Alüminyum eritme - Aluminium smelting

Avustralya'da nokta Henry izabe
Tarafından işletilen Point Henry izabe tesisine genel bakış Alcoa World Alümina ve Kimyasalları Avustralyada
Straumsvik alüminyum izabe tesisi İzlanda'da
Straumsvik alüminyum izabe tesisi, Rio Tinto Alcan İzlanda'da.

Alüminyum eritme ayıklama işlemidir alüminyum oksitinden alümina, genellikle tarafından Hall-Héroult süreci. Alümina cevherden çıkarılır boksit vasıtasıyla Bayer süreci bir alümina rafinerisi.

Bu bir elektrolitik süreç, yani bir alüminyum dökümcü büyük miktarda elektrik kullanır; izabe tesisleri genellikle büyük elektrik santrallerinin yakınına yerleştirme eğilimindedir, hidroelektrik genel karbon ayak izini azaltmak için. Bu önemli bir husustur, çünkü bu işlemde büyük miktarda karbon da kullanılır ve önemli miktarlarda Sera gazı emisyonlar. Dökümhaneler, çoğu dökümcü ithal alümin kullandığından, genellikle limanların yakınında bulunur.

Alüminyum izabe tesisinin yerleşimi

Hall-Héroult elektroliz işlemi, birincil alüminyum için ana üretim yoludur. Bir elektroliz hücresi, bir dizi ateşe dayanıklı malzeme izolasyonlu çelik bir kabuktan yapılmıştır. Hücre, konteyner ve destek olarak tuğla kaplı bir dış çelik kabuktan oluşur. Kabuğun içinde, katot blokları tokmaklama macunu ile birbirine yapıştırılır. Üst astar, erimiş metal ile temas halindedir ve katot görevi görür. Erimiş elektrolit, hücre içinde yüksek sıcaklıkta tutulur. Önceden pişirilmiş anot ayrıca elektrolit içinde asılı büyük sinterlenmiş bloklar şeklinde karbondan yapılmıştır. Tek bir Soderberg elektrodu veya bir dizi önceden pişirilmiş karbon bloğu anot olarak kullanılırken, ana formülasyon ve yüzeylerinde meydana gelen temel reaksiyonlar aynıdır.

Bir alüminyum ergitme cihazı, elektrolizin gerçekleştiği çok sayıda hücreden (kaplardan) oluşur. Tipik bir ergitme tesisi, her biri günde yaklaşık bir ton alüminyum üreten 300 ila 720 saksı içerir, ancak önerilen en büyük izabe tesisleri bu kapasitenin beş katına kadar çıkmaktadır. Ergitme, tencerelerin dibinde alüminyum metal biriktirilerek ve periyodik olarak sifonlanarak toplu işlem olarak yürütülür. Özellikle Avustralya'da bu izabe tesisleri elektrik şebekesi talebini kontrol etmek için kullanılır ve sonuç olarak izabe tesisine çok düşük bir fiyata güç sağlanır. Bununla birlikte, sıvı metal katılaşırsa kapların önemli bir maliyetle onarılması gerektiğinden, güç 4–5 saatten fazla kesilmemelidir.

Prensip

Alüminyum, elektrolitik indirgeme erimiş halde çözünmüş alüminyum oksit kriyolit.

Aynı zamanda karbon elektrot, başlangıçta karbon monoksite oksitlenir.

Oluşumuna rağmen karbonmonoksit (CO) reaksiyon sıcaklığında termodinamik olarak tercih edilir, önemli bir aşırı gerilimin varlığı (tersinir ve polarizasyon potansiyelleri arasındaki fark) termodinamik dengeyi değiştirir ve bir CO ve CO
2 üretilmektedir.[1][2] Böylece idealize edilmiş genel tepkiler şu şekilde yazılabilir:

Akım yoğunluğunu 1 A / cm'ye çıkararak2, Oran CO
2 artar ve karbon tüketimi azalır.[3][4]

Her bir alüminyum atomunu üretmek için 3 elektron gerektiğinden, işlem büyük miktarda elektrik tüketir. Bu nedenle alüminyum izabe tesisleri gibi ucuz elektrik kaynaklarının yakınına yerleştirilmiştir. hidroelektrik.

