Aluminium (ALI) Historia

Aluminium Historia

Även om aluminium är ett mycket sällsynt grundämne, undgick dess existens i ren metallisk form mänskligheten i århundraden på grund av komplexiteten att utvinna det från malm. Användningen av aluminiumföreningar, som alun, har dock dokumenterats så långt tillbaka som på 500-talet f.Kr., särskilt i färgningsprocesser. Aluns betydelse för färgning upphöjde den till en värdefull handelsvara vara under medeltiden. Det var inte förrän renässansen som forskare började misstänka att alun innehöll ett okänt element. Vid upplysningstiden bestämde de att detta grundämne, aluminiumoxid, var en oxid av en ny metall. År 1825 introducerade den danske fysikern Hans Christian Ørsted, följt av den tyske kemisten Friedrich Wöhler, formellt världen för aluminium.

Den första utmaningen med att raffinera aluminium gjorde det dyrare än guld och därför opraktiskt för utbredd användning. Denna höga kostnadsbarriär började falla sönder 1856 med innovationen av den första industriella produktionsprocessen av den franske kemisten Henri Étienne Sainte-Claire Deville. Tillgängligheten ökade dramatiskt med den oberoende utvecklingen av Hall-Héroult-processen 1886 av den franske ingenjören Paul Héroult och den amerikanske ingenjören Charles Martin Hall, tätt följt av Bayer-processen 1889, pionjär av den österrikiske kemisten Carl Joseph Bayer. Dessa banbrytande metoder revolutionerade aluminiumproduktionen och förblir industristandarden idag.

Möjligheten att massproducera aluminium frigjorde sin potential, vilket ledde till att den blev allmänt spridd över branscher och vardagsliv. Dess lätta och korrosionsbeständiga egenskaper visade sig vara ovärderliga inom teknik och konstruktion, och säkrade dess roll som en kritisk resurs i flygplansproduktion under första och andra världskriget. Följaktligen upplevde den globala aluminiumproduktionen en explosiv tillväxt, från bara 6 800 ton 1900 till häpnadsväckande 2 810 000 ton 1954. Denna ökning fick aluminium att överträffa koppar som världens ledande icke-järnmetall.

Den senare hälften av 1900-talet bevittnade aluminiums utökade användning inom transport- och förpackningssektorerna. Men dessa framsteg kom till en kostnad, eftersom miljöhänsyn kring aluminiumproduktion började dyka upp. Följaktligen fick aluminiumåtervinning draghjälp som en mer hållbar praxis. 1970-talet markerade aluminiums inträde på råvarumarknaden, vilket sammanföll med en produktionsförskjutning från utvecklade länder till utvecklingsländer. År 2010 hade Kina blivit en dominerande aktör inom både produktion och konsumtion av aluminium. Den globala produktionen fortsatte sin uppåtgående bana och nådde 58 500 000 ton 2015, vilket befäste aluminiums position som den obestridda ledaren inom produktion av icke-järnmetaller.

Tidig historia

Alun, en förening av aluminium, har en lång och historisk historia. Forntida civilisationer, så tidigt som på 500-talet f.Kr., insåg dess värde. Den grekiske historikern Herodotos dokumenterade dess användning som betningsmedel i färgning, ett medicinskt ämne, ett kemiskt fräsningsmedel och en brandhämmande beläggning för trä, särskilt i stärkande strukturer mot mordbrand. Även om användningen av alun var välkänd, förblev aluminiummetallen i sig oupptäckt.

Intressant berättar den romerske författaren Petronius i sitt verk Satyricon om ett unikt glas som presenterades för kejsaren. Glaset är anmärkningsvärt fjädrande, det skulle deformeras vid stötar snarare än att splittras och kunde omformas med en hammare. Rädd för att devalvera guld, lät kejsaren, när han fick veta om uppfinnarens exklusiva kunskap, honom avrättas för att undertrycka upptäckten. Variationer av denna redogörelse förekommer i verk av Plinius den äldre och Cassius Dio, även om dess äkthet diskuteras. Vissa spekulerar i att detta fjädrande glas kan ha varit en tidig form av aluminium. Ytterligare bevis tyder på att aluminiumlegeringar kan ha producerats i Kina under Jin-dynastin (266-420 CE).

