Att rena aluminium

Text av Tomas Liljenfors, VD på Bryne

Kan naturprodukter ersätta hälsofarliga reningsprodukter? En genomgång av oxider och andra föroreningar i aluminium.

Att aluminium upptäcktes först på 1800-talet beror på dess starka bindning till syre. Det krävs mycket energi för att separera aluminium från syre, vilket vi ser på energiförbrukningen vid elektrolysprocessen vid framställning av aluminium från aluminiumoxid. Att smälta ett ton aluminium förbrukar knappt 500 kWh men för att separera aluminium från syre i elektrolysprocessen går det åt omkring 13 000 kWh. Aluminium kommer en dag att återgå till naturtillståndet som just aluminiumoxid. Lyckligtvis skapar aluminium en tät hinna av just aluminiumoxid i skiktet mellan metall och luft. Detta skikt fördröjer oxidationsförloppet så att metallen med hjälp av sitt skyddshölje förblir metalliskt under sin livstid, men också efter återvinning och ett par liv till efter det. Men för varje livscykel förbrukas en andel av metallen som då återgår till sitt naturtillstånd. Detta måste ersättas av ny, jungfrulig, aluminium tillverkad från Bauxit, för att samma volym metalliskt aluminium ska bibehållas. Det naturliga tillståndet för aluminium, det vill säga aluminiumoxid, är också den vanligaste föroreningen i smält metall. Det spenderas stora mängder reningskemikalier för att ta bort och begränsa den skada som detta naturtillstånd orsakar vid gjutningsprocessen. Hur fungerar reningskemikalierna och kan dessa ersättas av billiga och miljövänliga organiska produkter? Vi reder ut begreppen och resonerar oss framåt. Håll i er för nu åker vi.

Metallisk lyster syns i en induktionsugn där metallen är under ständig omrörning i ett magnetfält.

Illustration av bildandet av dubbeloxid. 1) Vid rengöring av badytan avlägsnas aluminiumoxiden i form av slagg och metallblank aluminiumreagerar med luftens syre och en ny oxid bildas. 2) Det bildade aluminiumoxidskiktet attraherar syremolekyler till ytan som i 3) följer med oxiden ner i metallen och reagerar med aluminium och bildar ett andra lager aluminiumoxid. Dubbeloxiden skrynklar ihop sig som ett hopskrynklat papper i metallen.

När aluminium smälter så kanske ni tror att aluminiumoxiden också smälter. Det gör den inte. Aluminiumoxiden finns kvar som oxider i fast form i den smälta metallen. På badytan bildas kontinuerligt nya oxider och ju varmare metallen är desto snabbare växer oxiden. Ytoxiden är till en början ett tunt skikt i en konsistens liknande glashinna. Denna genomskinliga glashinna är också vad vi ser när vi tittar på en stelnad aluminiumkomponent och glashinnan skyddar aluminiumkomponenten mot fortsatt oxidation. För smält metall fortsätter denna hinna snabbt att växa och den genomskinliga oxiden förvandlas snart till en tjockare, grå och matt film. Detta kan tydligt ses när man drar ett redskap över badytan i en ugn. Omedelbart efter verktyget är metallen blank men för varje sekund som går så övergår blankheten till en matt hinna. Metall som står flera timmar får en hård skorpa på ytan, vilket helt enkelt är aluminiumoxid som har kristalliserat och bildat en stabilare form. Ju högre temperatur desto snabbare växer oxiden till. Legeringsämne som magnesium, natrium och strontium påskyndar också oxidationsprocessen.

Oxider i en aluminiumprodukt ses som en förorening. Men oxider, i varierande antal och form, finns alltid i aluminiumprodukter. Oxidföroreningar beskrivs lättast som en ”dubbeloxid” i aluminium. Oxiden bildas på ytan mellan den smälta metallen och luft. Syremolekyler från luften reagerar med aluminium så att en hinna av stelnad aluminiumoxid bildas på ytan. När oxiden trycks ned under badytan så reagerar även de ytmolekyler på oxidens ovansida med metalliskt aluminium. Oxiden kan då beskrivas som en dubbeloxid där tvärsnittet kan ses som aluminium-aluminiumoxid // aluminiumoxid-aluminium. Dessa dubbeloxider kan under vissa förhållande öppnas upp så att gas bildar en bubbla mellan oxidhinnorna. En dubbeloxid påverkar egenskaperna på den smälta metallen genom att påverka metallens konsistens. Många oxider skapar en grötliknande konsistens, vilka måste avlägsnas innan gjutning. Mer om detta snart.