Hücre bileşenleri

Elektrolit: Elektrolit, erimiş bir kriyolit banyosudur (Na3AlF6) ve çözünmüş alümina. Cryolite, düşük erime noktası, tatmin edici viskozite ve düşük buhar basıncı ile alümina için iyi bir çözücüdür. Yoğunluğu da sıvı alüminyumunkinden daha düşüktür (2'ye karşı 2,3 g / cm3), ürünün hücrenin altındaki tuzdan doğal olarak ayrılmasını sağlar. Kriyolit oranı (NaF / AlF3) saf kriyolitte 1010 ° C erime sıcaklığı ile 3'tür ve 960 ° C'de% 11 alümina ile ötektik oluşturur. Endüstriyel hücrelerde kriyolit oranı, erime sıcaklığını 940–980 ° C'ye düşürmek için 2 ile 3 arasında tutulur.[5][6]

Katot: Karbon katotları, esasen yaklaşık 1200 ° C'de kalsine edilen ve katot imalatında kullanılmadan önce ezilip elenen antrasit, grafit ve petrol kokundan yapılır. Agregalar kömür katranı zifti ile karıştırılır, oluşturulur ve pişirilir. Karbon saflığı anot kadar katı değildir, çünkü katottan metal kirliliği önemli değildir. Karbon katot yeterli dayanıma, iyi elektriksel iletkenliğe ve aşınmaya ve sodyum penetrasyonuna karşı yüksek dirence sahip olmalıdır. Antrasit katotlar daha yüksek aşınma direncine sahiptir[7] ve grafitik ve grafitleşmiş petrol kok katotlarından daha düşük genlikli [15] daha yavaş sünme. Bunun yerine, daha fazla grafitik sıraya sahip yoğun katotlar daha yüksek elektrik iletkenliğine, daha düşük enerji tüketimine [14] ve sodyum penetrasyonundan dolayı daha düşük şişmeye sahiptir.[8] Şişme, katot bloklarının erken ve tekdüze olmayan bozulmasına neden olur.

Anot: Alüminyum eritme işleminde karbon anotların kendine özgü bir durumu vardır ve anot tipine bağlı olarak alüminyum eritme iki farklı teknolojiye ayrılır; "Soderberg" ve "önceden pişirilmiş" anotlar. Anotlar ayrıca petrol kokundan yapılır, kömür katranı zifti ile karıştırılır, ardından yüksek sıcaklıklarda şekillendirilir ve pişirilir. Anot kalitesi, alüminyum üretiminin teknolojik, ekonomik ve çevresel yönlerini etkiler. Enerji verimliliği, anot malzemelerinin doğası ve fırınlanmış anotların gözenekliliği ile ilgilidir. Önceden pişirilmiş anodun (50–60 μΩm) elektrik direncinin üstesinden gelmek için hücre gücünün yaklaşık% 10'u tüketilir.[5] Düşük akım verimi ve elektrolitik olmayan tüketim nedeniyle karbon teorik değerden daha fazla tüketilir. Hammadde ve üretim parametrelerindeki farklılıklar nedeniyle homojen olmayan anot kalitesi de performansını ve hücre stabilitesini etkiler.

Önceden pişirilmiş anotlar grafitli ve kok tiplerine ayrılır. Grafitlenmiş anotların üretimi için antrasit ve petrol kok kalsine edilir ve sınıflandırılır. Daha sonra kömür katranı zifti ile karıştırılır ve preslenir. Preslenmiş yeşil anot daha sonra 1200 ° C'de pişirilir ve grafitleştirilir. Kok anotları, kalsine edilmiş petrol kokundan, geri dönüştürülmüş anot uçlarından ve kömür katranı ziftinden (bağlayıcı) yapılır. Anotlar, hamur kıvamında bir macun oluşturmak için agregaların kömür katranı ziftiyle karıştırılmasıyla üretilir. Bu malzeme çoğunlukla titreşimle sıkıştırılır, ancak bazı tesislerde preslenir. Yeşil anot daha sonra sinterlenmiş 1100–1200 ° C'de 300–400 saat boyunca, bağlayıcının ayrışması ve karbonizasyonu yoluyla gücünü artırmak için grafitleşme olmadan. Daha yüksek pişirme sıcaklıkları mekanik özellikleri ve ısıl iletkenliği artırır, havayı ve CO'yi azaltır.2 reaktivite.[9] Kok tipi anotların özgül elektrik direnci grafitleştirilmiş olanlardan daha yüksektir, ancak daha yüksek basınç dayanımına ve daha düşük gözenekliliğe sahiptirler.[10]

Soderberg elektrotları Norveç'te ilk kez 1923'te kullanılan (yerinde pişirme), bir çelik kabuk ve elektroliz hücresinden kaçan ısı ile pişirilen karbonlu bir kütleden oluşur. Soderberg Kok ve antrasit gibi karbon bazlı malzemeler ezilir, ısıl işleme tabi tutulur ve sınıflandırılır. Bu agregalar bağlayıcı olarak zift veya yağ ile karıştırılır, briketlenir ve kabuğa yüklenir. Sıcaklık, kolonun altından üstüne doğru artar ve anot banyoya indirilirken yerinde pişirme gerçekleşir. Pişirme sırasında önemli miktarda hidrokarbon salınır ve bu da bu tip elektrotların bir dezavantajıdır. Modern izabe tesislerinin çoğu önceden pişirilmiş anotlar kullanır çünkü proses kontrolü daha kolaydır ve Soderberg anotlarına kıyasla biraz daha iyi bir enerji verimliliği elde edilir.