Efter korstågen blev alun en betydande handelsvara i internationell handel, särskilt viktig för den europeiska textilindustrin. Medan små alungruvor drevs i det katolska Europa, förblev Mellanöstern den primära källan, med handel som främst förekom över Medelhavet. Detta förändrades i mitten av 1400-talet när det osmanska riket kraftigt höjde exportskatterna på alun. Kort därefter upptäcktes rikliga alunfyndigheter i Italien. Med utnyttjande av denna upptäckt förbjöd påven Pius II all alunimport från öst, och utnyttjade vinsterna från denna nya källa för att finansiera ett krig mot ottomanerna. Italiensk alun blev en hörnsten i europeiska läkemedel, men den påvliga regeringens prispolitik drev så småningom andra nationer att söka sina egna källor. Följaktligen spreds storskalig alunbrytning till andra europeiska regioner under 1500-talet.

Den gåtfulla naturen hos alun förbryllade forskare vid renässansens gryning. Det var inte förrän runt 1530 som den schweiziske läkaren Paracelsus skiljde alun från vitrioler (sulfater) och föreslog att den skulle klassificeras som jordsalt. År 1595 visade den tyske läkaren och kemisten Andreas Libavius ​​genom sina experiment att alun, grönvitriol och blåvitriol delade en gemensam syra men skilde sig åt i sina jordiska beståndsdelar. Han döpte den okända jorden som finns i alun till "aluminiumoxid". År 1702 postulerade den tyske kemisten Georg Ernst Stahl att aluns bas delade likheter med kalk eller krita, en missuppfattning som kvarstod i vetenskapliga kretsar under nästa halvsekel. Friedrich Hoffmann, en tysk kemist, ifrågasatte denna uppfattning 1722 och antydde att aluns bas helt och hållet var en distinkt jord. Denna uppfattning främjades av den franske kemisten Étienne Geoffroy Saint-Hilaire 1728, som, samtidigt som han felaktigt trodde att bränning av jorden gav kiseldioxid, hävdade att alun uppstod från interaktionen av en okänd jord med svavelsyra. Det dröjde till 1785 för den tyske kemisten och apotekaren Johann Christian Wiegleb att rätta till Geoffroys misstag, vilket visade att, i motsats till rådande tro, kunde jorden av alun inte syntetiseras från kiseldioxid och alkalier. Den franske kemisten Jean Gello, 1739, kompletterade denna växande kunskapsmassa och bevisade den identiska naturen hos jorden som finns i lera och jorden som produceras genom reaktionen av en alkali med alun. För att ytterligare cementera särarten hos aluns bas, visade den tyske kemisten Johann Heinrich Pott, 1746, att fällningen från tillsatsen av en alkali till en alunlösning skilde sig från både kalk och krita.

Ett genombrott kom 1754 när den tyske kemisten Andreas Sigismund Marggraf framgångsrikt syntetiserade jorden av alun. Hans metod gick ut på att koka lera i svavelsyra och införa kaliumklorid. Han observerade att tillsatsen av soda, kaliumklorid eller annat alkali till en lösning av denna nysyntetiserade jord i svavelsyra resulterade i bildningen av alun. Marggraf, som observerade dess löslighet i syror efter torkning, karakteriserade denna jord som alkalisk. Hans arbete sträckte sig också till att beskriva jordens salter, inklusive klorid, nitrat och acetat. År 1758 gjorde den franske kemisten Pierre Macquer en jämförelse mellan aluminiumoxid och metallisk jord, en åsikt som upprepades av hans landsman, kemisten Théodore Baron d'Hénouville, 1760, som uttryckte förtroende för aluminiumoxidens identitet som en metallisk jord.

