Historie av aluminium (ALI)

Aluminiums historie

Selv om aluminium er et svært sjeldent grunnstoff, unngikk dets eksistens i ren metallisk form menneskeheten i århundrer på grunn av kompleksiteten ved å utvinne det fra malm. Imidlertid har bruken av aluminiumforbindelser, som alun, blitt dokumentert så langt tilbake som på 500-tallet f.Kr., spesielt i fargingsprosesser. Aluns betydning i farging løftet den til en verdifull handelsvare vare i løpet av middelalderen. Det var ikke før renessansen at lærde begynte å mistenke alun inneholdt et ukjent element. Ved opplysningstiden bestemte de at dette elementet, alumina, var et oksid av et nytt metall. I 1825 introduserte den danske fysikeren Hans Christian Ørsted, etterfulgt av den tyske kjemikeren Friedrich Wöhler, verden formelt for aluminium.

Den første utfordringen med å raffinere aluminium gjorde det dyrere enn gull og derfor upraktisk for utbredt bruk. Denne høykostnadsbarrieren begynte å smuldre i 1856 med innovasjonen av den første industrielle produksjonsprosessen av den franske kjemikeren Henri Étienne Sainte-Claire Deville. Tilgjengelighet økte dramatisk med den uavhengige utviklingen av Hall–Héroult-prosessen i 1886 av den franske ingeniøren Paul Héroult og den amerikanske ingeniøren Charles Martin Hall, tett fulgt av Bayer-prosessen fra 1889, pioner av den østerrikske kjemikeren Carl Joseph Bayer. Disse banebrytende metodene revolusjonerte aluminiumsproduksjonen og forblir industristandarden i dag.

Evnen til å masseprodusere aluminium utløste potensialet, noe som førte til utbredt bruk på tvers av bransjer og hverdagsliv. Dens lette og korrosjonsbestandige egenskaper viste seg å være uvurderlige innen konstruksjon og konstruksjon, og sikret dens rolle som en kritisk ressurs i flyproduksjonen under første og andre verdenskrig. Følgelig opplevde den globale aluminiumsproduksjonen en eksplosiv vekst, og steg fra bare 6 800 tonn i 1900 til svimlende 2 810 000 tonn i 1954. Denne bølgen drev aluminium til å overgå kobber som verdens ledende ikke-jernholdige metall.

Den siste halvdelen av det 20. århundre var vitne til aluminiums utvidede bruk i transport- og emballasjesektoren. Imidlertid kom denne fremgangen til en kostnad, da miljøhensyn rundt aluminiumsproduksjon begynte å dukke opp. Følgelig fikk resirkulering av aluminium gjennomslag som en mer bærekraftig praksis. 1970-tallet markerte aluminiums inntog på råvaremarkedet, sammenfallende med et produksjonsskifte fra utviklede til utviklingsland. I 2010 var Kina blitt en dominerende aktør innen både produksjon og forbruk av aluminium. Global produksjon fortsatte sin oppadgående bane, og nådde 58 500 000 tonn i 2015, og sementerte aluminiums posisjon som den ubestridte lederen innen produksjon av ikke-jernholdige metaller.

Tidlig historie

Alun, en blanding av aluminium, har en lang og historie. Gamle sivilisasjoner, så tidlig som på 500-tallet f.Kr., anerkjente dens verdi. Den greske historikeren Herodot dokumenterte bruken av det som et beisemiddel i farging, et medisinsk stoff, et kjemisk fresemiddel og et brannhemmende belegg for tre, spesielt i forsterkende strukturer mot brannstiftelse. Mens bruken av alun var velkjent, forble aluminiummetall i seg selv uoppdaget.

Spennende forteller den romerske forfatteren Petronius i sitt verk Satyricon om et unikt glass presentert for keiseren. Bemerkelsesverdig spenstig ville glasset deformeres under støt i stedet for å knuses og kunne omformes med en hammer. I frykt for å devaluere gull, fikk keiseren ham henrettet, da han fikk vite om oppfinnerens eksklusive kunnskap, for å undertrykke oppdagelsen. Variasjoner av denne beretningen vises i verk av Plinius den eldste og Cassius Dio, selv om dens autentisitet er omdiskutert. Noen spekulerer i at dette spenstige glasset kan ha vært en tidlig form for aluminium. Ytterligere bevis tyder på at aluminiumslegeringer kan ha blitt produsert i Kina under Jin-dynastiet (266-420 e.Kr.).

