تولید و مصرف آلومینیوم و کاربردهای آن

چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز پس از آهن می باشد. این فلز بعد از اکسیژن و سیلیسیم سومین عنصر فراوان در پوسته زمین محسوب شده، قابل بازیافت و ذخیره سازی انرژی بالایی دارد. همه این عوامل سبب شده تا آلومینیوم در 30 سال گذشته بیشترین رشد مصرف را در میان تمامی فلزات به خود اختصاص داده و پیش بینی می گردد که در 30 سال آینده نیز این روند ادامه یابد.

آلومینیوم از اکسید آلومینیوم یا آلومینا تولید شده و آلومینا نیز از بوکسیت آلومینیوم تهیه می شود. به طور معمول، تولید هر تن آلومینیوم نیازمند 2 تن آلومینا بوده و هر تن آلومینا با استفاده از 2 تا 3 تن بوکسیت تولید می گردد.
امروزه ذخایر بوکسیت جهان در حدود 60 میلیارد تن برآورد می شود که کشور گینه با داشتن بیش از 40 میلیارد تن ذخایر کشف شده بوکسیت، حدود دو سوم ذخایر جهانی این ماده را در اختیار دارد.

کاربردهای آلومینیوم

آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما آلیاژهای آن با عناصری مانند مس، منیزیوم، منگنز، سیلیکون و … دارای خواص مفیدی هستند. این آلیاژها کاربرد فراوانی در صنایع گوناگون دارند که در ادامه شرح برخی از مهمترین آنها آورده شده است.

•  صنعت خودرو

استفاده از آلومینیوم در بدنه خودرو به طور میانگین موجب کاهش 10 درصدی وزن خودرو و 7 درصدی مصرف سوخت و آلودگی های ناشی از آن می شود. در گذشته از آلومینیوم برای ساخت قسمت هایی همچون چرخ ها و قطعات موتور استفاده می شد. اما امروزه گرچه، این استفاده همچنان مهمترین مورد مصرف آلومینیوم است، ولی در سال های اخیر استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در تولید بدنه خودرو نیز رشد قابل توجهی پیدا نموده است.

صنعت خودروسازی امریکای شمالی به دلیل تمایل به کاهش مصرف سوخت به استفاده از آلومینیوم روی آورده است. شرکت های خودروسازی این کشور در نظر دارند تا به کارگیری آلومینیوم را در ساخت قطعات و مجموعه های بدنه خودروهای سبک خود توسعه دهند. این امر موجب افزایشی چشمگیر در تقاضای آلومینیوم این صنعت تا سال 2025 خواهد شد. پیش بینی می شود که تا سال 2025 بدنه حدود 18 درصد از خودروهای تولید شده، به طور کامل از آلومینیوم ساخته شوند.

درحال حاضر برای ساخت یک خودرو در ایران، حدود 100 کیلوگرم آلومینیوم و 500 تا 700 کیلوگرم فولاد استفاده می شود، که براساس برنامه ریزی های صورت گرفته به زودی شاهد افزایش سهم آلومینیوم در این صنعت خواهیم بود. لازم به ذکر است، هرچند استفاده از آلومینیوم به کاهش وزن خودرو منجر می شود، اما قیمت بالاتر آلومینیوم نسبت به فولاد، در نهایت باعث افزایش قیمت تمام شده خودرو خواهد شد. لذا تقاضا برای فولاد برای ساخت خودرو همچنان وجود خواهد داشت.

•  صنعت کشتی سازی

سبکی و مقاومت به خوردگی آلومینیوم موجب شده تا این فلز کاربرد فراوانی در صنعت کشتی سازی و به خصوص در ساخت قایق های تندرو داشته باشد.

•  صنعت واگن سازی

آلومینیوم در این صنعت مصارف متنوع و گوناگونی دارد که می توان به ساخت انواع واگن و لکوموتیوها برای قطارهای عادی و سریع السیر اشاره نمود. همچنین ریل هایی از جنس آلومینیوم در این صنعت کاربردی روز افزون یافته اند.

•  صنعت هوافضا

آلیاژهای آلومینیوم به سبب مقاومت بالا در برابر کشش به نسبت وزن کم آن، استفاده زیادی در ساخت هواپیماهای  تجاری و نظامی داشته و 55 تا 81 درصد از کل وزن هواپیما را تشکیل می دهد. البته هواپیماهای تجاری به نسبت هواپیماهای نظامی بیشتر از آلیاژهای آلومینیوم  استفاده می نمایند، که علت آن احتیاج هواپیماهای نظامی به استفاده از مواد مستحکم تری مانند تیتانیوم است.