Den svenske kemisten Torbern Bergman, 1767, främjade förståelsen av alun genom att syntetisera det genom två distinkta metoder: koka alunit i svavelsyra och tillsätta kaliumklorid till lösningen och reagera kaliumsulfater med jorden av alun. Genom dessa experiment etablerade han aluns identitet som ett dubbelsalt. För att öka klarheten visade den svenske tyske läkemedelskemisten Carl Wilhelm Scheele 1776 att både alun och kiseldioxid hade sitt ursprung i lera och att alun saknade kisel. År 1782 klassificerade den berömda franske kemisten Antoine Lavoisier aluminiumoxid som en oxid av en metall och föreslog att dess affinitet för syre var så stark att inga kända reduktionsmedel kunde bryta bindningen.

År 1815 lade den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius fram formeln AlO3 för aluminiumoxid. Det var dock den tyske kemisten Eilhard Mitscherlich som 1821 fastställde den korrekta formeln som Al2O3. Denna korrigering visade sig vara avgörande för Berzelius efterföljande bestämning av metallens exakta atomvikt: 27.

Industriproduktion

1854, vid Paris Academy of Sciences, avslöjade den franske kemisten Henri Étienne Sainte-Claire Deville en banbrytande industriell metod för att tillverka aluminium. Hans process involverade reduktion av aluminiumklorid med natrium, ett mer praktiskt och kostnadseffektivt alternativ till kalium som Wöhler använder. Denna innovation gjorde det möjligt för Deville att framgångsrikt skapa ett göt av metallen. Intresserad av dess potentiella militära tillämpningar, lovade Napoleon III betydande ekonomiskt stöd till Devilles forskning, i hopp om att utrusta den franska armén med lätta och motståndskraftiga vapen, hjälmar, rustningar och annan utrustning gjord av denna nya och glänsande metall. Även om den ännu inte var redo för offentlig uppvisning var aluminiums lockelse sådan att Napoleon sägs ha stått värd för en bankett där uppskattade gäster åt middag med aluminiumredskap, ett privilegium som nekades andra som var tvungna att nöja sig med guld.

Exposition Universelle 1855 markerade den första offentliga utställningen av tolv små aluminiumtackor. Metallen, kallad "silvret från lera" på grund av sin slående likhet med silver, väckte stort intresse och väckte utbredda spekulationer om dess potentiella tillämpningar inom konst, musik, medicin, kulinariska konster och serviser. Avantgardeförfattare från eran, inklusive Charles Dickens, Nikolay Chernyshevsky och Jules Verne, föreställde sig en framtid formad av aluminium. Mottagandet var dock inte utan kritik. Vissa tidningar avfärdade den inledande hypen och hävdade att den utställda mängden, bara ett kilogram, inte levde upp till förväntningarna och satte tvivel på metallens revolutionära inverkan. Trots denna skepsis banade utställningen till slut vägen för aluminiums kommersialisering. Det året kom den in på marknaden till ett pris av 300 franc per kilogram. Vid den efterföljande Parismässan 1867 visades aluminiumtråd, folie och en ny legering – aluminiumbrons – upp, vilket visade upp metallens mångsidighet och dess ekonomiska produktionskostnad, imponerande korrosionsbeständighet och önskvärda mekaniska egenskaper.

Tidiga försök att producera aluminium kommersiellt hämmades av flera faktorer. Tillverkare var tveksamma till att avleda resurser från etablerade metaller som järn och brons, och föredrar att fokusera på dessa kända och lätta att sälja material. Dessutom var aluminiumet som producerades vid denna tid ofta orent, dess egenskaper varierade avsevärt mellan batcherna. Denna inkonsekvens skapade ovilja inom industrier att anamma den nya metallen.

Trots dessa utmaningar etablerade Deville och hans partners världens första industriella aluminiumproduktionsanläggning i Rouen 1856. Detta smältverk flyttades sedan flera gånger och bosatte sig till slut i Salindres. År 1858 hade Deville förfinat sin process genom att använda bauxit som den primära källan till aluminiumoxid. Han sålde senare sina aluminiumintressen till Henri Merles Compagnie d'Alais et de la Camargue, ett företag som skulle fortsätta att dominera den franska aluminiummarknaden i årtionden.

