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2011
Aluminium
Getzinger
Inhalt
Einleitung ................................................................................................................................................. 3
Kenngrößen ............................................................................................................................................. 3
Vorkommen ............................................................................................................................................. 3
Gewinnung .............................................................................................................................................. 4
Stoffströme.............................................................................................................................................. 5
Verwendung ............................................................................................................................................ 5
Aluminiumlegierungen: ........................................................................................................................... 6
Recycling .................................................................................................................................................. 7
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Einleitung
Die Bezeichnung Aluminium leitet sich vom lateinischen Wort alumen für Alaun ab.
(„Alaune“ für alle schwefelsauren Doppelverbindungen). Es ist ein Nichteisenmetall und
gehört zur Gruppe der Leichtmetalle.
Im Periodensystem gehört Aluminium zur dritten Hauptgruppe oder Borgruppe, die früher
auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet wurde. Aluminium ist das dritthäufigste Element
und häufigste Metall in der Erdkruste. Dort tritt es wegen seiner Reaktionsfreudigkeit fast
nur in chemisch gebundenem Zustand auf.
Kenngrößen
Ordnungszahl: 13
Kristallstruktur: kubisch flächenzentriert
Schmelzpunkt: 660,32 °C
Dichte: 2,7 g/cm3
Vorkommen
Aluminium ist mit einem Anteil von 7,57 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und Silicium das
dritthäufigste Element der Erdkruste und damit das häufigste Metall. Es kommt elementar in
der Natur nur sehr selten vor, meistens in Form von silbergrau glänzenden Einlagerungen in
bestimmten Gesteinen. In den Feldspäten und Glimmern ist Aluminium als Aluminiumsilicat
chemisch gebunden. Das Mineral Korund (Rubin, Saphir) enthält Aluminiumoxid. Das
wichtigste Aluminiumerz ist der Bauxit, der im Wesentlichen aus einem Gemisch von AlHydroxiden und Al-Oxiden besteht. Die wichtigsten Erzvorkommen befinden sich in
Australien, Guinea, Brasilien, Jamaika, Indien, Guyana und Indonesien
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Gewinnung
Bauxit als wichtigstes Aluminiumerz wird zuerst von Verunreinigungen (Eisenoxide und
Siliciumdioxid) gereinigt, so dass man reine Tonerde als Aluminiumoxid erhält erhält.
Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Aluminiumoxid mit mehr als 2000°C werden die
Fluorverbindungen Kryolith Na3AlF6 und AlF3 zugesetzt, so dass der Schmelzpunkt des
Gemisches auf etwa 950°C herabgesetzt wird.
An der Kathode, der Kohleauskleidung der eisernen Elektrolysierwanne entsteht
geschmolzenes Aluminium von hoher Reinheit (99,5-99,8%). Das Aluminium sinkt aufgrund
seiner größeren Dichte nach unten und wird von Zeit zu Zeit abgestochen und zu Barren
gegossen. An den Graphitelektroden entsteht Sauerstoff, der mit dem Graphit zu
Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid weiter reagiert. Dadurch werden die
Graphitelektroden mit der Zeit zerfressen. Man verwendet lange Graphitstäbe, die ständig
tiefer in die Schmelze hineingeschoben werden. Das Verfahren eignet sich zur
kontinuierlichen Aluminiumproduktion. Mit ähnlichen Verfahren lassen sich auch Metalle
wie Kalium, Calcium oder Magnesium herstellen.
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Vorteile des Verfahrens: Durch den großen Energieaufwand entsteht so viel überschüssige
Energie, dass man die Außenwände des Aluminiumbades nicht erhitzen muss, um das Bad
flüssig zu halten.
Nachteile: Das zur Herabsetzung des Schmelzpunktes beigesetzte Kryolith ist ein sehr
seltenes Mineral, das durch Auflösen von Tonerde und Soda in Flusssäure hergestellt wird.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Abgase neben dem Treibhausgas CO2 und dem
giftigen CO sehr aggressive und umweltgefährliche Fluorverbindungen und Fluorwasserstoff
enthalten. Daher müssen zusätzliche Abluft-Filteranlagen gebaut werden. Aus diesen
Gründen ist eine Wiederverwertung von Aluminiumabfällen rentabel.
Stoffströme
Zur Herstellung von einer Tonne Aluminium werden 4-5 Tonnen Bauxit, 0,6 Tonnen
Kohlenstoff (Anodenmaterial), 0,06 Tonnen Kryolith und 0,03 Tonnen AlF3 benötigt. Der
Energieaufwand beträgt 151,2 MWh für die Erzreinigung, bzw. zur Herstellung der reinen
Tonerde und 15,5 MWh für die endotherme Reaktion der Elektrolyse.
