Aluminium

Rohstoffe/Werkstoffe

Zur Herstellung von Aluminium wird der Rohstoff Bauxit benötigt, bei dem es sich um ein eng verwachsenes Mineralgemenge von Aluminiumhydroxiden (Hydrargillit (γ-Al(OH)3), Böhmit (γ -AlOOH), Diaspor (χ -AlOOH)), Aluminiumoxiden (Korund (α -Al2O3)), Eisen-und Titanoxiden sowie Kieselsäure handelt. Tabelle 1 zeigt verschiedene Bauxitarten unterschiedlicher Herkunftsregionen und deren Zusammensetzung. Der Rohstoff besitzt aufgrund seines hohen Eisenanteils eine rostrote Farbe. Tabelle 1: Zusammensetzung typischer Bauxite Al2O3 [%] SiO2 [%] Fe2O3 [%] Ti2O2 [%] Glühverlust [%] Weipa (AUS) 55 1,5 13 2,6 25 Svertlowsk (RUS) 55 5 24 2,5 n.b. Helicon (GRE) 53 3,5 25 2,5 n.b. Gong Xian (CHN) 66 13 2 2 13 Los Pijiguosos (VEN) 51 7 14 2 26 Kwakwaki (GUY) 59 6,5 6 3 26 Trelaway (JAM) 46 1 18 2,6 25 Jari (BRA) 59 7,5 2 1,8 31 Buké (GUI) 53 2,2 13,9 3,4 27,5 Rohstoffvorkommen 90% der Bauxitlagerstätten liegen entlang des Tropengürtels. Der größte Bauxitabbau findet in Australien und in China statt. Im Jahr 2019 wurden in Australien 83 Mio. Tonnen und in China 68 Mio. Tonnen Bauxit gewonnen. Eisenreiche europäische Bauxite sind schwer aufzuschließen und werden nur noch selten abgebaut. Tabelle 2: Bauxite Förderung und Reserven Land Förderung [Mio. Tonnen] Reserven [Mio. Tonnen] Australien 83 6.000 China 68 1.000 Guinea 45 7.400 Brasilien 36 2.600 Indien 27 830 Jamaika 8,1 2.000 Russland 5,6 6.500 Kasachstan 5 160 Saudi Arabien 3,9 210 Indonesien 3,6 1.000 Vietnam 2 3.700 Griechenland 1,8 250 Guyana 1,5 850 Malaysia 1 110 Sonstige 9 3.200 Gesamt 300 30.000 Abbauverfahren Das Ziel der Bauxitaufbereitung ist die Abtrennung des Eisenanteils und weiterer Verunreinigungen sowie das möglichst selektive Auflösen von Aluminiumhydroxid. Im ersten Schritt wird das Bauxit zumeist mit Backenbrechern oder Hammerbrechern auf eine Korngröße von 20 mm-50 mm zerkleinert. Für die anschließende Feinzerkleinerung kommen meist Kugel- oder Stabmühlen zum Einsatz. Die Feinzerkleinerung findet in einer nassen Umgebung statt, um Staubemissionen zu reduzieren. Das durch die Zerkleinerung erzielte Kornspektrum hat Einfluss auf die Aufschließbarkeit des Bauxits und das Absetzverhalten des Rotschlamms. In vielen Fällen findet eine Waschung statt, um feinverteiltes Kaolinit (Al4[(OH)8|Si4O10]) aus dem Bauxit zu entfernen. Anschließend wird die feingemahlene Suspension in Vorratsbehältern gelagert, die gleichzeitig zur Vorentkieselung genutzt werden können. Bei diesem Prozess wird Siliciumdioxid (SiO2) noch vor dem Aufschluss aus den besonders kieselsäurereichen Bauxiten abgetrennt, da ein hoher Kieselsäuregehalt die maximale Aluminiumoxid-Ausbeute verringert und den Bedarf an Lauge im Aufbereitungsprozess vergrößert. Die Aufbereitung und der Aufschluss erfolgen meist in der Nähe der Aluminiumoxid- Fabrikanten (Alumina). Die Methodik der Aufbereitung und die weiteren Schritte der Aluminiumgewinnung sind in Abbildung 2 dargestellt.

