, jak uvádí obr. 1.9.3.4. P ítomnost vápna. Experimentáln se zjistilo a ov ilo, že p ídavek vápna do autoklávu v malém množství cca 3 % z hmotnosti bauxitu zvýší výtžnost Al2O3 z diasporických a boehmitických bauxit . Mechanizmus p sobení CaO není zatím dostate n objasnn, ale p ipisuje se katalytickému p sobení vápna na promnu AlOOH na Al(OH)3 p i vyšších teplotách v siln alkalickém prost edí anebo vytvo ení hydrofilní vrstvy na povrchu bauxitu. Technologie loužení bauxit v autoklávech Vtšina bauxit se rozkládá až p i vyšších teplotách a tomu odpovídajících tlacích. K tomu se používá autokláv . Autoklávy jsou uzav ené tlakové reaktory, válcové anebo rourové, ve kterých se suspenze mletého bauxitu a kaustického roztoku oh ívá nad teplotu varu – 105, 260 °C, resp. 310 °C. Ve válcových se pracuje p i tlacích kolem 1-1.5 MPa, v rourových až 15 MPa. Mimo vysokých teplot a tlak musí být autokláv odolný v i korozivním a abrazivním ú ink m bauxitové suspenze. Z pohledu korozivního p sobení jsou autoklávy zkonstruované z uhlíkové ocele a namáhané ásti z legované ocele. Nejvíc namáhané jsou svary, které mohou podlehnout praskání. Pro vysoké teploty se musí použít austenitická nerezavjící ocel s vyšším obsahem niklu.

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

56

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

 

Existují dva typy autokláv : s nep ímým oh evem párou a mechanickým mícháním: o vnit ní oh ev spirálou, o vnjší oh ev pomocí párového plášt, s p ímým oh evem pomocí ostré (proh áté) páry, zatímco míchání je zabezpe eno párou.

První z uvedených je bžným typem, a koli má nkolik nevýhod. Proh átá pára o tlaku 1.2-1.4 MPa prochází spirálou a oh ívá autokláv (viz obr. 1.9.3.3.). Problémy provozu vznikají v d sledku nedokonalého tsnní ty e mechanického míchadla p i vysokých tlacích a horšího p enosu tepla p es oh ívací plochu. Výsledkem bývají asté odstávky kv li poruchám vzhledem ke složité konstrukci. Autoklávy s p ímým oh evem jsou jednoduché válcové nádoby (25-35 m3), do kterých se pára vhání p es trysku, a po ukon ení loužení se obsah autoklávu vyprazduje trubicí. Míchání a oh ev suspenze se provádí sou asn párou. Za ízení je náro né, nakolik je vstup a výstup páry, suspenze a hlinitanového roztoku dost komplikované. Tato nevýhoda se dá ešit použitím kontinuálního automaticky ízeného za ízení. Bauxit se oh ívá nejprve p i teplot 100-105 °C v mícha ích v pr bhu 4-6 hodin za ú elem p eddesilikacie, za ú elem zabránní tvorb k ry na vyh ívacích trubkách autoklávu. Oh ev se zabezpe uje nízkotlakovou párou z posledního kroku expanze, následn se dosáhne v dalších bateriích vyššího tlaku zhruba 4 MPa. P i vypouštní suspenze z autoklávu se musí dosáhnout snížení tlaku na hodnotu atmosférického. Tato operace se neprovádí sou asn v jediném kroku, ale postupn tzv. expanzí. Takto získaná pára z expanze se využívá na p edeh ev bauxitové suspenze. Baterie autokláv jsou chránny v i p etlakování. Suspenze se oh ívá párou ze stanovených nádrží. ím je použitá teplota vyšší, tím se použije vyšší po et expanzních nádrží – separátor páry. Nap íklad z teploty 140 na 145 °C se použijí t i kroky, z 230 na 245 °C se použije deset krok . P i ochlazování suspenze se systém ochlazuje p ibližn o 18 °C v jednom expanzním kroku.