Även om Devilles process representerade ett betydande framsteg, var den inte utan sina begränsningar. Produktionen förblev relativt låg och nådde bara 1,8 ton 1872. Efterfrågan på aluminium var också begränsad, och metallen jämfördes ofta med silver och användes främst för dekorativa föremål och smycken.

Under hela 1880-talet uppstod nya produktionsanläggningar som var och en försökte förfina processen och förbättra renheten hos det producerade aluminiumet. Den brittiske ingenjören James Fern Webster nådde anmärkningsvärd framgång 1882, hans metod producerade betydligt renare aluminium än Devilles. I Amerika effektiviserade William Frishmuth produktionen genom att kombinera produktionen av natrium, aluminiumoxid och aluminium i en enda process, medan Hamilton Castners innovationer inom natriumproduktion minskade kostnaden för aluminium avsevärt. Trots dessa framsteg förblev den utbredda användningen av aluminium svårfångad, hindrad av höga produktionskostnader och begränsade industriella tillämpningar.

Aluminiums massanvändning

Det sjunkande priset på aluminium i slutet av 1800-talet ledde till att det blev allmänt använt i en mängd olika vardagsföremål, från smycken och glasögonbågar till optiska instrument. Det sena 1800-talet och början av 1900-talet såg en ökning av användningen av aluminium. Köksredskap gjorda av denna lätta metall började ersätta traditionella koppar- och gjutjärnsgrytor och kastruller i början av 1900-talet, vilket sammanföll med ökningen i popularitet för aluminiumfolie. Metallurger upptäckte att legering av aluminium med andra metaller förbättrade dess styrka utan att kompromissa med dess låga vikt. Detta ledde till utvecklingen av legeringar som aluminiumbrons, som används flitigt inom skeppsbyggnad och flyg för sin flexibilitet och styrka. Uppfinningen av duralumin 1903 drev ytterligare användningen av aluminium inom flyget, särskilt i konstruktionen av Wright Flyers motor.

I början av 1900-talet sågs framväxten av aluminiumåtervinning, en praxis som snabbt fick genomslag. Aluminiums förmåga att återvinnas upprepade gånger utan nedbrytning gjorde det till en idealisk kandidat för denna process. Till en början återvanns endast aluminium som inte nått konsumenterna. Utbrottet av första världskriget eskalerade dock dramatiskt efterfrågan på aluminium, särskilt för lätta men ändå robusta flygplanskomponenter. Regeringar över hela världen investerade tungt i aluminiumproduktion, subventionerade fabriker och stärkte elnät för att möta den skyhöga efterfrågan. Den globala produktionen ökade från blygsamma 6 800 ton år 1900 till över 100 000 ton år 1916. Denna ökning kunde dock inte hålla jämna steg med kraven från krigstida, vilket ledde till en betydande ökning av aluminiumåtervinningen.

Efterkrigsåren bevittnade en nedgång i aluminiumproduktionen, följt av en period av snabb tillväxt. Det verkliga priset på aluminium sjönk stadigt under första hälften av 1900-talet och sjönk från 14 000 dollar per ton 1900 till 2 340 dollar 1948, med undantag för en kraftig ökning under första världskriget. till dess antagande i olika tillämpningar. Tyskland, som brottades med hyperinflation 1919, började ersätta sina silvermynt med motsvarigheter i aluminium. Vid mitten av 1900-talet hade aluminium blivit allestädes närvarande, fast etablerat som en stapelvara i hushåll över hela världen.

1930-talet markerade en vändpunkt för aluminium när det kom in på byggnadsteknikens område, använt i både strukturella och interiöra tillämpningar. Samtidigt utökades dess användning inom militärteknik, särskilt i flygplans- och stridsvagnsmotorer. Transportindustrin drog fördel av aluminiums lätta egenskaper med introduktionen av aluminiumgodsvagnar 1931, vilket möjliggjorde större lastkapacitet.

