L’allumina (ossido di alluminio) è il materiale ceramico ossido più usato. Le sue applicazioni sono molto diffuse e includono candele, rondelle per rubinetti, piastrelle resistenti all’abrasione e utensili da taglio.
Tonnellate molto grandi sono anche usate nella fabbricazione di refrattari monolitici e in mattoni. Viene anche miscelato con altri materiali come la grafite a scaglie per altre applicazioni più difficili, come beccucci di versamento e valvole a saracinesca scorrevole.
Proprietà chiave
Le proprietà chiave degli ossidi di alluminio sono indicate di seguito.
– Alta resistenza alla compressione
– Alta durezza
– Resistente all’abrasione
– Resistente all’attacco chimico di una vasta gamma di sostanze chimiche anche a temperature elevate
– Alta conducibilità termica
– Resistente allo shock termico
– Alto grado di refrattarietà
– Alta resistenza dielettrica
– Alta resistività elettrica anche a temperature elevate
– Trasparente alle radiofrequenze delle microonde
– Bassa area di cattura della sezione trasversale dei neutroni
– Materia prima facilmente disponibile e prezzo non soggetto a violente fluttuazioni
Produzione annua
La produzione annua di ossido di alluminio è di 45 milioni di tonnellate. Il 90% di questo viene utilizzato nella produzione di alluminio metallico per elettrolisi.
Da dove viene l’allumina?
La maggior parte dell’ossido di alluminio prodotto commercialmente è ottenuto dalla calcinazione dell’idrossido di alluminio (spesso chiamato triidrato di allumina o ATH).
L’idrossido di alluminio è praticamente tutto prodotto dal processo Bayer.
Questo comporta la digestione della bauxite in soda caustica e la successiva precipitazione dell’idrossido di alluminio mediante l’aggiunta di cristalli di semi fini di idrossido di alluminio.
Fasi
L’ossido di alluminio esiste in molte forme, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ; queste si formano durante il trattamento termico dell’idrossido di alluminio o dell’ossido di alluminio. La forma termodinamicamente più stabile è l’ossido di alluminio α.
Idrossidi di alluminio
L’alluminio forma una gamma di idrossidi; alcuni di questi sono composti cristallini ben caratterizzati, mentre altri sono composti amorfi mal definiti. I triidrossidi più comuni sono gibbsite, bayerite e nordstrandite, mentre le forme più comuni di idrossido di ossido sono boehmite e diaspore.
Commercialmente la forma più importante è la gibbsite, sebbene la bayerite e la boehmite siano anche prodotte su scala industriale.
L’idrossido di alluminio ha una vasta gamma di usi, come ritardanti di fiamma nella plastica e nella gomma, riempitivi ed estensori della carta, riempitivi per dentifrici, antiacidi, rivestimento in titania e come materia prima per la produzione di prodotti chimici a base di alluminio, ad es.Ad esempio, solfato di alluminio, cloruri di alluminio, cloruro di poli alluminio, nitrato di alluminio.
Gradi commerciali
Smelter o grado metallurgico è il nome dato quando viene utilizzato nella produzione di alluminio metallico. Storicamente veniva prodotto dall’idrossido di alluminio usando forni rotanti, ma ora viene generalmente prodotto in calcinatori a letto fluido o a flash fluido. Nei processi fluid flash l’idrossido di alluminio viene immesso in un flusso in controcorrente di aria calda ottenuta dalla combustione di olio combustibile o gas. Il primo effetto è quello di rimuovere l’acqua libera e questo è seguito dalla rimozione dell’acqua chimicamente combinata; questo avviene in una gamma di temperature tra 180-600ºC. L’ossido di alluminio disidratato si presenta principalmente sotto forma di allumina attivata e l’area superficiale diminuisce gradualmente man mano che la temperatura sale verso i 1000ºC. Un’ulteriore calcinazione a temperature > 1000ºC lo converte nella più stabile forma α. La conversione alla forma α è tipicamente dell’ordine del 25% e l’area superficiale specifica è relativamente alta a >50m²/g a causa della presenza di metalli di transizione.
Calcinato
Se l’idrossido di alluminio viene riscaldato a una temperatura superiore a 1100ºC, allora passa attraverso le fasi di transizione di cui sopra.