Obr. 1.9.3.3. Schéma autoklávu na rozklad bauxitu s oh ívací spirálou [9]. 1– vstup suspenze, 2- výstup suspenze, 3- oh ívací pára, 4- kondenzát, 5- míchací za ízení Oddlování hlinitanového roztoku od erveného kalu Loužená suspenze bauxitu obsahuje nerozpustné složky bauxitu, které jsou rozptýleny v roztoku hlinitanu sodného. V dalším kroku zpracování se oddluje roztok bohatý na hliník od pevné složky,

erveného kalu. Oddlení zahrnuje jednotlivé operace na úpravu složení hlinitanového roztoku, oddlení kapalné a pevné fáze, promývání erveného kalu, jeho kone nou filtraci a ízenou filtraci hlinitanového roztoku. Úprava složení roztoku se skládá oby ejn z ední za ú elem lepšího oddlování a korekce kaustického pomru a nebo další desilikace roztoku. ervený kal se také zbavuje abrazivních ástic pomocí tzv. odpískování, kdy se oddlí ástice vtší než 100 m. P ed kone nou filtrací se ervený kal kaustifikuje pomocí vápna, aby se zabránilo vtším ztrátám alkálií a aby se zlepšila jeho recyklace.

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

57

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

P i vtším obsahu SiO2 v bauxitu se nkdy provádí druhá desilikace, která probíhá po vysokoteplotním loužení p i operaci oddlování erveného kalu. V takovém p ípad se ervený kal míchá p i teplot cca 95-100 °C v pr bhu 4-5 hodin, aby se dosáhlo ú inné precipitace sodalitu. Upravená suspenze postupuje dál na oddlení kapalné a pevné fáze sedimentací. Sedimentace se vykonává ve válcových zahušova ích. Pro zlepšení sedimentace se mohou k suspenzi p idávat také syntetické flokulanty. Nejd ležitjší faktory, které ovlivují rychlost sedimentace, jsou: z ední po áte ní vsázky, obsah pevných látek, koncentrace kaustického roztoku, velikost, tvar, mrná hmotnost pevných

ástic, viskozita, teplota kapaliny a podmínky loužení bauxitu. P ídavky flokulant se používají na zlepšení zahušování, protože ovlivují rychlost usazování, a tím následn zahušování a ištní. Jejich funkce spo ívá v ovlivnní povrchového náboje ástic, ím zp sobí shlukování jemných ástic do vlo ek. Nej astji se k tomuto ú elu používá vápno, sulfát hlinitý nebo organické polymery s velkou molekulovou hmotností a dlouhým etzcem. A koli je množství p idávaných flokulant obvykle velmi malé, p ibližn 5 g/t, jejich použití zvyšuje provozní náklady. V minulosti se využívaly látky, jako bramborový škrob, který obsahuje aktivní amylopektin, v sou asnosti se intenzivn pracuje na nových látkách, nap . Na-polyakryláty a jiné [10]. Nevýhoda tchto látek je v tom, že p i nkterých typech bauxit jsou neú inné. Zahušování je jedna z nejd ležitjších operací u Bayerovy metody. Správný výbr podmínek a za ízení na ištní a zahušování ovlivní podstatným zp sobem technologické výsledky a opera ní náklady. Zahuštný ervený kal má koncentraci 350-450 g/l pevných látek oproti p vodním 80-100 g/l. Stále však obsahuje p ibližn 80 % hlinitanového roztoku. Aby se ze zahuštného erveného kalu získal hlinitan a alkálie, suspenze se protiproudn promývá vodou ve více stupních. Roztok z prvního promývání erveného kalu se použije opt na z eování suspenze po loužení. Jestliže se ištní zrealizuje dob e, hlinitanový roztok je istá kapalina bez obsahu pevných složek. V p ípad, že roztok obsahuje menší množství jemných ástic erveného kalu, musí se bezpodmíne n odstranit ješt p ed srážením roztoku. Proto se v nkterých závodech používá na oddlování erveného kalu od roztoku ízená filtrace pomocí tlakových filtr . Ty zabezpe ují obsah pevných látek v roztoku pod hranicí 10 mg/l. Po promytí se ervený kal zbavuje vlhkosti kone nou filtrací. K tomu se asto používá vakuový bubnový nebo diskový filtr [11]. Pro ilustraci, graf na obr. 1.9.3.4. zobrazuje složení erveného kalu. Podmínky loužení: 230°C, 0% CaO