Trots tillväxten av återvinning förblev primäraluminium överlägset på grund av utmaningar med att upprätthålla konsekvent kemi och effektivt avlägsna föroreningar under återvinningsprocessen. Faktorer som fluktuerande energipriser påverkade också återvinningsgraden. Till exempel, när energipriserna i USA sjönk i slutet av 1930-talet, blev det mer ekonomiskt lönsamt att producera primäraluminium med den energiintensiva Hall-Héroult-processen, vilket ledde till en nedgång i aluminiumåtervinning. Ändå, år 1940, hade massåtervinningen av post-konsument aluminium blivit verklighet.

Under andra världskriget ökade aluminiumproduktionen och översteg en miljon ton för första gången 1941. Dess användning i flygplanstillverkning gjorde den till en viktig strategisk tillgång. Aluminiumets betydelse var sådan att när Alcoa, den dominerande kraften i amerikansk aluminiumproduktion vid den tiden, tvekade att öka produktionen, förklarade USA:s inrikesminister berömt 1941, "Om Amerika förlorar kriget kan det tacka Aluminium Corporation av Amerika". Tyskland, den ledande aluminiumproducenten 1939, såg denna fördel som avgörande för deras krigsinsats. Ursprungligen symboliskt för nedgång, hade aluminiummynt 1939 blivit en representation av makt. Men 1941 tog de sig tillbaka från cirkulationen för att bevara metallen för militära ändamål. Efter sitt inträde i kriget 1940 initierade Storbritannien ett storskaligt program för aluminiumåtervinning, där ministern för flygplansproduktion uppmanade allmänheten att bidra med tillgängligt hushållsaluminium för flygplanskonstruktion. Sovjetunionen, mellan 1941 och 1945, mottog 328 100 ton aluminium från sina allierade, avgörande för deras produktion av flygplan och tankmotorer. Det uppskattas att utan dessa leveranser skulle den sovjetiska flygplansproduktionen ha halverats.

Även om den globala produktionen minskade under en kort period efter kriget, återupptog den snart sin snabba uppgång. År 1954 nådde världsproduktionen 2 810 000 ton, vilket översteg koppars och etablerade aluminium som den mest producerade icke-järnmetallen, näst efter järn i den totala metallproduktionen.

Aluminiumåldern

Uppskjutningen av jordens första konstgjorda satellit 1957, konstruerad av två sammankopplade aluminiumhalvklot, markerade början på aluminiums omfattande användning i rymdfarkoster. Intressant nog, aluminiumburken, som först tillverkades 1956, hittade sin ursprungliga tillämpning som en dryckesbehållare 1958. På 1960-talet användes aluminium i tillverkningen av ledningar och kablar. Från 1970-talet och framåt gjorde dess höga styrka-till-vikt-förhållande det till ett populärt val vid konstruktion av höghastighetståg och bidrog till dess ökande närvaro i bilindustrin.

År 1955 dominerades den globala aluminiummarknaden av sex stora aktörer: Alcoa, Alcan (som kom från Alcoa), Reynolds, Kaiser, Pechiney (en sammanslagning av Compagnie d'Alais et de la Camargue, som förvärvade Devilles smältverk, och Société électrométallurgique française, som anställde Héroult), och Alusuisse (efterträdare till Héroults Aluminium Industrie Aktien Gesellschaft). Dessa företag hade tillsammans en marknadsandel på 86 %. Under nästan tre decennier efter 1945 upplevde aluminiumförbrukningen en nästan konstant 10% årlig tillväxt, drivet av dess växande användning i byggnadsapplikationer, elkablar, basfolier och flygplansindustrin. Tillkomsten av dryckesburkar i aluminium i början av 1970-talet drev denna tillväxt ytterligare. Denna ökning av produktionen, tillsammans med tekniska framsteg och minskade utvinnings- och bearbetningskostnader, bidrog till en nedgång i det reala priset på aluminium fram till början av 1970-talet. År 1973 hade det verkliga priset sjunkit till 2 130 dollar per ton (1998 amerikanska dollar). Den globala aluminiumproduktionen översteg 10 000 000 ton för första gången 1971.