Illustration av sedimenteringsprocessen med en hållugn med god isolering, låg effekt och inga flöden av metall in eller ut ur ugnen. Lättare föroreningar fångas i en slaggfälla och tyngre i en sedimenteringsbrunn.

Illustration av flotteringstekniker där rening med salttablett är det enklaste men också den minst effektiva metoden. Att lansa gas innebär att ett rör med flödande gas sätts ned i metallbadet, vilket kan göras mer effektivt med att använda en porös plugg i botten av ugnen eller använda sig av en impeller som roterar och sönderdelar utflödande gas i små bubblor som renar metallen mest effektivt.

En dubbeloxid simmar runt i den smälta metallen och har liknats med ett hopknycklat papper. Detta skrynkliga papper är till en början lättviktigt med en densitet lägre än aluminium. Med tiden åldras oxiden så att tjockare, och därmed tyngre, oxider bildas. I smält metall förekommer alltid en uppsjö av olika former av aluminiumoxider. Smält aluminium har en densitet som beror på legeringsinnehållet men vanligen runt 2,5 kg/dm3 (dvs en liter smält aluminium väger 2,5 kg). De tunna, färska oxiderna har en densitet på ca 2 kg/dm3, men med kristallisering till nya former av oxid ökar densiteten. Den slutgiltiga formen av oxid, har en kristallstruktur som kallas korund med en densitet på ca 4 kg/dm3 .

Oxider som är lättare och tyngre än aluminium kan avlägsnas genom att sedimentera metallen. De lätta oxiderna lägger sig på ytan av metallen och de tyngre i botten av metallen. Denna process är dock långsam, så många produktivitetsjagande gjuterier har inte tid att vänta på att gravitationen gör jobbet. En hållugn som har en fungerande sedimentering karakteriseras av temperaturstabilitet (god isolering), ingen omrörning (låg effekt) och möjlighet att separera bort tyngre och lättare föroreningar (inga materialströmmar i ugnen).

För att påskynda sedimentering där lättare och tyngre föroreningar kan skiljas ut används flotteringstekniker. Vid flottering används en reaktionsbenägen eller icke reaktionsbenägen gas som får bubbla genom den smälta metallen. Gasbubblorna tar också med sig lättare föroreningar till ytan och påskyndar därmed reningen. Det finns olika flotteringstekniker där avgasning med en tablettformad salttablett är ett sätt, rening med lans ett annat och med impeller ett tredje. Rening med gas är också ett sätt att avlägsna inlöst vätgas i metallen men det behandlas inte i denna artikel.

En impeller med inert gas och reningssalt kombinerar saltrening och avgasning på ett effektivt sätt (denna från Foseco). Genom att kombinera avgasning och saltbehandling så avlägsnas fler av föroreningarna.

Ett andra alternativ till rening av kemikalier är en björkstav. Björken ska enligt uppgift vara knytnävstjock för en 500 kg ugn och ska vara nyhuggen. Bäst ska nyutsprungen björk om våren vara. Poetiskt kanske,men inte bra rening.

Aktiv rening blir resultatet när reaktiva reningsämnen används. Det kan vara klorgas, reaktiva salter eller en kombination av dessa som på något sätt reagerar med föroreningar i metallen. Reningssalt är det vanligaste och förekommer i en uppsjö av olika sammansättningar och former. Gemensamt för många reningssalter är att funktionen i många fall är oklar och miljöpåverkan på både personal och yttre miljö inte är fördelaktig. Många reningssalter har en blandning av två salttyper där natriumklorid (NaCl) och kaliumklorid (KCl) är vanliga för att reglera vilken smältpunkt saltet får. Ett reningssalt är mer reaktivt ju högre temperaturen är, men är saltet för reaktivt så blir den aktiva tiden för liten och den totala reningseffekten klen. Därför marknadsförs salt för olika användningstemperaturer, där till exempel ett salt som är aktivt vid 660°C kan ha en sammansättning av 35 % NaCl och 35 % KCl och ett salt för 710°C 50 % NaCl och 20 % KCl. Karbonater, sulfater och fluorider står för övriga 30 %. Fluorider finns i flera varianter och koncentrationen för olika saltfabrikat varierar mellan 3 och 8 %. En vanlig form av fluorid är natrium-kisel-fluorider.

Vad gör då de reaktiva reningsämnena? Fluoriderna klor och fluor reagerar främst med alkalimetallerna (Li, Na, K) och alkaliska jordartsmetallerna (Mg, Ca, Sr) men också med andra ämnen. De reagerar bland annat också med oxider så att dessa följer med gasbubblor till ytan. De reaktiva ämnena gör så att oxiderna klumpar ihop sig och lättare kan separeras bort från metallen utan att för mycket metalliskt aluminium följer med slaggen. De aktiva ämnena reagerar också med aluminium, så att en viss del av aluminiumet förbrukas.