Produktion

Abbildung 1: Standorte der Aluminiumhütten Abbildung 5: Herstellungsverfahren von Aluminium mittels Bayer Verfahren und Schmelzflusselektrolyse (Verändert nach ) Zur Herstellung des Aluminiums kommen verschiedene Prozessschritte zum Einsatz, die im Folgenden erläutert werden. Die Verteilung der Standorte der Aluminiumhütten ist in Abbildung 4 dargestellt. Bayer Verfahren Das Bayerverfahren dient dem Aufschluss des Bauxits und der Gewinnung von Aluminiumhydroxid (vgl. Abbildung 2). Im ersten Schritt findet der Aufschluss des vorgemahlenen Bauxits im Rohrreaktor oder in Autoklaven statt. Da Autoklavenkaskaden aufgrund ihrer beweglichen Bauteile prozesstechnische Nachteile aufweisen (wie Verkrustungen und schlechtere Verweilzeitverhalten), ist der Rohrreaktor, trotz seines geringeren Volumens, wesentlich effizienter als Autoklaven. Die Standardtechnologie ist derzeit trotzdem die Laugung in Autoklaven. Dazu wird das Bauxit in heißer Natronlauge (NaOH) unter Zusatz von Kalk (CaO) mit dem Ziel gelöst, das enthaltene Aluminium in Form von Aluminiumhydroxid in Lösung zu bringen und unerwünschte Begleitelemente mittels CaO zu fällen. Der entstehende Rotschlamm enthält die unerwünschten Begleitelemente, die durch Sedimentation oder Fällung als Laugerückstand verbleiben. Kalzination Das gewonnene Aluminiumhydroxid ist noch nicht für den Einsatz in der Elektrolyse geeignet, da es eine Restfeuchte aufweist und Hydratgruppen enthält. Für die Abtrennung des Hydroxids wird das Aluminiumoxid daher im nächsten Schritt bei 1000 °C – 1300 °C kalziniert. Dies geschieht entweder im Drehrohrofen oder im Wirbelschichtofen. Das Produkt der Kalzination ist Aluminiumoxid, das in der Elektrolyse eingesetzt werden kann. Schmelzflusselektrolyse Um das Aluminiumoxid (Al2O3) mittels Elektrolyse zu metallischem Aluminium zu reduzieren, muss das Oxid in ionischer Form vorliegen. Hierzu wird es im letzten Schritt im Elektrolyten gelöst. Das reine Aluminiumoxid wird nicht direkt elektrolysiert, da es einen hohen Schmelzpunkt (2046 °C) aufweist und durch die Elektrolyten die Schmelztemperatur auf 950 °C-970 °C reduziert wird. Kryolith (Na3AlF6) wird als schmelzflüssiger Elektrolyt verwendet, da es eine hohe Ionenleitfähigkeit und eine gute Löslichkeit für Aluminiumoxid aufweist. Die Schmelzflusselektrolyse wird mit Graphitanoden und Kohle als Kathode ausgestattet. Bei der Durchführung der Elektrolyse setzt sich an der Kohlekathode, die sich am Boden befindet, flüssiges Aluminium ab und kann abgesaugt werden. An der Graphitanode entsteht Sauerstoff, der zu CO und CO2 reagiert

Nutzung

Abbildung 6: Absatzmärkte von Aluminiumprodukten in Deutschland Das fertige Aluminiumprodukt weist eine geringe Dichte von 2,7 kg/dm3 und eine hohe Leitfähigkeit von 170-220 W/m*K auf. Der Schmelzpunkt liegt bei 658 °C. Mit einem Elastizitätsmodul von 72.000 N/mm2 ist Aluminium deutlich biegsamer als Stahl, welcher ein Elastizitätsmodul von ca. 200.000 N/mm2 besitzt. Aluminium in metallischer Form bildet eine Oxidschicht aus, die es vor Korrosion schützt. Durch verschiedene Legierungszusätze können die Eigenschaften von Aluminium an die Anwendungsgebiete angepasst werden. Ein wichtiges Legierungselement ist Silizium. In Abhängigkeit vom Siliziumgehaltes wird zwischen Guss- und Knetlegierungen unterschieden. Gusslegierungen enthalten bis zu 20% Silizium. Ihre endgültige Form erhält diese Legierungsform durch Gießen. Knetlegierungen hingegen sind niedrig legiert. Auch nach dem Aushärten sind diese Legierungen noch gut verformbar. Gusslegierungen kommen unter anderem für die Herstellung von Motorgussteilen, Felgen, Türklingen und Pfannen zum Einsatz. Typische Anwendungsgebiete von Knetlegierungen sind Dosen und Folien.