Etter korstogene ble alun en betydelig handelsvare i internasjonal handel, spesielt viktig for den europeiske tekstilindustrien. Mens små alungruver opererte i det katolske Europa, forble Midtøsten den primære kilden, med handel som hovedsakelig skjedde over Middelhavet. Dette endret seg på midten av 1400-tallet da det osmanske riket økte eksportavgiftene på alun betydelig. Kort tid etter ble det oppdaget rikelige alunforekomster i Italia. Ved å utnytte denne oppdagelsen forbød pave Pius II all alunimport fra østen, og utnyttet overskuddet fra denne nye kilden til å finansiere en krig mot ottomanerne. Italiensk alun ble en hjørnestein i europeiske legemidler, men den pavelige regjeringens prispolitikk drev til slutt andre nasjoner til å søke sine egne kilder. Følgelig spredte storskala alunutvinning seg til andre europeiske regioner i løpet av 1500-tallet.

Den gåtefulle naturen til alun forvirret forskere ved begynnelsen av renessansen. Det var ikke før rundt 1530 at den sveitsiske legen Paracelsus skilte alun fra vitrioler (sulfater), og foreslo klassifiseringen som et jordsalt. I 1595 demonstrerte den tyske legen og kjemikeren Andreas Libavius ​​gjennom sine eksperimenter at alun, grønn vitriol og blåvitriol delte en felles syre, men skilte seg i sine jordiske bestanddeler. Han døpte den ukjente jorden funnet i alun "alumina". I 1702 postulerte den tyske kjemikeren Georg Ernst Stahl at alunens base delte likheter med kalk eller kritt, en misoppfatning som vedvarte i vitenskapelige kretser i det neste halve århundret. Friedrich Hoffmann, en tysk kjemiker, utfordret dette synet i 1722, og antydet at alunens base var en distinkt jord totalt. Denne forestillingen ble fremmet av den franske kjemikeren Étienne Geoffroy Saint-Hilaire i 1728, som, mens han feilaktig trodde at brenning av jorden ga silika, hevdet at alun oppsto fra samspillet mellom en ukjent jord med svovelsyre. Det tok til 1785 for den tyske kjemikeren og farmasøyten Johann Christian Wiegleb å rette opp Geoffroys feil, og demonstrerte at, i motsetning til rådende tro, kunne jorden av alun ikke syntetiseres fra silika og alkalier. I tillegg til denne voksende kunnskapen beviste den franske kjemikeren Jean Gello i 1739 den identiske naturen til jorden som er tilstede i leire og jorden produsert ved reaksjonen av et alkali med alun. For ytterligere å sementere særpreget til aluns base, demonstrerte den tyske kjemikeren Johann Heinrich Pott i 1746 at bunnfallet som ble resultatet av tilsetningen av en alkali til en alunløsning skilte seg fra både kalk og kritt.

Et gjennombrudd kom i 1754 da den tyske kjemikeren Andreas Sigismund Marggraf vellykket syntetiserte jorden av alun. Metoden hans innebar å koke leire i svovelsyre og introdusere kaliumklorid. Han observerte at tilsetning av brus, kalium eller annen alkali til en løsning av denne nylig syntetiserte jorden i svovelsyre resulterte i dannelsen av alun. Marggraf, som observerte dens løselighet i syrer etter tørking, karakteriserte denne jorden som alkalisk. Arbeidet hans utvidet seg også til å beskrive saltene på denne jorden, inkludert klorid, nitrat og acetat. I 1758 tegnet den franske kjemikeren Pierre Macquer en sammenligning mellom alumina og metalliske jordarter, et syn gjentatt av hans landsmann, kjemikeren Théodore Baron d'Hénouville, i 1760, som uttrykte tillit til aluminas identitet som en metallisk jord.