Flera av reningskemikalierna är farliga för både natur som människa och bör om möjligt begränsas. En väl fungerande filteranläggning begränsar dock den yttre påverkan av kemikalierna. Det finns flera produkter på marknaden som innehåller klor och fluor som båda är natur- och hälsovådliga. Det har historiskt funnits reningssalt med svavel-, cyanid- och andra mycket hälsovådliga substanser, så granska säkerhetsdatabladet noga innan användning och se till att inte stå med näsan över ugnen vid behandling! Utöver hälsorisken vid direkt användning så har även det bildade aluminiumslagget hälsoeffekter, där diverse substanser som vätefluorid, svavelföreningar, ammoniak och tungmetallföroreningar är vanligt förekommande. Dessa kan bilda farliga gaser vid kontakt med vatten eller andra vätskor, så hantera slagg torrt och med försiktighet!

Naturliga reningsmedel

Ett naturligt reningsmedel som även på 2020-talet används i svensk aluminiumindustri – Potatis.

Rening med potatis genom att använda en dykskopa med en potatis gav en kraftig reaktion när vattnet i potatisen förångades och bubblade kraftigt. Som en bieffekt luktade gjutlokalen vidbränd ugnspotatis flera dagar.

Liksom att läkemedel i vissa skrå ratats till förmån för naturliga substanser så finns samma trend inom aluminiumindustrin. Som ett naturligt alternativ har jag under besök på gjuterier stött på alternativa reningsmetoder med naturliga reningsmedel. Bland gravitationsgjutare har jag vid ett flertal tillfällen hört om rening som beskrivs som potatis eller björk. Jag trodde först att det var termer för reningssteg med tillsatskemikalier men det visade sig faktiskt vara rena naturprodukter. Jag trodde att de drev mig, men nej, jag fick förevisat för mig att det faktiskt rörde som om en färsk potatis respektive en björkstav som fördes ned under metallytan. Dessa togs till när gjutarna upplevde att metallen flöt dåligt eller att produkterna hade problem med sugningar.

Efter att sett naturprodukterna ”live” började jag funderar på vilken funktion naturreningen faktiskt hade. Det visade sig att det löste ett problem men skapade också nya. Ibland var de skapade problemen inte så allvarliga och då hjälpte faktiskt naturprodukten. För att veta hur produkterna verkligen fungerade så beslutade jag mig för att faktiskt mäta effekten av potatis- respektive björkreningen. Vi mätte halten inlöst gas i metallen, flytbarheten samt vägde mängden slagg som avlägsnades före och efter behandling. De uppenbara resultaten var att halten inlöst gas ökade mångfalt. Oxidinnehållet ökade kraftigt och mängden skapad slagg var stor. Flytbarheten visade sig vara något högre även om spridningen mellan mätningarna ökade efter ”reningen”.

En teori bakom den upplevda lösningen är att en ökad gas- och oxidhalt skapar fler ytor för det stelnande aluminiumet att starta från, men ökar också antalet porer som tar upp krympningen. Krympporositet är ett vanligt problem vid gjutning men denna minskas med ökande föroreningshalt tack vare de många fler gasporer som skapas. I stället för ett mindre antal stora krympporer så bildas många små. Vanliga problem som otätt gods blir tätare när krympporositet blir mindre och insjunkningar orsakade av krymp upphör. Varför använder inte alla gjuterier naturprodukter om det löser många problem? Oxider och vätgas har stor påverkan på hållfastheten. Stora variationer kommer att uppdagas när komponenterna ska maskinbearbetas med troliga ansamlingar av gasporer och oxidansamlingar. Så även om krympningar på ytan förebyggs så orsakar ”reningen” för de flesta produkter, andra och större problem. Det är trots allt en instabil process som orsakar de flesta problemen i gjutindustrin. Att använda reningsmetoder som löser ett problem för stunden men ger mer allvarliga långsiktiga problem både under gjutningen och efterbearbetningen är inte bra. Jag skulle aldrig rekommendera naturprodukter för att rena aluminium.

Att tro att man löser alla problem genom att lösa ett synligt problem är vanligt inom gjuteriindustrin. När man mäter vad som egentligen sker får man oftast en annan bild av det man trodde från början. Naturprodukter bör inom gjuteriindustrin också genomgå en granskning innan de blir en del av arbetssättet. Enkla mätningar ger svar på om det man tror är rätt eller om det endast är en illusion. Mer om hur mätmetoder är anpassade för gjutindustrin kommer att beskrivas under nästa nummer. Till dess – sluta tro på skrönor, och mät er fram till verkligt hållbara lösningar!