Verwendung
Durch seine geringe Dichte wird Aluminium gern dort verwendet, wo es auf die Masse
ankommt, die zum Beispiel bei Transportmitteln zum geringeren Treibstoffverbrauch
beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Auch im Fahrzeugbau gewann es aus diesem
Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtere
Schweißbarkeit sowie die problematische Dauerbruchfestigkeit und die
Verformungseigenschaften bei Unfällen im Wege.
Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter: Aluminium leitet Strom je Gramm Masse besser
als Kupfer, ist aber voluminöser als dieses, so dass Kupfer je Quadratzentimeter
Leitungsquerschnitt Strom besser leitet als Aluminium. Weil Kupfer reaktionsträger und die
Verarbeitung weniger problematisch als bei Aluminium ist, wird meistens Kupfer verwendet
und Aluminium nur, wenn es auf das Gewicht ankommt.
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Aluminium wird insbesondere dann als Leitermaterial für elektrischen Strom im Stromnetz
verwendet, wenn es sich um starre und dicke Leitungen handelt (Stromschienen, Erdkabel).
Hier bietet es Kostenvorteile gegenüber Kupfer.
Die Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der guten Verarbeitbarkeit und der guten
elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ein. Bonddrähte (Verbindungsdrähte
zwischen Chip und Gehäuseanschluss) bestehen insbesondere bei Leistungshalbleitern aus
Aluminium. Die Leiterbahnen integrierter Schaltkreise und von Leistungshalbleitern
bestehen oft ebenfalls aus Aluminium. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird
Aluminium als Werkstoff für Wärmeübertrager (Kühler), stranggepresste Kühlprofile und
wärmeableitende Grundplatten verwendet (bei höherwertigen Kühlern wird allerdings
wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit Kupfer eingesetzt). AluminiumElektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und
Gehäusewerkstoff. Aluminium wird zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern
verwendet.
In der Verpackungsindustrie wird Aluminium zu Getränke- und Konservendosen sowie zu
Aluminiumfolie verarbeitet. Dabei macht man sich die Eigenschaft der absoluten
Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff, Licht und anderen Umwelteinflüssen bei gleichzeitig
relativ geringem Gewicht zunutze, um Lebensmittel zu schützen. Dünne Folien werden in
Stärken von 6 Mikrometer hergestellt und dann zumeist in Verbundsystemen eingesetzt,
beispielsweise in Tetrapacks. Kuntstofffolien können durch Bedampfen mit Aluminium mit
einer dünnen Schicht versehen werden, welche dann eine hohe (aber nicht vollständige)
Barrierefunktion aufweist.
Aluminiumlegierungen:
Aluminiumlegierungen mit Cu, Mn, Mg und Si sowie mit Kombinationen dieser
Legierungsmetalle ergeben besondere Eigenschaften wie gute Umformbarkeit, höhere
Festigkeit oder Witterungsbeständigkeit.
Reines Aluminium wird nur dort verwendet, wo die gute elektrische Leitfähigkeit wichtig ist.
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Recycling
Aluminium ist ein Metall, dessen Eigenschaften auch nach seiner Nutzung in einem Produkt
nicht beeinträchtigt werden, so dass Aluminium beliebig oft ohne Qualitätsverlust
wiederverwertet werden kann. Der hohe Metallwert bleibt erhalten und bildet einen
ausreichenden wirtschaftlichen Anreiz, das Metall auch tatsächlich am Ende seiner
Nutzungsphase zu erfassen, aufzubereiten, zu schmelzen und erneut in gleicher bzw.
vergleichbarer Weise zu nutzen. Aluminium ist die Recycling-Effizienz demnach sehr gut,
denn es ist wesentlich schwieriger, Primär-Aluminium durch Aufschluss von Bauxit
(Aluminiumerz) und Synthese zu Aluminiumoxid mit anschließender Schmelzflusselektrolyse
zu gewinnen, als reines Aluminium einzuschmelzen (Schmelzpunkt 660 °C). Des Weiteren
wird bei der Aluminiumgewinnung aus Bauxit im erheblichen Maße elektrische Energie
benötigt, während beim Recycling (Einschmelzen) auch Primärenergieträger verwendet
werden können, womit die Effizienz des Prozesses weiter gesteigert wird. Insgesamt beträgt
der Energieverbrauch für Recycling-Aluminium nur 5 bis 10 % vom Wert für
Primäraluminium. Somit ist Aluminium-Recycling sowohl ökonomisch als auch ökologisch
sehr sinnvoll.
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