•  صنعت ساختمان

وزن پایین، شکل پذیری مناسب، مقاومت بالا در برابر خوردگی، هزینه نگهداری کم، عمر طولانی و عدم نیاز به رنگ آمیزی موجب شده تا آلیاژهای آلومینیوم کاربرد فراوانی در صنایع ساختمانی داشته باشند. ایالات متحده بزرگترین مصرف کننده آلومینیوم در ساختمان سازی است.

•  صنعت برق

رساناهای ساخته شده از آلیاژهای آلومینیوم کمتر از نصف رساناهای مسی وزن دارند. این امر موجب شده تا آلومینیوم، با هدایت الکتریکی حدود 60 درصد مس، کاربرد وسیعی در صنعت برق داشته باشد. یکی از این کاربردها، استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در ساخت دکل های انتقال برق فشار قوی است.

آلومینیوم همچنین پتانسیل لازم جهت استفاده در ساخت رساناهای با قدرت بالا را داراست. این نوع از رساناها، مواد یا آلیاژهایی هستند که مقاومتی در برابر جریان برق نداشته و آن را بدون اتلاف انرژی و به سرعت منتقل می نمایند.

•  صنعت لوازم خانگی

طی 15 سال اخیر، استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در ساخت کالاهای مصرفی بادوام از جمله یخچال، ماشین های لباس شویی و ظرف شویی و سایر لوازم خانگی حدود 2 برابر شده است که این امر صنعت لوازم خانگی را یکی از زمینه های پرکاربر برای آلیاژهای آلومینیوم نموده است.

•  صنعت بسته بندی

حدود 90 درصد ظروف و قوطی ها در صنعت بسته بندی با استفاده از آلومینیوم ساخته می شوند. صنعت بسته بندی دومین مشتری آلومینیوم پس از صنعت حمل و نقل است.

•  صنعت مهمات سازی

از آلومینیوم به مقدار اندک در ساخت مهمات و به منظور افزایش کارآیی در ساخت تفنگ ها استفاده می شود. در برخی موارد نیز در تولید کلت های کمری نیروهای پلیس به کار می رود.

•  صنعت فولادسازی

آلومینیوم در فرایندهای تولید فولاد و به منظور پالایش آن و نیز بهبود خواص مکانیکی به کار برده می شود. از دیگر مصاوف مهم آلومینیوم در صنعت فولاد سازی، استفاده از آن به عنوان محافظ ورقه فولادی جهت جلوگیری از زنگ زدگی آن است. ترکیب این محافظ شامل 55 درصد آلومینیوم، 43.5 درصد روی و 1.5 درصد سیلیسیم است. فولادهای دارای این نوع پوشش در صنعت حمل و نقل از جمله خودروسازی دارای کاربرد فراوان هستند.

تولید آلومینیوم در جهان

حجم و ظرفیت تولید جهانی آلومینیوم در سال 2014 به ترتیب حدود 49.3 و 63.7 میلیون تن برآورده شده که نسبت به سال 2013 با حجم و ظرفیت تولید حدود 47.6 و 62.9 میلیون تن، نشان از اقبال بازار، بهبود مصرف، جذابیت تولید و افزایش میزان استفاده از ظرفیت های موجود در جهان دارد.

اما سهم مناطق مختلف جهان در تولید این فلز متفاوت است. همان طوری که از جدول ذیل قابل ملاحظه است، قاره آسیا با فاصله زیاد بیشترین سهم را در تولید جهانی آلومینیوم دارد، به گونه ای که حجم تولید آن از مجموع میزان تولیدات قاره های دیگر بیشتر است.

این میزان تولید جهانی توسط 220 کارخانه با ظرفیت اسمی 55.04 میلیون تن صورت گرفته است که چین با 107 کارخانه و ظرفیت 31 میلیون تن، 45 درصد ظرفیت جهانی و 34 درصد تولید جهانی این فلز را در اختیار دارد. پس از آن روسیه با 13 کارخانه و ظرفیت 4.34 میلیون تن، حدود 7.8 درصد ظرفیت جهانی و ایالات متحده امریکا با 14 کارخانه و برخورداری از ظرفیت 4 میلیون تن، 5.6 درصد از ظرفیت جهانی را به خود اختصاص داده اند. کشورهای کانادا با ظرفیت 3.06 میلیون تن و استرالیا با ظرفیت 2.58 میلیون تن در مکان های بعدی قرار دارند.

طبق آخرین آمار، چهار شرکت روسال در روسیه، آلکوا در آمریکا، ریوتینتو در کانادا و هیدرو آلومینیوم در نروژ با ظرفیت 15.4 میلیون تن، 27 درصد از ظرفیت تولید آلومینیوم اولیه جهان را در اختیار دارند و جزو بزرگان صنعت آلومینیوم جهان محسوب می شوند.