Den svenske kjemikeren Torbern Bergman fremmet i 1767 forståelsen av alun ved å syntetisere det gjennom to forskjellige metoder: koking av alunitt i svovelsyre og tilsetning av kalium i løsningen, og omsetning av kaliumsulfater med jord av alun. Gjennom disse eksperimentene etablerte han alunens identitet som et dobbeltsalt. I tillegg til den økende klarheten demonstrerte den svenske tyske farmasøytiske kjemikeren Carl Wilhelm Scheele i 1776 at både alun og silika delte sin opprinnelse i leire og at alun var blottet for silisium. I 1782 klassifiserte den anerkjente franske kjemikeren Antoine Lavoisier alumina som et oksid av et metall, og foreslo at dets affinitet for oksygen var så kraftig at ingen kjente reduksjonsmidler kunne bryte bindingen.

I 1815 la den svenske kjemikeren Jöns Jacob Berzelius frem formelen AlO3 for alumina. Imidlertid var det den tyske kjemikeren Eilhard Mitscherlich som i 1821 etablerte den riktige formelen som Al2O3. Denne korreksjonen viste seg å være medvirkende til Berzelius' påfølgende bestemmelse av metallets nøyaktige atomvekt: 27.

Industriell produksjon

I 1854, ved Paris Academy of Sciences, avduket den franske kjemikeren Henri Étienne Sainte-Claire Deville en banebrytende industriell metode for å produsere aluminium. Prosessen hans innebar reduksjon av aluminiumklorid ved bruk av natrium, et mer praktisk og kostnadseffektivt alternativ til kalium brukt av Wöhler. Denne innovasjonen gjorde det mulig for Deville å lykkes med å lage en blokk av metallet. Intrigert av dens potensielle militære anvendelser, lovet Napoleon III betydelig økonomisk støtte til Devilles forskning, i håp om å utstyre den franske hæren med lette og spenstige våpen, hjelmer, rustninger og annet utstyr laget av dette nye og skinnende metallet. Selv om den ennå ikke var klar for offentlig visning, var aluminiums lokke slik at Napoleon sies å ha vært vertskap for en bankett hvor ærede gjester spiste middag med aluminiumsredskaper, et privilegium som ble nektet andre som måtte nøye seg med gull.

Exposition Universelle i 1855 markerte den første offentlige utstillingen av tolv små aluminiumsblokker. Metallet ble kalt "sølvet fra leire" på grunn av dets slående likhet med sølv, og vakte betydelig interesse og utløste utbredte spekulasjoner om dets potensielle bruksområder innen kunst, musikk, medisin, kulinarisk kunst og servise. Avantgarde-forfattere fra tiden, inkludert Charles Dickens, Nikolay Chernyshevsky og Jules Verne, så for seg en fremtid formet av aluminium. Mottakelsen var imidlertid ikke uten kritikere. Noen aviser avfeide den innledende hypen, og hevdet at den utstilte mengden, bare en kilogram, ikke svarte til forventningene og sår tvil om metallets revolusjonerende virkning. Til tross for denne skepsisen, banet utstillingen til slutt vei for aluminiums kommersialisering. Det året kom den inn på markedet priset til 300 franc per kilo. Ved den påfølgende Paris-messen i 1867 ble aluminiumtråd, folie og en ny legering – aluminiumsbronse – utstilt, som viste frem metallets allsidighet og økonomiske produksjonskostnader, imponerende korrosjonsbestandighet og ønskelige mekaniske egenskaper.

Tidlige forsøk på å produsere aluminium kommersielt ble hemmet av flere faktorer. Produsenter var nølende med å lede ressurser bort fra etablerte metaller som jern og bronse, og foretrakk å fokusere på disse kjente og lett salgbare materialene. Dessuten var aluminiumet som ble produsert på dette tidspunktet ofte urent, dets egenskaper varierte betydelig mellom partiene. Denne inkonsekvensen skapte motvilje i industrien til å omfavne det nye metallet.

Til tross for disse utfordringene etablerte Deville og hans partnere verdens første industrielle aluminiumproduksjonsanlegg i Rouen i 1856. Dette smelteverket ble deretter flyttet flere ganger, og slo seg til slutt ned i Salindres. I 1858 hadde Deville foredlet prosessen ved å bruke bauxitt som den primære kilden til alumina. Senere solgte han sine aluminiumsinteresser til Henri Merles Compagnie d'Alais et de la Camargue, et selskap som skulle fortsette å dominere det franske aluminiumsmarkedet i flere tiår.

