Alüminyum Üretimi

Endüstrinin en önemli hammaddelerinden biri olan demir ve çelik ürünlerinin cevherden başlanıp, kullanıma hazır hale getirilmeleri öyküsünü kaleme almıştım. Bu yazımda ise demir dışı metallerin kralı olarak niteleyebileceğimiz alüminyumun topraktan çıkıp, fabrikalarda son şekli verilmiş ürüne dönüşmesini anlatacağım.

Yazıma başlamadan önce alüminyumun bazı özelliklerinden bahsetmek istiyorum. Demire göre nispeten daha düşük olması, ağırlık sorunu teşkil eden mühendislik uygulamalarında tercih edilmesini sağlar. Demirin 2.5 katı daha hafif olan bu metalin, özgül dayanımı da iyidir. Bir takım sertleştirme işlemleri –yaşlandırma- sonucu kendince yüksek mukavemet denilen rakamlara ulaşabilir ve bu şekilde birçok alanda kullanılabilir.

Otomotiv, havacılık, hafif inşaat denen prefabrik yapılarda, ısıl iletkenlik gerektiren yerlerde sıklıkla kullanılır. Otomotiv sektöründe başı çeken Audi firmasının spor tip araçlarının şasileri Alüminyum Hidrürden yola çıkılarak üretilen çok dayanıklı bir alüminyum alaşımından yapılmaktadır. Yine Honda firmasının ödül aldığı Earth Dreams Technology ürünü olan 1.6 litrelik dizel motorunun tamamı alüminyumdan yapılmıştır. Tamamı alüminyum olan bir motor, hafiflik ve üretilen atık ısının hızlıca ortamdan uzaklaştırılması gibi çok önemli avantajlar sağlamıştır.

Alüminyum üretimine geçecek olursak, bildiğimiz üzere soy metaller haricindeki neredeyse tüm metaller doğada bileşikler halinde bulunurlar. Bir metalin kimyasal aktifliği arttıkça bileşiklerinin kararlılığıda artar. Yani metalin kompleks bileşik içerisinden çıkarılıp saflaştırılması –indirgenmesi- zorlaşır. Alüminyum bilindiği üzere oldukça aktif bir metaldir. Doğada çoğunlukla alümina (Al2O3) olarak bulunur.

Alüminada saf olarak bulunmaz tabi. Toprağın hatta kilin büyük bölümünü oluşturan alümina-kaolin karışımındaki alümina oranı tespit edilmelidir. Bu tenör belirleme işleminden sonra %70 e yakın alümina, %10 un altında silika ve diğer çamurlar dediğimiz kompleks metalik bileşikler içeren yapıya “Boksit” denir. Silikanın %15 i geçmemesine dikkat edilmelidir aksi takdirde birazdan anlatacağım ekstraksiyon işlemlerinde sıkıntı yaratır.

Boksitin tenörü belirlendikten sonraki en büyük sorun bu çamur karışımı içerisinden alüminayı alabilmektir. Boksit içerisindeki diğer metal oksitlerin reaksiyon vermeyeceği ama alüminanın amfoter özelliğinden dolayı reaksiyon vereceği sodyum hidroksit boksite 180 – 240 derece sıcaklık arasında ilave edilir. Sodyum hidroksitin güçlü bazik özelliğinden dolayı alüminanında amfoter oluşundan sodyum alüminat (NaAlO2) oluşur ve çözeltiye geçer. Seçimli çözünme prensibinin kullanıldığı bu hidrometalürjik işlem sonunda, bolca demir(III)oksit ve silika içeren kalıntı diğer adıyla kırmızı çamur çözünmez ve atık olarak atılır. Çözeltideki sodyum alüminatın çözünürlüğü sıcaklıkla ve yüksek pH ile ilgili olduğundan bu iki parametreden birisinin değişmesi sodyum alüminatın çökmesi demektir.