Under slutet av 1960-talet började regeringar inse miljöpåverkan från industriavfall. Regler infördes för att uppmuntra återvinning och avfallshantering. Även om Söderbergs anoder var kostnadseffektiva i form av kapital och arbetskraft för anodbakning, var de miljöskadliga på grund av utmaningarna med att fånga upp och bortskaffa bakrök. Följaktligen föll dessa i onåd och industrin gick tillbaka till förgräddade anoder. I ett försök att förebygga potentiella restriktioner för aluminiumburkar, började aluminiumindustrin främja deras återvinning. Detta sporrade återvinningen av post-consumer aluminium. I USA, till exempel, ökade återvinningsgraden för denna typ av aluminium 3,5 gånger från 1970 till 1980 och ytterligare 7,5 gånger till 1990. Stigande produktionskostnader för primäraluminium under 1970- och 1980-talen bidrog också till tillväxten av aluminiumåtervinning . Dessutom minskade framsteg inom kompositionskontroll och raffineringsteknik kvalitetsgapet mellan primärt och sekundärt aluminium.

På 1970-talet blev aluminium en handelsvara på grund av ökad efterfrågan. Det noterades på London Metal Exchange, världens äldsta industriella metallbörs, 1978. Från den tidpunkten och framåt har aluminium handlats i amerikanska dollar, med dess pris fluktuerande tillsammans med valutakurserna. Flera faktorer, inklusive behovet av att utnyttja lågvärdiga fyndigheter, eskalerande energi- och bauxitkostnader, valutafluktuationer och växthusgasregleringar, bidrog till en ökning av nettokostnaden för aluminium. Följaktligen ökade det verkliga priset på aluminium under hela 1970-talet.

Det stigande reala priset på aluminium, tillsammans med förändringar i tariffer och skatter, ledde till en förskjutning av globala produktionsandelar. 1972 stod USA, Sovjetunionen och Japan tillsammans för nästan 60 % av den globala primärproduktionen och en liknande andel av primäraluminiumförbrukningen. Men 2012 hade deras sammanlagda andel minskat till drygt 10 %. Detta produktionsskifte, som började på 1970-talet, ledde till att produktionen flyttades från USA, Japan och Västeuropa till regioner som Australien, Kanada, Mellanöstern, Ryssland och Kina. Dessa regioner erbjöd lägre produktionskostnader på grund av billigare elpriser och gynnsam statlig politik, inklusive skattelättnader och subventioner. Teknologiska framsteg, lägre energi- och aluminiumpriser och en stark US-dollar bidrog till en minskning av produktionskostnaderna under 1980- och 1990-talen.

I början av 2000-talet steg BRIC-ländernas (Brasilien, Ryssland, Indien och Kina) sammanlagda andel av primärproduktionen från 32,6 % till 56,5 %, och deras andel av primärkonsumtionen ökade från 21,4 % till 47,8 %. Kina, i synnerhet, samlade en betydande del av den globala produktionen på grund av rikliga resurser, billig energi och statliga incitament. Landets andel av konsumtionen sköt också i höjden från bara 2 % 1972 till svindlande 40 % 2010. Det enda andra landet som hade en tvåsiffrig procentandel var USA på 11 %, och inget annat land översteg 5 %. Transport, teknik, konstruktion och förpackning var de primära sektorerna för aluminiumförbrukning i USA, Västeuropa och Japan.

Eskalerande priser på energi, aluminiumoxid och kol (används i anoder) utövade ett tryck uppåt på produktionskostnaderna i mitten av 2000-talet. Detta förvärrades av förändringar i valutakurserna, särskilt försvagningen av den amerikanska dollarn och förstärkningen av den kinesiska yuanen. Det senare blev allt viktigare då en stor andel kinesiskt aluminium var relativt billigt.

Trots detta kostnadstryck fortsatte den globala aluminiumproduktionen sin uppåtgående bana och nådde rekordnivån 63 600 000 ton 2018 innan den upplevde en liten nedgång 2019. Aluminiumproduktionen överträffar nu den för alla andra icke-järnmetaller tillsammans. Under 2019 låg det verkliga priset på aluminium (i 1998 amerikanska dollar) på 1 400 dollar per ton, vilket motsvarar 2 190 dollar per ton i dagens valuta.