Mens Devilles prosess representerte et betydelig fremskritt, var det ikke uten begrensninger. Produksjonen forble relativt lav, og nådde bare 1,8 tonn innen 1872. Etterspørselen etter aluminium var også begrenset, og metallet ble ofte sammenlignet med sølv og først og fremst brukt til dekorative gjenstander og smykker.

Gjennom 1880-tallet dukket det opp nye produksjonssteder, som hver forsøkte å foredle prosessen og forbedre renheten til aluminiumet som ble produsert. Den britiske ingeniøren James Fern Webster oppnådde bemerkelsesverdig suksess i 1882, og metoden hans produserte betydelig renere aluminium enn Devilles. I Amerika strømlinjeformet William Frishmuth produksjonen, og kombinerte produksjonen av natrium, alumina og aluminium til en enkelt prosess, mens Hamilton Castners innovasjoner innen natriumproduksjon reduserte kostnadene for aluminium betydelig. Til tross for disse fremskritt, forble den utbredte bruken av aluminium unnvikende, hindret av høye produksjonskostnader og begrensede industrielle anvendelser.

Aluminiums massebruk

Den synkende prisen på aluminium på slutten av 1800-tallet førte til utbredt bruk i en rekke dagligdagse gjenstander, fra smykker og brilleinnfatninger til optiske instrumenter. På slutten av 1800- og begynnelsen av 1900-tallet var det en økning i bruken av aluminium. Kokekar laget av dette lette metallet begynte å erstatte tradisjonelle kobber- og støpejernsgryter og panner på begynnelsen av 1900-tallet, sammenfallende med økningen i popularitet til aluminiumsfolie. Metallurger oppdaget at legering av aluminium med andre metaller forbedret styrken uten å gå på akkord med den lave vekten. Dette førte til utviklingen av legeringer som aluminiumbronse, brukt mye i skipsbygging og luftfart for sin fleksibilitet og styrke. Oppfinnelsen av duralumin i 1903 fremmet bruken av aluminium i luftfarten ytterligere, spesielt i konstruksjonen av Wright Flyers motor.

Ved begynnelsen av det 20. århundre så fremveksten av resirkulering av aluminium, en praksis som raskt fikk gjennomslag. Aluminiums evne til å resirkuleres gjentatte ganger uten nedbrytning gjorde det til en ideell kandidat for denne prosessen. I utgangspunktet var det kun aluminium som ikke hadde nådd forbrukerne som ble resirkulert. Imidlertid eskalerte utbruddet av første verdenskrig dramatisk etterspørselen etter aluminium, spesielt for lette, men robuste flykomponenter. Regjeringer over hele verden investerte tungt i aluminiumsproduksjon, subsidiering av fabrikker og styrking av elektriske nett for å møte den økende etterspørselen. Den globale produksjonen steg fra beskjedne 6800 tonn i 1900 til over 100 000 tonn innen 1916. Denne økningen klarte imidlertid ikke å holde tritt med krav fra krigstid, noe som førte til en betydelig økning i resirkulering av aluminium.

Etterkrigsårene var vitne til et fall i aluminiumsproduksjonen, etterfulgt av en periode med rask vekst. Den reelle prisen på aluminium falt jevnt gjennom første halvdel av det 20. århundre, og stupte fra 14 000 dollar per tonn i 1900 til 2 340 dollar i 1948, med unntak av en kraftig økning under første verdenskrig. Denne rimeligheten, kombinert med dens overflod, førte til til bruk i ulike applikasjoner. Tyskland, som kjempet med hyperinflasjon i 1919, begynte å erstatte sine sølvmynter med aluminiumsmotstykker. Ved midten av 1900-tallet hadde aluminium blitt allestedsnærværende, godt etablert som en stift i husholdninger over hele verden.

1930-tallet markerte et vendepunkt for aluminium da det kom inn i sivilingeniørområdet, brukt i både strukturelle og interiørapplikasjoner. Samtidig utvidet bruken i militærteknikk, spesielt i fly- og tankmotorer. Transportindustrien dro fordel av aluminiums lette egenskaper med introduksjonen av aluminiumsgodsvogner i 1931, noe som muliggjorde større lastekapasitet.