روسیه و کانادا به دلیل برخورداری از انرژی آبی ارزان و استرالیا به عنوان دارنده بزرگترین ذخایر بوکسیت کشف شده، به عنوان تولیدکنندگان عمده شمش آلومینیوم در جهان شناخته می شوند. به واسطه افزایش قیمت انرژی، کارخانه های تولید آلومینیوم به کشورهایی با انرژی ارزان تر منتقل شده اند.

تولید آلومینیوم در خاورمیانه

•  عربستان سعودی طرح توسعه ظرفیت تولید آلومینیوم خود تا 10 میلیون تن در سال را در دست اجرا دارد.
•  امارات متحد عربی با تولید سالانه 1.8 میلیون تن آلومینیوم، در حال حاضر جایگاه ششم جهانی را داراست و طرحی جهت افزایش ظرفیت خود به 4 و سپس 10 میلیون تن در دست اجرا دارد.
•  قطر هم اکنون بیش از 600 هزار تن آلومینیوم تولید می نماید و البته با سرعت در حال افزایش ظرفیت تولید است.
•  بحرین 890 هزار تن آلومینیوم در سال تولید می نماید.
•  عمان 360 هزار تن آلومینیوم در سال تولید می کند.
•  همسایگان شمالی ایران از جمله روسیه، اکراین، قزاقستان، تاجیکستان و آذربایجان تمامی در باشگاه جهانی تولید کنندگان آلومینیوم حضور دارند.
•  ترکیه در حال حاضر سالانه حدود 60 هزار تن آلومینیوم تولید می نماید.

به دلیل وجود منابع غنی از گاز طبیعی با قیمت مناسب در کشورهای حاشیه خلیج فارس، پیش بینی می شود که ظرف 10 سال آینده، حدود 40 درصد از آلومینیوم جهان در این منطقه تولید شود.

تولید آلومینیوم در ایران

کشور ایران جزو اولین تولیدکنندگان شمش آلومینیم در خاورمیانه است. تولید ایران از سال 1351 با تاسیس کارخانه آلومینیوم اراک-ایرالکو آغاز گردید و پس از آن کارخانه های آلومینیوم المهدی و هرمزال به مجموعه تولید آلومینیوم ایران اضافه شدند. ایران در سال 1972 بالغ بر 30 درصد تولید منطقه را در اختیار داشت. این سهم در سال 1993 به 16 درصد و در سال 2005 به 11 درصد کاهش یافت.

هم اکنون ایران با ظرفیت اسمی سالانه ای در حدود 457 هزار تن، در مکان هجدهم جهان از نظر ظرفیت تولید آلومینیوم قرار دارد که این مقدار توسط 3 کارخانه المهدی با ظرفیت 110 هزار تن، ایرالکو با ظرفیت 175 هزار تن و هرمزآل با ظرفیت 147 هزار تن صورت می پذیرد.

ایران در سال 1393 با رقم 350 هزار تن آلومینیوم، 0.7 درصد از آلومینیوم جهانی را تولید نموده است.

تولید آلومینیوم در ایران طی سال های 1384 تا 1392

براساس برنامه ریزی های انجام شده، با اجرای طرح های آلومینیوم جنوب در لامرد، آلومینیوم کاوه در خوزستان، آلومینیوم جاجرم در خراسان شمالی، فاز سوم آلومینیوم المهدی در بندرعباس و توسعه ایرالکو در اراک، در سال های آینده ظرفیت تولید آلومینیوم ایران به یک میلیون تن خواهد رسید.

همچنین با اجرای طرح های آلومینای خلیج فارس در عسلویه، معدن بوکسیت در گینه و تولید آلومینا از نفلین سینیت سراب در آذربایجان شرقی، ظرفیت تولید آلومینای کشور به دو میلیون تن افزایش خواهد یافت.

مطابق سند چشم انداز، ایران می بایست تا سال 1404 به ظرفیت و تولید سالانه 1.5 میلیون تن شمش آلومینیوم دست یابد، که در این صورت و با فرض ثبات ظرفیت تولید کشورهای دیگر، با عبور از کشور عمان به مکان 17 جهانی دست خواهد یافت.

مصرف آلومینیوم در جهان

سرانه مصرف آلومینیوم ایران در سال 2014 حدود 4.5 کیلوگرم اعلام شده است که در مقایسه با رقم 6.5 کیلوگرمی سرانه جهانه مصرف آلومینیوم، کاهشی 30 درصدی را نشان می دهد. پیش بینی می شود سرانه مصرف آلومینیوم در جهان ظرف 20 سال آینده به 10 کیلوگرم افزایش یابد. بیشترین میزان سرانه مصرف آلومینیوم مربوط به کشورهای کانادا و امریکا بوده که به ترتیب 27 و 23 کیلوگرم می باشد.