Podmínky loužení: 230 °C, 0 % CaO Goethitický kal Mrný povrch ur ený metodou BET 24 m2/g

Podmínky loužení: 230°C, 3% CaO + 0,8% Mn2+

H - hematit

Podmínky loužení: 230 °C, 3 % CaO + 0.8 % Mn2+ Hematitický kal Mrný povrch ur ený metodou BET 12 m2/g

NAS - Na-Al-hydrosilikáty

G - goethit D - diaspor

CAS - Ca-Al-hydrosilikáty

Obr. 1.9.3.4. Složení erveného kalu z maarského bauxitu Iszkaszentgyörgy [12]. P ed kone nou filtrací erveného kalu je možné dlat u Bayerova procesu jeho kaustifikaci za ú elem snížení ztrát alkálií a regeneraci kaustického Na2O. Kaustifikace erveného kalu je vlastn chemická reakce

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

58

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

suspenze erveného kalu s p idaným Ca(OH)2. ást NAS (sodnohlinité hydrosilikáty) zreaguje na CAS (vápenatohlinité hydrosilikáty) podle: 3(Na2O.Al2O3.2SiO2)Na2X.yH2O+ 4Ca(OH)2  3CaO.Al2O3.kSiO2.(6-2k)H2O + CaX + 8NaOH. (21) Kaustifikace se dje v nádržích s míchadly zapojenými do série, kterými protéká promytý anebo filtrovaný ervený kal p i teplot 100 °C v pr bhu 2 až 4 hodin. Platí, že dvma až t emi kilogramy CaO se dosáhne regenerace 1 kg NaOH a ú innost kaustifikace bude 50-60 %. P itom vznikají také titanáty podle: (22) Na2TiO3 + Ca(OH)2  CaTiO3 + 2NaOH. V nkterých závodech se p ísn kontroluje rovnovážný obsah karbonátové sody (Na2CO3) p i promývání a využívá se vratná reakce (23). Po kone ném snížení obsahu vlhkosti se ervený kal skládkuje: Na2CO3 + Ca(OH)2  CaCO3 + 2NaOH. (23) Rozklad hlinitanového roztoku Pro ištný a profiltrovaný hlinitanový roztok postupuje dále na srážení, které se realizuje v rozkladných nádržích o objemu 2000-4000 m3 s mechanickým mícháním. Srážení (precipitace) je vlastn krystalizace Al(OH)3 z prosyceného hlinitanového mate ného roztoku v p ítomnosti o kovadla, tzn. zárodk erstv vykrystalizovaného hydrátu, p i sou asném míchání. Úlohou srážení je vyrobit hlinitý hydrát dostate né chemické istoty a optimálních fyzikálních vlastností, aby se mohl získat metalurgický Al2O3 s požadovanou kvalitou.  100 C NaAlO2 + 2H2O  Al(OH)3 + NaOH. (24) P i srážení probíhá více áste ných proces , jako je nukleace (tvorba zárodk ), r st krystal , aglomerace (spájení krystal ), otr (rozpad krystal ) a podobn. Na srážení mají vliv zejména koncentrace kaustického Na2O, po áte ní kaustický pomr, množství ne istot v mate ném roztoku, teplota, množství a kvalita o kovadla a metoda míchání. Tito initelé ovlivují zárove tvorbu jemnozrnného anebo hrubozrnného hydrátu. Vliv kaustického pomru. Kaustický pomr hlinitanového roztoku udává stupe p esycení daného roztoku krystalickým hydroxidem hlinitým. ím je hodnota kaustického pomru výchozího hlinitanového roztoku menší v porovnání s kaustickým pomrem rovnovážného roztoku, tím je hlinitanový roztok p esycenjší, a tím rychleji a intenzivnji bude probíhat rozklad a vylu ování hydrátu. Vliv koncentrace roztoku. Zvyšováním koncentrace Al2O3 v hlinitanovém roztoku p i stejném kaustickém pomru se snižuje stupe jeho p esycení oxidem hlinitým. Optimální kaustický pomr se pro srážení pohybuje kolem 1.25 a koncentrace kaustického Na2O p ibližn 150 g/l. Vliv teploty. Teplota hlinitanového roztoku má vliv na rychlost srážení a kvalitu hydroxidu hlinitého. Snížením teploty se prodlužuje doba srážení. Teplota srážení se pohybuje v rozmezí 75 - 55 °C s dobou do 30 hodin. Vliv množství a kvality okovadla. O kovadlo ( erstv srážený hydrát hlinitý) plní úkol krystaliza ních zárodk v roztoku, ímž se urychlí jeho rozklad. P i velkém množství o kovadla dochází ke krystalizaci hydroxidu ve velmi rozptýleném stavu. Vhodná velikost o kovadla je v rozmezí 1-80 m. Menší krystaly mohou zp sobit zhoršení filtrování a promývání získaného hydrátu, vtší krystaly jsou naopak málo aktivní. Vliv míchání. Mícháním se o kovadlo udržuje v rozptýleném stavu, ímž se zabezpe uje nejlepší kontakt o kovadla s roztokem. Zárove se urychluje rozklad roztoku a zajišuje rovnomrný r st krystal hydrátu. Vliv istoty roztoku. Na kvalitu získané sraženiny má vliv také istota roztoku. Podle druhu obsažených ne istot se m že navíc ovlivnit také rychlost precipitace a r st krystal . Nejvíc zne išující p ímsi jsou SiO2 a organické látky [1].