Til tross for veksten av resirkulering, forble primæraluminium overlegent på grunn av utfordringer med å opprettholde konsistent kjemi og effektivt fjerne urenheter under resirkuleringsprosessen. Faktorer som fluktuerende energipriser påvirket også gjenvinningsgraden. For eksempel, da energiprisene i USA falt på slutten av 1930-tallet, ble produksjon av primæraluminium ved hjelp av den energikrevende Hall-Héroult-prosessen mer økonomisk levedyktig, noe som førte til en nedgang i aluminiumsgjenvinning. Likevel, i 1940, var masseresirkulering av post-forbruker-aluminium blitt en realitet.

Den andre verdenskrigen så en økning i aluminiumsproduksjonen, og oversteg én million tonn for første gang i 1941. Bruken av den i flyproduksjon gjorde den til en viktig strategisk ressurs. Betydningen av aluminium var slik at da Alcoa, den dominerende kraften i amerikansk aluminiumproduksjon på den tiden, nølte med å øke produksjonen, erklærte den amerikanske innenriksministeren berømt i 1941, "Hvis Amerika taper krigen, kan det takke Aluminium Corporation av Amerika". Tyskland, den ledende aluminiumsprodusenten i 1939, så på denne fordelen som sentral for deres krigsinnsats. Opprinnelig symbolsk for tilbakegang, hadde aluminiumsmynter i 1939 blitt en representasjon av makt. Imidlertid så de i 1941 tilbaketrekning fra sirkulasjon for å bevare metallet til militære formål. Etter sin inntreden i krigen i 1940 satte Storbritannia i gang et stort resirkuleringsprogram for aluminium, hvor ministeren for flyproduksjon oppfordret publikum til å bidra med tilgjengelig husholdningsaluminium for flykonstruksjon. Sovjetunionen, mellom 1941 og 1945, mottok 328 100 tonn aluminium fra sine allierte, avgjørende for deres fly- og tankmotorproduksjon. Det anslås at uten disse forsyningene ville den sovjetiske flyproduksjonen ha blitt halvert.

Selv om den globale produksjonen falt i en kort periode etter krigen, gjenopptok den snart sin raske stigning. I 1954 nådde verdensproduksjonen 2.810.000 tonn, overskredet kobber og etablerte aluminium som det mest produserte ikke-jernholdige metallet, nest etter jern i den totale metallproduksjonen.

Aluminiumsalderen

Oppskytingen av jordens første kunstige satellitt i 1957, konstruert av to sammenkoblede aluminiumhalvkuler, markerte begynnelsen på aluminiums omfattende bruk i romfartøy. Interessant nok, aluminiumsboksen, først produsert i 1956, fant sin første anvendelse som en drikkevarebeholder i 1958. På 1960-tallet ble aluminium brukt i produksjonen av ledninger og kabler. Fra 1970-tallet og utover gjorde dets høye styrke-til-vekt-forhold det til et populært valg i konstruksjonen av høyhastighetstog og bidro til dens økende tilstedeværelse i bilindustrien.

I 1955 var det globale aluminiumsmarkedet dominert av seks store aktører: Alcoa, Alcan (som kom fra Alcoa), Reynolds, Kaiser, Pechiney (en sammenslåing av Compagnie d'Alais et de la Camargue, som kjøpte Devilles smelteverk, og Société électrométallurgique française, som ansatte Héroult), og Alusuisse (etterfølger til Héroults Aluminium Industrie Aktien Gesellschaft). Disse selskapene hadde til sammen en markedsandel på 86 %. I nesten tre tiår etter 1945 opplevde aluminiumsforbruket en nesten konstant 10% årlig vekst, drevet av dets økende bruk i bygningsapplikasjoner, elektriske kabler, basisfolier og flyindustrien. Fremkomsten av drikkebokser av aluminium på begynnelsen av 1970-tallet drev denne veksten ytterligere. Denne økningen i produksjonen, kombinert med teknologiske fremskritt og reduserte utvinnings- og prosesseringskostnader, bidro til en nedgang i den reelle prisen på aluminium frem til begynnelsen av 1970-tallet. I 1973 hadde den reelle prisen falt til 2130 dollar per tonn (i 1998 amerikanske dollar). Den globale aluminiumsproduksjonen passerte 10 000 000 tonn for første gang i 1971.

