Inkijk in het productieproces van aluminium en RVS

Waar komt aluminium en RVS vandaan en hoe wordt het een afgewerkt producten voor uw metaalprojecten? Ontdek in dit artikel de verschillende stappen van het productieproces van aluminium en RVS.

Productieproces aluminium

Stap 1: bauxiet delven

Het productieproces van aluminium start met het delven van de belangrijkste grondstof: bauxiet. Bauxiet bestaat aan de ene kant uit aluminiumoxide en aan de andere kant uit verbindingen van titanium, ijzer, vanadium en silicium.

Bauxiet wordt diep onder de grond gedolven in tropische en subtropische gebieden. Geen makkelijke taak, want voor 1000 kilogram aluminium moet je graven tot een diepte van wel zeven meter. Het opgegraven bauxietmineraal wordt later naar raffinaderijen vervoerd, waar het wordt afgewassen en vermalen om een consistenter geheel te verkrijgen.

Stap 2: het Bayerproces

Tijdens de tweede fase van het productieproces van aluminium treedt het Bayerproces in werking:  de gemalen en ruwe bauxiet wordt omgezet tot aluminiumoxide, een noodzakelijke grondstof om aluminium te produceren.

Natriumhydroxide

Het gemalen bauxiet wordt eerst in grote druktanks gepompt met een oplossing van natriumhydroxide, wat ook wel natriumaluminaat of ‘slurry’ wordt genoemd: een hete oplossing van bijtende soda en water die de aluminiumoxide in het bauxiet oplost. De overige, onopgeloste bestanddelen van het bauxiet worden vervolgens gescheiden door te bezinken.

Bezinken en precipitatie

Tijdens het bezinken wordt de hele natriumaluminaatoplossing, inclusief onopgeloste bestanddelen, doorgevoerd in bezinktanks onder een lage druk. De overige, onopgeloste bestanddelen van het bauxiet, ook wel gekend als rode modder, blijven gewoon bovendrijven aan de bovenkant van de bezinktank en worden later, door een reeks filters en chemische reacties, naar beneden geleid om uiteindelijk te verdwijnen. Dit proces wordt de ‘precipitatie’ genoemd.

In de overgebleven oplossing in de filterinstallaties ontstaan kleine witte kristallen (zaadkristallen), die door de aanraking met aluminiumoxide uiteindelijk gevormd worden tot grote aluminiumkristallen.

Stap 3: het Hall-Héroult-proces of elektrolyseproces

Verbranding

Dan wordt de overgebleven oplossing verwarmd en gefilterd in roterende ovens met temperaturen tot boven de 960°C, waardoor de laatste onzuiverheden in het mengsel worden verwijderd en de overgebleven aluminiumoxide of de aluinaarde uiteindelijk wordt gedroogd tot een wit poeder. Een deeltje van deze aluinaarde of wit poeder wordt gebruikt voor kleinschalige projecten, zoals keramische onderdelen, maar het grootste deel wordt verwerkt tot aluminium in het elektrolyseproces.

Smelten

De volgende stop is de metaalfabriek: hier wordt de geraffineerde aluminiumoxide of de aluinaarde (het witte poeder) omgezet in zuiver aluminium door de zuurstof en het aluminium in de aluminiumoxide van elkaar te scheiden. De scheiding gebeurt via een elektrisch systeem en is gebaseerd op drie grondstoffen: aluminiumoxide, elektriciteit en koolstof. De elektriciteit wordt in het elektrisch systeem geleid door twee polen: aan de ene kant de kathode, waar de elektronen het systeem ingaan, en aan de andere kant de anode, de tegengestelde pool paar ze weer uitgaan. Beide polen bestaan uit koolstof, maar het is de anode die zuurstof (O₂) zal gaan afbreken en voor de vorming van CO₂ zal zorgen. Het resultaat is dan uiteindelijk 99,8% zuiver en vloeibaar aluminium dat zo kan worden getapt.  

Klaarmaken voor gebruik

Het vloeibare aluminium wordt aan het einde van het proces gegoten in extrusie billets of profielen, plaatstaven en/of legeringen, afhankelijk van waarvoor het gebruikt zal worden, en wordt zo klaargemaakt voor gebruik.

Stap 4: energieverbruik en afvalstoffen beperken

Energie beperken

Elektriciteit is na bauxiet eigenlijk de tweede grootste “grondstof” om aluminium te winnen. Milieubewuste producenten doen hun uiterste best om dat energiegebruik en de nefaste milieueffecten te verminderen door van gestookte centrales over te stappen naar waterkrachtcentrales om 90 tot wel 95% van de energie te besparen.

Afvalstoffen reduceren

Ook het onttrekken van de aluinaarde uit bauxiet zorgt, zoals we eerder besproken hebben, voor een afvalproduct: de rode substantie of de rode modder. Hoewel rode modder op kleine schaal wordt gebruikt voor het kleuren van dakpannen of als vulmateriaal voor asfaltwegen en waterzuivering, is het grootste deel economisch niet echt bruikbaar. Daarom wordt het meestal vijf tot tien jaar opgeslagen in bekkens met een ondoordringbare kleibodem. CO₂ uit de lucht en regenwater zorgen ervoor dat de rode modder geneutraliseerd wordt tot een overblijfsel van soda en water.

Stap 5: recycling

Voor het produceren van 1 kg aluminium is er ongeveer 4 à 5 kg bauxiet nodig en 155 MJ (megajoule) aan energie. Voor het recyclen van aluminium is slechts 5% van deze energie nodig, wat van aluminium een geschikt metaal maakt om te recyclen. Zo ontstaat een oneindige cyclus.