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

59

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Výtžnost srážení se ur uje jako pomr množství sráženého Al2O3 k obsahu Al2O3 v mate ném roztoku:

srážení

 c Na2Ok c Al2O3  c pAl2O3   c pNa O 2 k   c Al2O3

    .100 [%],

(25)

kde CAl2O3, CNa2Ok jsou koncentrace Al2O3 a Na2Ok [ g/l] v roztoku na srážení a CpAl2O3, CpNa2Ok jsou koncentrace Al2O3 a Na2Oc [g/l] v sráženém roztoku, ili:

   srážení  1  k po . .100 [%],  k kon. 

(26)



kde po . je po áte ní kaustický pomr roztoku na srážení a kon. je kaustický pomr na konci srážení. Evropské závody používají roztoky na srážení s vysokou koncentrací Na2O – do 150 g/l. Dobré produktivity p i tchto koncentracích se dosáhne p i vysokém obsahu o kovadla – nap . 200-250 g Al(OH)3/l (a víc) a p i nižší teplot – nap . 55 oC (a mén). P i takových podmínkách se získá cca 80 g /l Al2O3 za dobu 50-70 hodin. Zárove se však získá jemnozrnnjší hydrát, který je nevýhodný pro žíhání. Získá se Al2O3 s velkou prašností, který však odbratelé neakceptují. Po srážení následuje filtrace hydrátu vakuovými filtry. V minulosti se využívaly zejména vakuové bubnové filtry, dnes p evážn diskové. Diskové filtry mohou dosáhnout až ptinásobn vtší filtrovaný povrch v porovnání s bubnovými [11]. Kalcinace hydroxidu hlinitého Kalcinace vyrobeného hydrátu hlinitého probíhá p i teplotách do 1200 °C, kdy se získaný istý hydrát hlinitý zbavuje vlhkosti a vázané vody. Kalcinuje se v rota ních pecích anebo stacionárních kalcinátorech, avšak kalcinovat je možné také ve vznosu, tedy ve fluidní vrstv. Pr mrná spot eba tepla pro bžný typ fluidní kalcina ní pece je 3050 kJ/kg Al2O3 p i ro ní výrobní kapacit p es 10 mil.tun [13]. Kalcina ní proces probíhá podle základní reakce: H = 2011 KJ/kg Al2O3, (27) 2 Al(OH)3  Al2O3 + 3 H2O, což zna í, že ke kalcinaci jednoho kilogramu suchého hydroxidu hlinitého pot ebujeme dodat teplo v množství 2011 kJ [13]. Kalcinace zahrnuje následující operace: p edeh ev, kalcinace, chlazení produktu a ištní odpadních plyn .    