Abbildung 6 zeigt die Absatzmärkte von Aluminiumprodukten in Deutschland. Mit 47% ist der Verkehrssektor der mit Abstand größte Abnehmer von Aluminiumprodukten. Hier wird Aluminium unter anderem für Luft- und Raumfahrzeuge, Schienen- und Straßenfahrzeuge und Verkehrsschilder verwendet. Im Bauwesen werden Aluminiumprodukte beispielsweise für den Gerüstbau und Tragwerke verwendet. Damit ist das Bauwesen mit 14% zweitgrößter Abnehmer von Aluminiumprodukten in Deutschland.

Rohstoff!

Abbildung 7: Der Recyclingprozess von Aluminium (Verändert nach Glossar RoRe2 Vorlesung) Abbildung 8: Primär- und Sekundäraluminium - Produktion in Deutschland bis 2019 Für das Recycling von Aluminium existieren zwei grundlegende Verfahren. In Schmelzhütten, sogenannten Refinern, wird Altschrott in Salzschmelzen eingeschmolzen. Dabei werden Gusslegierungen, die sowohl aus Guss- als auch Knetlegierungen gewonnen werden können, hergestellt. Der Anteil von Aluminium muss im Input der Schmelze mindestens 65% betragen. Bei diesem Prozess entstehen bis zu 500 kg Salzschlacke pro Tonne Aluminium. Das zweite Verfahren bilden die Umschmelzwerke, auch Remelter genannt. Bei diesem Prozess besteht das Inputmaterial ausschließlich aus Knetlegierungen, die wieder zu Knetlegierungen recycelt werden. Gusslegierungen können nicht zu Knetlegierungen umgeschmolzen werden. Die Unterscheidung von Guss- und Knetlegierungen wird über laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS, engl.: laser-induced breakdown spectroscopy) vorgenommen. Durch den Siliziumgehalt in Gusslegierungen kann eine Differenzierung vorgenommen werden. Sekundäraluminium kann wieder in den Prozess der Aluminiumherstellung eingeschleust werden. Aufbereitetes Aluminium aus den Refinern wird von Gießereien genutzt. Das Sekundäraluminium aus den Remeltern kann für Blöcke aus Knetlegierungen und für Walzbarren Pressblöcke eingesetzt werden. Recyclingquoten Deutschland 2019 wurden in Deutschland 1.199.841 Tonnen Rohaluminium erzeugt, wovon 691.907 Tonnen Recyclingaluminium waren. Das entspricht einer Einsatzquote von 57,7%. Weltweit Aluminium aus primären wie aus sekundären Quellen wird global gehandelt. Die Recyclingquote bildet ab, wie viel Sekundäraluminium der Produktion zugeführt wird und beträgt weltweit 34-36%. Diese bildet ab, wie viel Sekundäraluminium der Produktion zugeführt wurde. Eine andere Betrachtung bietet die End-of-Life Recyclingrate (EoL). Diese Recyclingrate zeigt das Verhältnis des rückgewonnenen Materials zu der aus der Nutzungsphase ausgeschiedenem Material. Diese beträgt global zwischen 42 und 70%.   Unterschiede zwischen Primär- und Sekundäraluminium Preisunterschiede Der Preis für Primäraluminium betrug Anfang Mai 2020 2.055€/t . Pro Tonne Aluminiumschrott lag der Preis Anfang Mai 2020 bei 700€/t .Der Preisunterschied lag zu diesem Zeitpunkt bei 1355€/t.   CO2 – Ausstoß Die CO2 – Emissionen von Primär- und Sekundäraluminium unterscheiden sich erheblich. Bei der Produktion von einer Tonne Primäraluminium fallen 10,6 Tonnen CO2 an. Bei der Produktion einer Tonne Recyclingaluminium sind es 0,73 Tonnen CO2. Verglichen mit anderen Metallen, wie zum Beispiel Stahl, ist der CO2 – Ausstoß bei der Primärproduktion von Aluminium sehr hoch. Pro Tonne produziertem Primärstahl werden 1,54 Tonnen CO2 ausgestoßen. Energieverbrauch Die hohen CO2 – Emissionen bei der Aluminiumproduktion sind vor allem auf den hohen Energiebedarf zurückzuführen. Dieser beträgt bei der Produktion von Primäraluminium etwa 47.000 MJ/t. Der Energiebedarf von Recyclingaluminium beläuft sich auf etwa 2.500 MJ/t. Abbildung 9: Die Entwicklung des Aluminiumpreises Abbildung 11: Energiebedarf der Produktion von Aluminum und Eisen nach Abbildung 10: CO2-Ausstoß von Stahl und Aluminium im Vergleich

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