Aluminium

Rohstoffe/Werkstoffe

Zur Herstellung von Aluminium wird der Rohstoff Bauxit benötigt, der 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 darstellt. Tabelle 1 zeigt verschiedene Bauxitarten unterschiedlicher Herkunftsregionen und deren Zusammensetzung. Die Rostrote Farbe erhält der Rohstoff durch seinen hohen Eisenanteil. 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 Abbildung 3: Methodik der Aluminiumgewinnung (Verändert nach ) 90 % der Vorräte liegen entlang des Tropengürtels. Der größte Bauxitabbau findet in Australien mit 83 Mio.Tonnen und in China mit 68 Mio.Tonnen statt. Eisenreiche europäische Bauxite sind schwer aufzuschließen und werden nur noch selten abgebaut. Die Rohstoffe befinden sich in oberflächennahen, sechs bis acht Meter mächtigen Schichten und der Abbau findet über Tage statt. Zur Zeit werden die abbauwürdigen Reserven auf ca. 200 Jahre geschätzt. 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. Der erste Schritt der Zerkleinerung teilt sich in zwei Schritte auf. Bei der Vorzerkleinerung werden Backenbrecher oder Hammerbrecher verwendet, um das Bauxit auf Korngrößen von 20 bis 50mm zu brechen. Eine weitergehende nasse Zerkleinerung wird mittels Kugel- und Stabmühlen durchgeführt. Das erzielte Kornspektrum hat Einfluss auf die Aufschließbarkeit des Bauxits, das Absetzverhalten des Rotschlamms und die Erosion der Anlagenbauteile. In vielen Fällen findet eine Waschung statt, um feinverteiltes Koalit aus dem Bauxit zu entfernen. Anschließend wird die feingemahlene Suspension in Vorratsbehältern gelagert, welche meist zur Vorentkieselung genutzt werden, der besonders kieselsäurereiche Bauxite noch vor dem Aufschluss einer SiO2-Abtrennung unterzogen werden. Die Aufbereitung und der Aufschluss erfolgen meist in der Nähe der Aluminiumoxid (Alumina) Fabrikanten. Die Methodik der Aufbereitung und des weitergehenden Aluminiumgewinnung ist in Abbildung 3 dargestellt.

 

Produktion

Abbildung 4: 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 beginnt mit dem Aufschluss des vorgemahlenen Bauxits im Rohrreaktor oder im Autoklaven Aufschluss. Dazu wird dieser 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 entstandene 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 und Hydratgruppen enthält. Für die Abtrennung des Hydroxids wird das Aluminiumoxid daher bei 1000°C – 1300°C kalziniert. Dies geschieht entweder im Drehrohrofen oder im Wirbelschichtofen. Das Produkt nach der Kalzination ist Aluminiumoxid, das in der Elektrolyse eingesetzt werden kann. Schmelzflusselektrolyse Um metallisches Aluminium elektrochemisch in einer Elektrolysezelle gewinnen zu können, muss der Rohstoff Aluminiumoxid (Al2O3) zunächst in einem Elektrolyten in ionischer Form gelöst werden, so dass dann Aluminium durch eine elektrochemische Reduktion dargestellt werden kann. Es wird Kryolith (Na3AlF6) als (schmelzflüssiger) Elektrolyt verwendet, da es eine hohe Ionenleitfähigkeit und eine gute Löslichkeit für Aluminiumoxid besitzt. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Aluminiumoxid (2046°C) elektrolysiert man nicht direkt geschmolzenes, reines Aluminiumoxid. 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 hat die Eigenschaft eine Oxidschicht an der Materialoberfläche zu bilden, die eine Resistenz gegenüber Meerwasser hervorruft. Durch verschiedene Legierungszusätze können die Eigenschaften von Aluminium an die Anwendungsgebiete angepasst werden. Ein wichtiges Legierungselement ist Silizium. Durch Silizium wird die Aufteilung von Guss- und Knetlegierungen vorgenommen. 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. 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. Gusslegierungen werden unter anderem für die Herstellung von Motorgussteilen, Felgen, Türklingen und Pfannen verwendet. Typische Anwendungsgebiete von Knetlegierungen sind Dosen und Folien.   Rohstoff! Für das Recycling von Aluminium existieren zwei grundlegende Verfahren. In Schmelzhütten, sogenannten Refinern, wird Altschrott in Salzschmelzen eingeschmolzen. Dabei werden Gusslegierungen sowohl aus Guss-, als auch aus Knetlegierungen gewonnen. Der Anteil von Aluminium muss im Input der Schmelze mindestens 65% betragen. Bei diesem Prozess entsteht Salzschlacke. Bis zu 500kg Salzschlacke pro Tonne Aluminium können hier entstehen. Das zweite Verfahren bilden die Umschmelzwerke, auch Remelter genannt. Bei diesem Prozess besteht das Inputmaterial ausschließlich aus Knetlegierungen, die wieder zu Knetlegierungen recycelt werden. Die Unterscheidung von Guss- und Knetlegierungen wird über laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS, engl.: laser-induced breakdown spectroscopy) vorgenommen. Durch den Silizium-Gehalt in Gusslegierungen kann so eine Differenzierung nach der Analyse vorgenommen werden. Einsatz von Sekundäraluminium 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. Abbildung 7: Der Recyclingprozess von Aluminium (Verändert nach Glossar RoRe2 Vorlesung)   Recyclingquoten Deutschland 2019 wurden in Deutschland 1.199.841 Tonnen Rohaluminium erzeugt, wovon 691.907 Tonnen Recyclingaluminium ausmachten. Das entspricht einem Anteil von 57,7%. Abbildung 8: Primär- und Sekundäraluminium - Produktion in Deutschland bis 2019 Weltweit Sowohl primäres, als auch sekundäres Aluminium sind Handelsgüter, die global ausgetauscht werden. Ein Blick auf die globalen Zahlen des Aluminiumrecyclings erscheint als sinnvoll. Die Recyclingquote beläuft sich weltweit auf 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. Abbildung 9: Die Entwicklung des Aluminiumpreises   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. Abbildung 10: CO2-Ausstoß von Stahl und Aluminium im Vergleich   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 11: Energiebedarf der Produktion von Aluminum und Eisen nach   Literaturverzeichnis