Genellikle su ile seyreltilme işlemi yapılır böylece sıcaklık ve pH aynı anda düşürülmüş olur. Sodyum alüminat bu değişime çökerek cevap verir. Çökelme esnasında hidrat aldığından dolayı alüminyum oksit ve sodyum hidroksit olarak ayrışırlar. Safa yakın alümina elde edilebilmesi için kristalizasyon işlemi gerçekleştirilir ve beyaz renkteki alümina tozumuz artık saflaşmıştır.

Şu ana kadar boksitten alümina eldesi için bir dizi hidrometalürjik işlem uyguladık. Boksitten alümina eldesi esnasındaki tüm bu hidrometalürjik işlemlere Bayer prosesi denir. Esas alüminyum üretimi şu andan itibaren Hall-Heroult Prosesiyle –elektrometalürji- başlamaktadır.

Alüminyumun aktifliğinin yüksek olması, oksitlerinin çok kararlı olduğunu destekler bir özelliğidir. Alüminyum Oksit, diğer adıyla alümina en yüksek ergime sıcaklığına sahip bir seramik malzemedir. 2400 derece civarına kadar ısıtılıp ergitildikten sonra karbonlama yöntemiyle oksijenin ayrılması yani alüminyumun indirgenmesi pekte mantıklı bir yöntem değildir. Hem yüksek enerji tüketimi hem de alüminyum içerisinde karbon kalmasının istenmeyişinden dolayı bu yöntem maalesef uygulanamaz.

Sıvı faza alınmadan indirgenmenin olmayacağını biliyoruz. Bu yüzden alüminanın mutlaka bir çözeltiye geçirilmesi veya ergitilmesi gereklidir. Bu noktada kriyolit (Na3AlF6) dediğimiz, alüminyumun sodyum ve florlu bir çift tuzu imdadımıza yetişir. Kriyolitin ergime noktası 900 derece civarıdır. Alümina- kriyolit çözeltisi hazırlanır ve sıcaklık 950 derece civarında tutulur. Çözelti havuzunun tabanı katot, içerisine batırılan grafit çubuklar ise anot görevi görürler. Sisteme doğru akım uygulandığı vakit, çözeltide serbest halde bulunan alümina oksijeni karbona transfer eder. Karbon, alüminyumun oksijence çekilen 3 elektronunu anot üzerine bırakarak CO2 gazı oluşturup ortamı terk eder. Karbon tarafından bırakılan 3 elektron, devreyi tamamlayarak katota gelir ve alüminyum +3 iyonu tarafından yakalanır. Böylece alüminyum havuz tabanına indirgenmiş bir biçimde çöker.

Grafit çubukların zamanla eksileceğini kestirebilirsiniz. Çubuklar belirli periyotlarla yenilenirler.

Havuz tabanında biriken alüminyum ise işlem sıcaklığının 950 derece olmasından dolayı sıvı haldedir.

Kriyolitin görevini kısaca anlatacak olursam, kriyolit alüminyumun bir çift tuzudur. Sisteme ilave edildiği anda bir çözünürlük dengesine ulaşır. Le’ chatelier prensibince, kriyolitin yapısındaki alüminyum indirgendikçe, boşta kalan sodyum-flor kısmı alüminadan yeni bir alüminyum atomunun çözeltiye geçmesini sağlar. Alümina bitene kadar bu işlem devam eder. Alüminanın bitmesiyle sistemdeki gerilim kesilir. Aksi takdirde çözeltide alümina kalmadığından kriyolit indirgenir. Buda çözücü ajanın kaybı anlamına gelir.

Bir sonraki yazımda farklı metallerin özel üretim yöntemlerini kısaca anlatacağım..

Okan Gençoğlu
Ondokuz Mayıs Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Kaynaklar:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Cryolite
3. Fathi Habashi – Handbook of extractive metallurgy
4. Yrd. Doç. Dr. Sevim Alışır Ekstraktif Metalürji Ders Notları