تأتي الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية الموجودة في ذوبان الألومنيوم بشكل أساسي من العناصر الفلزية القلوية والقلوية الترابية الناتجة عن عملية التحليل الكهربائي للألومنيوم، مثل الصوديوم (Na) والليثيوم (Li) والكالسيوم (Ca) وغيرها، وكذلك من مواد التذويب المستخدمة في سبائك الألومنيوم. مواد الصهر المصنوعة من سبائك الألومنيوم تتكون عمومًا من الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية. المكونات الرئيسية للكلوريد والفلوريد هي KCl، NaCl، NaF، CaF، Na₃AlF₆، Na₂SiF₆، إلخ. وبعد استخدام مادة التذويب في تكرير الألومنيوم، ستبقى الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية المذكورة أعلاه في المادة المنصهرة.
لنأخذ معدن الصوديوم القلوي كمثال. الصوديوم غير قابل للذوبان تقريبًا في الألومنيوم، ويقل الحد الأقصى للذوبان الصلب عن 0.0025%. في سبيكة الألومنيوم والمغنيسيوم (Al-Mg)، عندما يتجاوز محتوى المغنيسيوم 2%، فإن المغنيسيوم يحرم السيليكون من الصوديوم الحر ويفصله. يتصلب الصوديوم (Na) أثناء عملية التصلب. وبوجوده في حدود الحبيبات، فإنه خلال عملية التشوه البلاستيكي، وبسبب انخفاض درجة انصهاره، يستعيد حالته الحرة ويشكل مصدرًا للشقوق. ومع زيادة مقدار التشوه، تتقارب الشقوق لتشكل شقوقًا، وهي ما يُعرف بظاهرة “هشاشة الصوديوم”.
يشكل الكالسيوم الموجود في سبائك الألومنيوم مراحل جديدة هي CaAl4 و CaAl2 مع الألومنيوم. ويؤدي تكوّن هذه المراحل الجديدة إلى تقليل مراحل التقوية في سبائك الألومنيوم. على سبيل المثال، عند وجود الطور CaAl4 في سبيكة الألومنيوم، ستنخفض الطور المقوي θ (CuAl2)، كما ستنخفض صلابة سبيكة الألومنيوم بعد معالجة الشيخوخة بالمحلول. من الناحية المجهرية، فإن الطور CaAl4 عبارة عن بنية رباعية الأضلاع مركزة على الجسم. ونظرًا للتقارب بين ثابت الشبكة ونصف قطر ذرة النحاس (Cu)، يمكن أن يحل النحاس (Cu) الموجود في المرحلة θ محل الألومنيوم (Al) في CaAl4 لتشكيل مرحلة مركبة جديدة، مما يؤدي إلى تقليل المرحلة المقوية. وعندما يصل محتوى الكالسيوم إلى 1.2%، تحل ذرات النحاس (Cu) محل ذرتي ألومنيوم في CaAl2 لتشكيل مرحلة مركبة جديدة. لا يذوب المركب الجديد في مصفوفة الألومنيوم ولا يمكن أن يخضع لتقوية الترسيب. يقلل الكالسيوم الموجود في سبيكة الألومنيوم من صلابة السبيكة عند الصب، وعندما يزداد محتوى الكالسيوم، تنخفض أيضًا صلابة سبيكة الألومنيوم بعد المعالجة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، عندما تكون كمية عنصر الشوائب الضار Ca في ذوبان الألومنيوم كبيرة، تصبح سيولة ذوبان سبائك الألومنيوم ضعيفة، ويصبح من السهل حدوث تسلل للهواء وظهور ثقوب دقيقة أو تراخي. في الحالات الشديدة، ستنتج مركبات صلبة وهشة نتيجة الفصل، مما سيؤدي إلى زيادة معدل نفايات المسبوكات بشكل ملحوظ، كما سيقل تأثير تقوية سبائك الألومنيوم بالمعالجة الحرارية.
وفقًا للتقارير المتوفرة، فإن الطريقة التي يمكن استخدامها لإزالة الفلزات القلوية من الألومنيوم المنصهر تتمثل في استخدام فرن الاحتفاظ
يُستخدم الكلور، أو عوامل التكرير المحتوية على الكلور (مثل سداسي كلورو الإيثان، ورابع كلوريد الكربون، وما إلى ذلك)، أو عوامل التكرير المحتوية على الفلوريد في تكرير المادة المنصهرة. ومع ذلك، أثناء استخدام الكلور أو الكلوريد أو الفلوريد، سيتسرب غاز الكلور من ذوبان الألومنيوم، كما سيتولد غاز الكلور وفلوريد الهيدروجين بعد التفاعل مع الفلزات القلوية، بالإضافة إلى غازات السادس كلورو الإيثان ورابع كلوريد الكربون الناتجة عن التسخين، مما يؤدي إلى توليد غاز الكربون الذي سيلحق أضرارًا جسيمة ببطانة الفرن ويقصر من عمره. ثانيًا، سيؤدي ذلك إلى مخاطر مهنية على العاملين في الإنتاج.
تُحقق طريقة صديقة للبيئة وفعالة لمعالجة المعادن القلوية/القلوية الترابية من خلال تفاعل الاستبدال. ويتمثل المبدأ الأساسي في الاستفادة من الخصائص الكيميائية النشطة للمعادن القلوية/القلوية الترابية وفقًا لترتيب نشاط المعادن، وإضافة أملاح معادن أخرى ذات كاتيونات غير نشطة نسبيًا، ثم إزالتها بطرق فيزيائية أخرى. وإذا أخذنا إزالة الصوديوم (Na) من السبائك المحتوية على المغنيسيوم كمثال، فإن الإزالة تتم عمومًا من خلال تفاعل الاستبدال بين MgCl₂ وعنصر الصوديوم (Na). وصيغة التفاعل الأساسية هي كما يلي:
MgCl₂ + 2Na = 2NaCl + Mg
في الوقت الحالي، تتطور السبائك عالية الأداء نحو مواصفات أكبر، وتتزايد متطلبات حجم الألواح المصبوبة تدريجيًا. وسيكون للغاز المتبقي والشوائب والخبث والمعادن القلوية/القلوية الترابية الموجودة في ذوبان سبائك الألومنيوم تأثير أكثر ضررًا أثناء معالجة الألواح المصبوبة وتشكيلها.