مصرف جهانی آلومینیوم از سال 2009 تا سال 2014

میزان مصرف آلومینیوم در بخش های مختلف اقتصادی طی سال 2011 در جدول ذیل آورده شده است. همان گونه که مشخص است دو بخش حمل و نقل و ساختمان به اتفاق حدود نیمی از مصرف جهانی آلومینیوم را تشکیل می دهند.

سهم بخش های مختلف اقتصاد از مصرف جهانی آلومینیوم در سال 2011

تقاضای جهانی آلومینیوم

در سال 2005 حدود 31.6 میلیون تن آلومینیوم در جهان به مصرف رسیده است که 26 درصد آن متعلق به اروپا، 22 درصد مربوط به چین و 21 درصد به امریکا و کانادا اختصاص دارد.

در سال 2010، از مجموع 40.4 میلیون تن مصرف جهانی آلومینیوم، کشور چین با 41 درصد، هند با 18 درصد و منطقه خاور میانه با 15 درصد بیشترین میزان مصرف را داشته اند. در سال 2015، چین حدود نیمی از مصرف 53 میلیون تنی آلومینیوم جهان را به خود اختصاص داد. پیش بینی می گردد که در سال 2020 مصرف جهانی آلومینیوم به 67 میلیون تن و سهم چین به 55 درصد افزایش یابد. پس از چین، بیشترین نرخ رشد مصرف و تقاضا متعلق به کشور هند است.

چالش های صنعت آلومینیوم در ایران

تامین مواد اولیه

بوکسیت عمده ترین منبع تولید آلومینا در دنیاست که بیش از ۹۸ درصد آلومینیوم جهان از آن تولید می شود. در ایران نخستین بار در سال 1958 و در ناحیه بلبلوئیه استان کرمان، بوکسیت گزارش شده است. پس از آن و در ادامه مطالعات زمین شناسی، ذخایری از بوکسیت در ایران کشف شد.

امروزه ایران با نزدیک به ۴۰ میلیون تن ذخایر بوکسیت کشف شده، حدود 0.1 درصد از ذخایر جهان را دارا است. میزان ذخایر قابل بهره برداری بزرگترین معدن بوکسیت ایران واقع در جاجرم، کمتر از ۲۰ میلیون تن برآورد شده است. این در حالی است که برای تولید هر کیلوگرم آلومینیوم به ۴ کیلوگرم بوکسیت احتیاج است.

علاوه بر بوکسیت، کانى های غنى از آلومینیوم دیگری نیز مانند آلونیت و نفلینسینیت نیز وجود دارند که برخى از کشورها به منظور تولید آلومینیوم از آنها استفاده مى نمایند. ذخایری به میزان ده ها میلیارد تن از این کانسارها در مناطق طارم، قزوین، منجیل و اهر وجود دارد که انتقال فن آوری های مربوطه و تولید آلومینیوم از این ذخایر می تواند علاوه بر تامین نیازهای داخلى، زمینه صادرات این فلز و مصنوعات حاصل از آن را نیز فراهم آورد.

تامین برق پایدار

واحدهای آلومینیوم سازی باید نیروگاه‌هایی جهت تامین برق در کنار خطوط تولید داشته باشند. عدم توجه به تامین برق پایدار می تواند مشکلاتی را برای این صنعت به وجود آورد. نکته قابل توجه این است که برق در صنعت آلومینیوم به عنوان ماده اولیه و خوراک استفاده می شود و صرفا حامل انرژی و عامل مصرف نیست.

برآوردهای انجام شده از سهم حدود 30 درصدی هزینه برق در هزینه های تولید آلومینیوم حکایت دارد. میزان مصرف برق در پیشرفته ترین فن آوری تولید آلومینیوم ۱۱ کیلو وات بر ساعت است که ۴ کیلو وات بر ساعت از میانگین کنونی جهانی برق مصرفی جهت تولید یک کیلو آلومینیوم کمتر است.

این در حالی است که برآوردهای انجام شده از سهم حدود 20 درصدی هزینه برق در هزینه های تولید آلومینیوم در ایران حکایت دارد.  مقدار برق مصرفی برای تولید یک کیلو آلومینیوم در ایران حدود ۱۷ کیلو وات بر ساعت بوده که این میزان حدود ۳ کیلو وات بر ساعت از میانگین جهانی بیشتر است، لذا احداث کارخانه آلومینیوم با فن آوری جدید و تامین برق مورد نیاز با راندمان بالا ضروری است.

پژوهش های انجام شده نشان می دهد که در صورت استفاده از فن آوری های نوین تولید آلومینیوم در کنار گاز طبیعی به عنوان منبع انرژی قابل دسترسی و ارزان قیمت، می توان به ازای هر 9 هزار فوت مکعب گاز طبیعی، یک تن آلومینیوم تولید نمود.