Zpracování hliníku - od minerálu až po kabel

Hliník je velmi významný a těžko nahraditelný kov. Je velmi lehký a vyznačuje se velmi dobrou elektrickou a tepelnou vodivostí. Velkou výhodou je jeho tvárnost při zachování dostatečné pevnosti a vysoká odolnost vůči korozi. Tento článek objasní cestu hliníku od jejího získání, přes úpravu pro elektrotechnické účely, až po výrobu hliníkového drátu, který je dodáván do kabeloven.

Hliník v elektrotechnice používaný pro elektrovodné účely musí mít čistotu větší než  99,5 %. Čistý hliník má měrnou vodivost 37,7 Sm/mm².

Zdroje a způsob získání hliníku

Hliník je třetím nejrozšířenějším prvkem a prvním nejrozšířenějším kovem v přírodě. Nevyskytuje se ale v ryzí podobě, zato jeho sloučeniny v nichž se nachází jsou velmi početné. Jsou to hlavně podvojné křemičitany a hydroxidy. Nejdůležitější surovinou pro výrobu hliníku je hornina zvaná bauxit, obsahující kolem 60 % Al. Z výrobního hlediska je třeba ještě uvést kryolit – Na3Al Fe6.

Protože hliník nelze z výchozích látek přímo vyredukovat, je jeho výroba obtížná a pozůstává minimálně ze dvou etap. Je-li ovšem potřeba aby čistota hliníku byla větší než 99,5 %, což je vyžadováno při výrobě vodičů, je třeba přidat ještě rafinaci – tedy třetí etapu výroby. Technologický proces výroby velmi čistého hliníku je tedy rozdělen do těchto třech etap:

• Získání čistého Al2O3
• Výroba tzv.surového hliníku
• Elektrolytická rafinace surového hliníku

Získání čistého Al2O3

Kysličník hlinitý Al2O3, jakožto výchozí surovina při výrobě hliníku, se získává z bauxitu nejčastěji zásaditým pochodem tzv.Bayerovým způsobem.

Bauxit je látka proměnlivého složení, která kromě svého hlavního obsahu – koloidních hydrátů kysličníku hlinitého – obsahuje vždy i různé jiné sloučeniny, např. Fe2O3, SiO2 a další podle místa svého výskytu. Proto se považuje spíše za horninu než za nerost.

Podle obsahu vázané vody je hydrát kysličníku hlinitého buď mono-, duo- nebo trihydrát, takže lze psát obecný vzorec Al2O3•nH2O v němž n =1 až 3. Alkalickým tavením, za přispění NaOH nebo sody, se při vyšší teplotě a tlaku získává v autoklávu rozpustný hlinitan sodný NaAlO2 spolu s nerozpustnými látkami, které se ovšem oddělí sedimentací a filtrací. Hydrolýzou se hlinitan rozloží na hydroxyd Al(OH)3, z něhož se pak kalcinací při 1 200 °C získává požadovaný Al2O3. Probíhající reakce lze popsat takto:

Výroba tzv.surového hliníku

Hliník se získává elektrolytickým rozkladem kysličníku hlinitého Al2O3 rozpuštěného v roztaveném kryolitu. Děje se tak v elektrolyzérech (elektrolýzních pecích), jejichž spodní část tvoří uhlíková katoda.

Do pece se vlije roztavený kryolit, mající teplotu 960 °C, načež se spustí uhlíkové anody. Následuje přidávání oxidu hlinitého po určitých dávkách a časových intervalech, tak aby byla udržovaná nejvýhodnější koncentrace Al2O3 (15 %) při níž má látka nejnižší teplotu (960 °C). Až na tuto úroveň snižuje kryolit vysokou teplotu tání Al2O3, která je 2 050 °C. Elektrolytem je tedy tavenina Al2O3 v kryolitu.

Teplo potřebné k udržení lázně v tekutém stavu se získává průchodem proudu taveninou. Rozkladem Al2O3 se kovový hliník vylučuje na katodě, tedy na dně pece, odkud může být odsáván. Na anodách se vylučuje kyslík. Ten okamžitě reaguje s uhlíkem anod a velmi intenzivně je opaluje. Přitom vzniká směs kysličníků CO a CO2.

Tento elektrolytický proces je energeticky i jinak cenově velmi náročný. Na 1 tunu hliníku je třeba 2 tun Al2O3 a 15 MWh elektrické energie. Pominout nelze ani 0,5 tunový úbytek uhlíkových anod. Čistota získaného hliníku je minimálně 99,5  %, což je vyhovující pro celou řadu výrobků. Pro elektrotechnické účely to ovšem nestačí.

Elektrolytická rafinace surového hliníku

Dalšího zvýšení čistoty hliníku se dosahuje zajímavým elektrolytickým procesem. Jedná se o tzv. trojvrstvou rafinační metodu u níž hraje důležitou roli měrná hmotnost zúčastněných látek.

Anodu elektrolyzéru tvoří slitina 25Cu-Al, která je v roztaveném stavu a udržuje se na dně nádoby. Nad ní je vrstva elektrolytu, tvořená směsí BaCl2, AlF3 a NaF. Horní vrstvou je tekutý hliník, který může být z této vrstvy snadno kontinuálně odebírán. Jeho čistota je 99,99 %. Odpovídající množství surového hliníku, popř. spolu s vytříděným hliníkovým odpadem, je průběžně přidáváno do roztavené anodové lázně.

Tři vrstvy tekutin se samovolně udržují nad sebou proto, jelikož se jejich měrná hmotnost, vycházeje od hliníku směrem dolů, zvyšuje. Roztavený Al má hmotnost 2 300 kg/m³, elektrolyt 2 700 kg/m³ a u slitiny Al-Cu je hmotnost 3 000-3 500 kg/m³. Pro další technologickou operaci – výrobu vstupního drátu pro kabelovny – se z čistého hliníku odlévají menší bloky, což bývají často tzv. housky.

Výroba vstupního Al drátu pro kabelovny

Vstupní surovinou pro výrobu hliníkových vodivých jader v kabelovnách je Al drát průměru 9 až 25 mm. Vyrábí se z čistého hliníku odléváním a tvářením za tepla, tedy v podstatě stejnou technologií jako drát měděný. Také konstrukce stroje, umožňujícího získávat hliníkový nekonečný prut, je v principu stejná jako při výrobě měděného prutu metodou SCR.

Po výstupu z odlévacího kola je Al profil očištěn a případné výběhy u hran jsou odstraněny než vstoupí do válcovací sekce výrobní linky. Po jejím průběhu je výsledný produkt, kruhový drát, ochlazen a navíjen do těsných nebo volných svitků.

Těsný svitek, připomínající vinutí válcové cívky, má průměr 1,5 m a hmotnost 2 250 kg, svitek volný o vnějším průměru 1,9 m má hmotnost 1 500 až 2 000 kg. Technologii Properzi převzala většina světových výrobců, takže ji lze považovat, v případě výroby Al kontidrátu, za nejdůležitější.

Pokud se před výrobní linku předřadí elektrolyzér, není třeba odlévat Al housky, či podobná tělesa a je možné tekutý hliník z elektrolyzéru přivádět přímo do udržovací pece, která se nachází před licím kolem. V tomto případě odpadá tavení housek v tavicí peci a dochází tedy minimálně k úspoře energie.