Materiál postupuje p i kalcinaci protiproudn a p echází p es nkolik teplotních pásem: pedehívací (sušicí) pásmo - v tomto pásmu probíhá odpa ení volné vody, plyny mají teplotu 300-600 °C a materiál 40-200 °C, kalcinaní (dehydrataní) pásmo - probíhá odstranní vázané vody, plyny mají teplotu 600-1050 °C a materiál 200-950 °C, spékací (žíhací) pásmo - probíhá samotná kalcinace a vznik -Al2O3, plyny mají 1050 -1400 °C a materiál 950-1250 °C, chladicí pásmo - materiál se ochlazuje z 1250 °C na cca 70 °C. Na obr. 1.9.3.5. jsou znázornny fázové transformace p i kalcinaci hydrátu hlinitého.

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

60

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

Obr. 1.9.3.5. Fázové transformace v pr bhu kalcinace hydrátu hlinitého [14]. Studiem kalcinace se ukázalo, že p i teplot 225 oC se z trihydrátu uvolují dv molekuly vody a tvo í se monohydrát Al2O3.H2O, boehmit. P i teplot 500 oC se uvolní poslední molekula vody a hydrát se mní na bezvodý
-Al2O3. P i teplot 950 oC se za íná
modifikace mnit na  modifikaci. Transformace
modifikace na je možná i p i nižších teplotách, ale jen za p ítomnosti mineralizátor , jako nap . AlF3. Výsledný produkt má však odlišné fyzikální vlastnosti. Podle [15] byly identifikovány krom dvou nejbžnjších alotropních modifikací oxidu hlinitého  a
ješt další modifikace, které byly ozna eny jako nap . , , , , , apod. Avšak nejvýznamnjší nejen pro hutnickou praxi jsou práv modifikace  a
. V hutnické praxi není vždy nevyhnutné získat kalcinací jen isté modifikace  nebo
. asto se požaduje sms tchto dvou modifikací v njakém požadovaném pomru. Fázové složení výsledného kalcinátu je dané požadavky odbratele a závisí na aplikované technologii elektrolýzy. Množství ne istot v oxidu závisí na istot výchozího hydroxidu hlinitého. Složení velikosti zrn je ur ené p evážn velikostí ástic hydroxidu hlinitého, avšak m že být ovlivnné také procesem kalcinace. Na druhé stran, v pr bhu kalcinace m že docházet k rozpadu ástic v d sledku po áte ního odstraování vody a také p i fázovém p echodu, ímž se dosáhne menších zrn. Vlastnosti a požadavky na Al2O3 pro elektrolýzu Na kvalitu oxidu hlinitého jako na výchozí materiál pro výrobu elektrolytického hliníku jsou kladeny jisté specifické požadavky. Z tohoto hlediska musí metalurgický oxid hlinitý splnit minimáln následující požadavky [16]:      

dostate nou rychlost rozpouštní v elektrolytu, výborné zachytávání a zpracování unikajících emisí fluoru, pohodlné a ízené dávkování, minimalizaci tvorby prachových ástic, dobré pokrývání anody v zájmu prevence v i rychlé oxidaci a stabilní k ru na elektrolytu na minimalizaci tepelných ztrát, vysokou chemickou istotu, nízký obsah zejména železa, fosforu, vanadu a k emíku.

Kapitola 1.9.

Andrea Miškufová, Tomáš Havlík

61

ENCYKLOPEDIE HLINÍKU

P íklady charakteristik typických oxid hliníku pro elektrolýzu hliníku jsou uvedené v tabulce 1.9.3.2. Tabulka 1.9.3.2. Charakteristiky vybraných typických metalurgických oxid hlinitých [16-18]. Al2O3 Rozsah Požadavky Budoucí Vlastnost Jednotka Al2O3 ecko Surinam (jiné) odb ratel požadavky Fe2O3 % 0.01 0.015 0.006-0.03