Il prodotto finale, se viene usata una temperatura abbastanza alta, è l’α-allumina. Il processo di fabbricazione è commercialmente intrapreso in lunghi forni rotativi. I mineralizzatori sono spesso aggiunti per catalizzare la reazione e abbassare la temperatura alla quale si forma la fase α-allumina; i sali di fluoro sono i mineralizzatori più comunemente usati.
Questi prodotti calcinati sono usati in una vasta gamma di applicazioni ceramiche e refrattarie. La principale impurità presente è l’ossido di sodio. Vengono prodotti vari gradi che differiscono per dimensione dei cristalliti, morfologia e impurità chimiche.
I gradi calcinati sono spesso suddivisi in soda ordinaria, soda media (livello di soda 0,15-0,25% in peso) e soda bassa.
Low Soda
Molte applicazioni, in particolare nelle aree elettriche/elettroniche, richiedono un basso livello di soda presente nell’ossido di alluminio. Un’allumina a bassa soda è generalmente definita come con un contenuto di soda di <0,1% in peso. Questa può essere prodotta in molti modi diversi, tra cui il lavaggio acido, l’aggiunta di cloro, l’aggiunta di boro e l’utilizzo di composti che assorbono la soda.
Reactive
L’allumina “reattiva” è il termine normalmente dato a un campione di purezza relativamente alta e di piccole dimensioni dei cristalli (<1 μm) che sinterizza in un corpo completamente denso a temperature più basse rispetto alla soda bassa, media o ordinaria. Queste polveri sono normalmente fornite dopo un’intensa macinazione a sfere che rompe gli agglomerati prodotti dopo la calcinazione. Vengono utilizzate dove sono richieste forza, resistenza all’usura, resistenza alla temperatura, finitura superficiale o inerzia chimica eccezionali.
Tabulare
L’ossido di alluminio tabulare è α-allumina ricristallizzata o sinterizzata, così chiamata perché la sua morfologia consiste in grandi cristalli di corindone a forma di tavola piatta da 50-500 μm. Si produce pellettizzando, estrudendo o pressando l’allumina calcinata in forme e poi riscaldando queste forme a una temperatura appena sotto il loro punto di fusione, 1700-1850ºC in forni a tino.
Dopo la calcinazione, le sfere di allumina sinterizzata possono essere usate così come sono per alcune applicazioni, per esempio letti di catalizzatori, oppure possono essere frantumate, vagliate e macinate per produrre una vasta gamma di dimensioni. Poiché il materiale è stato sinterizzato, ha una porosità particolarmente bassa, alta densità, bassa permeabilità, buona inerzia chimica, alta refrattarietà ed è particolarmente adatto per applicazioni refrattarie.
Fusione
L’allumina fusa viene prodotta in forni ad arco elettrico facendo passare una corrente tra elettrodi di carbonio verticali. Il calore generato fonde l’allumina. Il forno consiste in un guscio d’acciaio raffreddato ad acqua e vengono fusi lotti di 3-20 tonnellate di materiale alla volta. L’allumina fusa ha un’alta densità, bassa porosità, bassa permeabilità e alta refrattarietà. Come risultato di queste caratteristiche, viene utilizzata nella fabbricazione di abrasivi e refrattari.
Alta purezza
Le allumine ad alta purezza sono normalmente classificate come quelle con una purezza del 99,99% e possono essere prodotte da percorsi che partono dall’idrato di Bayer utilizzando attivazioni e lavaggi successivi, o attraverso un cloruro per raggiungere il grado di purezza necessario. Purezza ancora maggiore si ottiene dalla calcinazione del solfato di ammonio e alluminio o dall’alluminio metallico. Nel caso della via attraverso il solfato di ammonio e alluminio, il grado di purezza necessario si ottiene con ricristallizzazioni successive. Purezza particolarmente elevata può essere ottenuta dall’alluminio facendo reagire il metallo con un alcool, purificando l’alcossido di alluminio per distillazione, idrolisi e calcinazione. Un percorso minore consiste nel sottoporre pellet di alluminio metallico superpuro sotto acqua distillata ad una scarica di scintille.
Le applicazioni includono la fabbricazione di pietre preziose sintetiche come rubini e granati di ittrio-alluminio per i laser, e zaffiri per finestre di strumenti e laser.
Il processo di ricristallizzazione dell’alluminio è molto complesso.