Alumina (aluminiumoxid) är det mest använda keramiska oxidmaterialet. Dess användningsområden är omfattande och omfattar tändstift, kranbrickor, nötningsbeständiga plattor och skärverktyg.
Väldigt stora mängder används också vid tillverkningen av monolitiska eldfasta material och eldfasta tegelstenar. Det blandas också med andra material, t.ex. flinggrafit, för andra, svårare tillämpningar är tänkta, t.ex. för gjutmunstycken och glidspjällsventiler.
Nyckelegenskaper
Aluminiumoxidens nyckelegenskaper visas nedan.
– Hög tryckhållfasthet
– Hög hårdhet
– Motståndskraftig mot nötning
– Motståndskraftig mot kemiska angrepp av ett brett spektrum av kemikalier även vid förhöjda temperaturer
– Hög värmeledningsförmåga
– Motståndskraftig mot värmestötar
– Hög grad av refraktäritet
– Hög dielektrisk förmåga. styrka
– Hög elektrisk resistivitet även vid förhöjda temperaturer
– Genomskinlig för mikrovågsradiofrekvenser
– Lågt neutralt tvärsnittsinfångsområde
– Råmaterial är lättillgängligt och priset är inte föremål för våldsamma fluktuationer
Årlig produktion
Årlig produktion av aluminiumoxid är 45 miljoner ton. 90 % av denna används vid tillverkning av aluminiummetall genom elektrolys.
Varifrån kommer aluminiumoxid?
Det mesta av den aluminiumoxid som produceras kommersiellt erhålls genom kalcinering av aluminiumhydroxid (ofta benämnt aluminiumoxidtrihydrat eller ATH).
Aluminiumhydroxiden framställs praktiskt taget helt och hållet genom Bayerprocessen.
Denna innebär att bauxit smälts i kaustiksoda och att aluminiumhydroxid därefter fälls ut genom tillsats av fina frökristaller av aluminiumhydroxid.
Faser
Aluminiumoxid finns i många former, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ; dessa uppstår vid värmebehandling av aluminiumhydroxid eller aluminiumoxihydroxid. Den termodynamiskt mest stabila formen är α-aluminiumoxid.
Aluminiumhydroxider
Aluminium bildar en rad hydroxider; vissa av dessa är väl karakteriserade kristallina föreningar, medan andra är dåligt definierade amorfa föreningar. De vanligaste trihydroxiderna är gibbsit, bayerit och nordstrandit, medan de vanligare oxidhydroxidformerna är boehmit och diaspore.
Kommersiellt sett är den viktigaste formen gibbsit, även om bayerit och boehmit också tillverkas i industriell skala.
Aluminiumhydroxid har ett brett användningsområde, t.ex. som flamskyddsmedel i plast och gummi, pappersfyllmedel och förlängningsmedel, tandkrämfyllmedel, antacida, titanoxidbeläggning och som råvara för tillverkning av aluminiumkemikalier, t.ex.t.ex. aluminiumsulfat, aluminiumklorider, polyaluminiumklorid, aluminiumnitrat.
Commersiella kvaliteter
Smältare eller metallurgisk kvalitet är det namn som ges när den används vid tillverkning av aluminiummetall. Historiskt sett tillverkades den av aluminiumhydroxid med hjälp av roterugnar, men nu tillverkas den i allmänhet i flödesbädds- eller flaskbrännugnar. I flödesflamningsprocesser matas aluminiumhydroxiden in i en motströmsström av varm luft som erhålls genom förbränning av eldningsolja eller gas. Den första effekten är att det fria vattnet avlägsnas och därefter avlägsnas det kemiskt bundna vattnet. Detta sker i ett temperaturintervall på mellan 180 och 600 ºC. Den dehydratiserade aluminiumoxiden är huvudsakligen i form av aktiverad aluminiumoxid och ytan minskar gradvis när temperaturen stiger mot 1 000 ºC. Ytterligare bränning vid temperaturer > 1000ºC omvandlar detta till den mer stabila α-formen. Omvandlingen till α-formen är vanligtvis i storleksordningen 25 % och den specifika ytan är relativt hög med >50m²/g på grund av förekomsten av övergångsmetaller.
Kalcinerad
Om aluminiumhydroxid upphettas till en temperatur som överstiger 1100ºC passerar den genom de övergångsfaser som nämns ovan.