På slutten av 1960-tallet begynte regjeringer å anerkjenne miljøpåvirkningen av industriavfall. Forskrifter ble implementert for å oppmuntre til resirkulering og avfallshåndtering. Söderberg-anoder var kostnadseffektive i form av kapital og arbeidskraft for anodebaking, men var miljøskadelige på grunn av utfordringene med å fange og kvitte seg med bakerøyk. Følgelig falt disse i unåde, og industrien gikk tilbake til ferdigbakte anoder. I et forsøk på å forhindre potensielle restriksjoner på aluminiumsbokser, begynte aluminiumsindustrien å fremme resirkulering. Dette ansporet til resirkulering av post-consumer aluminium. I USA økte for eksempel gjenvinningsgraden for denne typen aluminium 3,5 ganger fra 1970 til 1980, og ytterligere 7,5 ganger innen 1990. Økende produksjonskostnader for primæraluminium på 1970- og 1980-tallet bidro også til veksten av resirkulering av aluminium . I tillegg har fremskritt innen komposisjonskontroll og raffineringsteknologi redusert kvalitetsgapet mellom primær- og sekundæraluminium.

På 1970-tallet ble aluminium en handelsvare på grunn av økt etterspørsel. Det ble notert på London Metal Exchange, verdens eldste industrielle metallbørs, i 1978. Fra det tidspunktet har aluminium blitt omsatt i amerikanske dollar, med prisen svingende sammen med valutakursene. Flere faktorer, inkludert behovet for å utnytte forekomster av lavere kvalitet, eskalerende energi- og bauksittkostnader, valutasvingninger og klimagassreguleringer, bidro til en økning i nettokostnaden for aluminium. Følgelig økte den reelle prisen på aluminium utover 1970-tallet.

Den stigende realprisen på aluminium, kombinert med endringer i tariffer og avgifter, førte til et skifte i globale produksjonsandeler. I 1972 sto USA, Sovjetunionen og Japan til sammen for nesten 60 % av den globale primærproduksjonen og en tilsvarende andel av forbruket av primæraluminium. Innen 2012 hadde imidlertid deres samlede andel sunket til litt over 10 %. Dette produksjonsskiftet, som begynte på 1970-tallet, førte til at produksjonen ble flyttet fra USA, Japan og Vest-Europa til regioner som Australia, Canada, Midtøsten, Russland og Kina. Disse regionene tilbød lavere produksjonskostnader på grunn av billigere strømpriser og gunstig regjeringspolitikk, inkludert skattelettelser og subsidier. Teknologiske fremskritt, lavere energi- og aluminapriser og en sterk amerikansk dollar bidro til en nedgang i produksjonskostnadene på 1980- og 1990-tallet.

I begynnelsen av det 21. århundre så den samlede andelen av BRIC-nasjonene (Brasil, Russland, India og Kina) i primærproduksjonen økt fra 32,6 % til 56,5 %, og deres andel av primærforbruket økte fra 21,4 % til 47,8 %. Spesielt Kina samlet en betydelig del av den globale produksjonen på grunn av rikelige ressurser, billig energi og statlige insentiver. Landets andel av forbruket skjøt også i været fra bare 2 % i 1972 til svimlende 40 % i 2010. Det eneste andre landet som hadde en tosifret prosentandel var USA på 11 %, og ingen andre land oversteg 5 %. Transport, engineering, konstruksjon og emballasje var hovedsektorene for aluminiumforbruk i USA, Vest-Europa og Japan.

Eskalerende priser på energi, alumina og karbon (brukt i anoder) utøvde et oppadgående press på produksjonskostnadene på midten av 2000-tallet. Dette ble forsterket av endringer i valutakursene, spesielt svekkelsen av den amerikanske dollaren og styrkingen av den kinesiske yuanen. Sistnevnte ble stadig viktigere ettersom en stor andel kinesisk aluminium var relativt billig.

Til tross for dette kostnadspresset, fortsatte den globale aluminiumproduksjonen sin oppovergående bane, og nådde rekordhøye 63 600 000 tonn i 2018 før den opplevde en liten nedgang i 2019. Aluminiumproduksjonen overgår nå den for alle andre ikke-jernholdige metaller til sammen. I 2019 var den reelle prisen på aluminium (i 1998 amerikanske dollar) på 1400 dollar per metrisk tonn, som tilsvarer 2190 dollar per tonn i dagens valuta.