Van bauxiet naar een veelzijdig metaal

U kan stellen dat het volledige productieproces van aluminium een enorm veelzijdig traject is: beginnend bij het winnen van bauxiet tot de omzetting naar aluminium tijdens het elektrolyseproces. Het eindproduct is uiteindelijk zuiver aluminium, een veelzijdig metaal met veel inzetmogelijkheden voor al uw metaalprojecten.

Productieproces RVS

Roestvast staal is in vergelijking met aluminium een relatieve nieuwkomer. De productie van RVS is een proces dat bestaat uit meerdere stappen: staalschroot wordt gesmolten, in een vaste vorm gegoten, warmtebehandeld, gereinigd en vervolgens gepolijst. We zetten alle stappen voor je even op een rij:

Stap 1: smelten en gieten

Allereerst worden staal en verschillende legeringsmetalen in een elektrische vlamboogoven geladen en verhit tot een specifieke temperatuur (meer dan 2800°F) boven het smeltpunt. Deze smeltfase kan door de extreme temperaturen en grote hoeveelheden zeker acht tot twaalf uur doorgaan.

Wanneer de staallegering volledig is gesmolten, wordt het mengsel geraffineerd. Argon-gas en zuurstof worden in de oven gepompt en zullen onzuiverheden omzetten in gas. Het geraffineerde staal wordt voor de meeste toepassingen in verschillende vormen gegoten. Vormen kunnen rechthoekig, rond of vierkant zijn, maar platen, staven of buizen behoren ook tot de mogelijkheden.

Stap 2: vormen

Warm rollen

Gegoten staal wordt gevormd door warm rollen. De stalen vormen worden verwarmd en door hoge rollen geleid, waardoor het staal wordt uitgerekt tot een langere en dunnere vorm. Het warm rollen gebeurt meestal boven de herkristallisatietemperatuur van het staal, maar is sterk afhankelijk van de gewenste kwaliteit.

Koudwalsen

Koudwalsen wordt gebruikt wanneer preciezere afmetingen of een superieure oppervlakteglans vereist zijn. Het gebeurt onder de herkristallisatietemperatuur van het staal en wordt uitgevoerd met rollen met een kleine diameter en een reeks steunrollen. Dit is ideaal voor brede platen met verbeterde oppervlakteafwerking.

Stap 3: warmtebehandeling

Het meeste gewalste RVS wordt versterkt door een warmtebehandeling (gloeien). Gloeien is het proces dat wordt gebruikt om roestvast staal te verzachten, de ductiliteit (interne spanning) te verbeteren en de korrelstructuur te verfijnen. Het roestvast staal wordt verhit tot een temperatuur die exact boven de kristallisatietemperatuur ligt en wordt vervolgens langzaam afgekoeld onder gecontroleerde omstandigheden. De gloeitemperatuur, de tijd en de afkoelsnelheid hebben allemaal invloed op de eigenschappen van het staal.

Stap 4: ontkalken

Door het gloeiproces vormt zich kalk op het staal (een geoxideerde walshuid). Deze laag wordt verwijderd met beitsen, waarbij het staal in salpeterwaterstoffluoride wordt gebaad. Wanneer er elektrolytisch wordt gereinigd, dan wordt er gebruik gemaakt van een kathode en fosforzuur om een stroom op het roestvast stalen oppervlak te laten lopen. Ten slotte wordt het ontkalkte metaal gespoeld onder hoge druk, zodat een glanzend en helder oppervlak overblijft.

Stap 5: werkharden

Werkharden is het proces waarbij RVS sterker wordt gemaakt door vervorming. Roestvast staal hardt in het algemeen snel uit, waarbij de precieze snelheid wordt bepaald door de specifieke soort.

Stap 6: snijden en machinaal bewerken

Na het werkharden kan het roestvast staal op de gewenste maat worden gezaagd tot een bepaalde vorm en grootte. Mechanisch snijden is de meest gebruikelijke methode. RVS kan worden geschoren met cirkelmessen, worden gezaagd met hogesnelheidsmessen, of blank worden gemaakt met ponsen. Alternatieve methoden zijn bijvoorbeeld vlam-, plasma- en waterstraalsnijden.

Voor voorwerpen die in een gieterij zijn gegoten en hun definitieve vorm al bijna hebben bereikt, kan snijden alleen dienen om de verbindingslijnen schoon te maken, afmetingen op nauwkeurige toleranties te brengen of om een oppervlakteafwerking te creëren.

Stap 7: afwerken

Roestvast staal kan worden vervaardigd met een grote verscheidenheid van oppervlakte-afwerkingen. Roestvast staal afwerken is belangrijk voor het uitzicht, maar het maakt het staal ook beter bestand tegen corrosie en het zorgt voor een efficiënter onderhoud.

Oppervlakte-afwerkingen zijn het gecombineerde resultaat van fabricageprocessen en afwerkingsmethoden. Slijpschijven of schuurbanden worden vaak gebruikt om het staal te slijpen of te polijsten. Andere methoden zijn polijsten met stoffen wielen met schurende deeltjes, droog etsen met zandstralen en nat etsen met zure oplossingen.

Waarom RVS?

Net zoals bij aluminium is het productieproces van RVS opnieuw een veelzijdig traject. Roestvast staal wordt eigenlijk op dezelfde manier geproduceerd als staal, maar er wordt extra chroom en nikkel aan toegevoegd. Het extra laagje dichroomtrioxide beschermt het onderliggende metaal extra tegen roestvorming en beschadiging. Nikkel vergroot de roestwerendheid nog meer en maakt het staal sterker en beter bestand tegen extreme temperaturen.

Naarmate nieuwe chemische stoffen worden onderzocht, is het mogelijk dat nog vele nieuwe soorten roestvast staal ontdekt zullen worden voor ontelbare toepassingen.