Den slutliga produkten, om en tillräckligt hög temperatur används, är α-aluminiumoxid. Tillverkningsprocessen sker kommersiellt i långa rotationsugnar. Mineraliseringsmedel tillsätts ofta för att katalysera reaktionen och sänka den temperatur vid vilken α-aluminiumoxidfasen bildas; fluoridsalter är de vanligaste mineraliseringsmedlen.
Dessa kalcinerade produkter används i ett brett spektrum av keramiska och eldfasta tillämpningar. Den viktigaste föroreningen är natriumoxid. Olika kvaliteter produceras som skiljer sig åt i kristallitstorlek, morfologi och kemiska föroreningar.
De kalcinerade kvaliteterna delas ofta in i vanlig soda, mediumsoda (sodanivå 0,15-0,25 viktprocent) och låg sodanivå.
Låg sodanivå
Flera tillämpningar, särskilt inom det elektriska/elektroniska området, kräver en låg sodanivå i aluminiumoxiden. En aluminiumoxid med låg sodahalt definieras i allmänhet som med en sodahalt på <0,1 viktprocent. Detta kan tillverkas på många olika sätt, bl.a. genom syratvätt, klortillsats, bortillsats och användning av sodaabsorberande föreningar.
Reaktiv
”Reaktiv” aluminiumoxid är den term som normalt används för ett prov med relativt hög renhet och liten kristallstorlek (<1 μm) som sintrar till en helt tät kropp vid lägre temperaturer än lågsodatakvalitet, medelsodatakvalitet eller vanlig sodakvalitet. Dessa pulver levereras normalt efter en intensiv kulmalning som bryter upp de agglomerater som bildas efter bränning. De används när exceptionell styrka, slitstyrka, temperaturbeständighet, ytfinish eller kemisk inerthet krävs.
Tabulär
Tabulär aluminiumoxid är omkristalliserad eller sintrad α-aluminiumoxid, som kallas så eftersom dess morfologi består av stora, 50-500 μm, platta, tablettformade kristaller av korund. Den framställs genom att man pelleterar, extruderar eller pressar kalcinerad aluminiumoxid till former och sedan värmer dessa former till en temperatur strax under deras smältpunkt, 1700-1850ºC i schaktugnar.
Efter kalcineringen kan sfärerna av sintrad aluminiumoxid användas som de är för vissa tillämpningar, t.ex. i katalysatorbäddar, eller så kan de krossas, sållas och malas för att få fram ett stort antal olika storlekar. Eftersom materialet har sintrats har det en särskilt låg porositet, hög densitet, låg permeabilitet, god kemisk inerthet, hög eldfasthet och är särskilt lämpligt för eldfasta tillämpningar.
Smält
Smält aluminiumoxid framställs i elektriska ljusbågsugnar genom att strömmen passerar mellan vertikala kolelektroder. Den värme som genereras smälter aluminiumoxiden. Ugnen består av ett vattenkylt stålskal och 3-20 tons partier av material smälts samtidigt. Den smälta aluminiumoxiden har hög densitet, låg porositet, låg permeabilitet och hög brytningsförmåga. Som ett resultat av dessa egenskaper används den vid tillverkning av slipmedel och eldfasta material.
Hög renhet
Hög renhetsaluminiumoxid klassificeras normalt som aluminiumoxid med en renhetsgrad på 99,99 % och kan tillverkas genom rutter som utgår från Bayer-hydrat med hjälp av på varandra följande aktiveringar och tvättar, eller via en klorid för att uppnå den nödvändiga renhetsgraden. Ännu högre renhetsgrader tillverkas genom bränning av ammoniumaluminiumsulfat eller av aluminiummetall. När det gäller vägen via ammoniumaluminiumsulfat erhålls den nödvändiga renhetsgraden genom successiva omkristalliseringar. Särskilt hög renhet kan framställas av aluminium genom att metallen reagerar med en alkohol, renar aluminiumalkoxiden genom destillation, hydrolysering och kalcinering. En mindre väg innebär att man utsätter superrena aluminiummetallpellets under destillerat vatten för en gnisturladdning.
Användningsområden är bl.a. tillverkning av syntetiska ädelstenar, t.ex. rubiner och yttriumaluminiumgranater för lasrar, och safirer för instrumentfönster och lasrar.