Alüminyum izabe tesislerinin çevresel sorunları

Süreç bir miktar üretir florür atık: perflorokarbonlar ve hidrojen florid gazlar olarak ve sodyum ve alüminyum florürler ve kullanılmamış kriyolit partiküller olarak. Bu, 2007'deki en iyi fabrikalarda ton alüminyum başına 0,5 kg, 1974'teki eski tasarımlarda ton başına 4 kg kadar küçük olabilir. Dikkatlice kontrol edilmedikçe, hidrojen florürler bitkiler çevresindeki bitki örtüsü için çok toksik olma eğilimindedir. Perflorokarbon gazları, uzun ömürlü güçlü sera gazlarıdır.

Anot tüketilirken Antrasit / zift karışımını pişiren Soderberg işlemi, polisiklik aromatik hidrokarbonlar izabe fabrikasında zift tüketildiği için.

Tencere astarları siyanür oluşturan malzemelerle kirlenir; Alcoa dönüştürme süreci var harcanan astarlar yeniden kullanım için alüminyum florür ve inşaat amaçlı ve inert atık için kullanılabilen sentetik kum içine.

Enerji kullanımı

Alüminyum eritme son derece enerji yoğundur ve bazı ülkelerde sadece ucuz elektrik kaynakları varsa ekonomiktir.[11][12] Bazı ülkelerde, izabe tesislerine enerji politikasından muafiyet verilir. yenilenebilir enerji hedefleri.[13][14]

Örnek alüminyum izabe tesisleri

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ K. Grjotheim ve C. Krohn, Alüminyum elektrolizi: Hall-Heroult işleminin kimyası: Aluminium-Verlag GmbH, 1977.
  2. ^ F. Habashi, Handbook of Extractive Metallurgy cilt. 2: Wiley-VCH, 1997.
  3. ^ Kuang, Z .; Thonstad, J .; Rolseth, S .; Sørlie, M. (Nisan 1996). "Pişirme sıcaklığı ve anot akımı yoğunluğunun anot karbon tüketimine etkisi". Metalurji ve Malzeme İşlemleri B. 27 (2): 177–183. doi:10.1007 / BF02915043.
  4. ^ Farr-Wharton, R .; Welch, B.J .; Hannah, R.C .; Dorin, R .; Gardner, H.J. (Şubat 1980). "Heterojen karbon anotların kimyasal ve elektrokimyasal oksidasyonu". Electrochimica Açta. 25 (2): 217–221. doi:10.1016/0013-4686(80)80046-6.
  5. ^ a b F. Habashi, Handbook of Aluminium: Cilt 2: Alaşım üretimi ve malzeme imalatı içinde "Alüminyumun özütleyici metalurjisi". vol. 2, G. E. Totten ve D. S. MacKenzie, Eds., Birinci baskı: Marcel Dekker, 2003, s. 1-45
  6. ^ P. A. Foster, "Na sisteminin bir kısmının faz diyagramı3AlF6-AlF3-Al2Ö3, "Amerikan Seramik Derneği Dergisi, cilt 58, s. 288–291, 1975
  7. ^ Welch, B. J .; Hyland, M. M .; James, B. J. (Şubat 2001). "Alüminyumun yüksek enerji yoğunluklu üretimi için gelecekteki malzeme gereksinimleri". JOM. 53 (2): 13–18. Bibcode:2001JOM .... 53b..13W. doi:10.1007 / s11837-001-0114-8.
  8. ^ Brisson, P.-Y .; Darmstadt, H .; Fafard, M .; Adnot, A .; Hizmetçi, G .; Soucy, G. (Temmuz 2006). "Alüminyum oksit indirgeme hücrelerinin karbon katot bloklarında sodyum reaksiyonlarının X-ışını fotoelektron spektroskopisi çalışması". Karbon. 44 (8): 1438–1447. doi:10.1016 / j.karbon.2005.11.030.
  9. ^ W. K. Fischer, et al., "Pişirme parametreleri ve ortaya çıkan anot kalitesi", TMS Yıllık Toplantısı, Denver, CO, ABD, 1993, s. 683-689
  10. ^ M. M. Gasik ve M. L. Gasik, Handbook of Aluminum: Volume 2: Alaşım üretimi ve malzeme imalatı. vol. 2, G.E. Totten ve D. S. MacKenzie, Eds., Ed: Marcel Dekker, 2003, s. 47–79
  11. ^ "Dünya Alüminyum - Birincil Alüminyum Eritme Enerji Yoğunluğu".
  12. ^ "Alüminyum Bilgi Sayfası". Geoscience Avustralya. Arşivlenen orijinal 2015-09-23 tarihinde. Alındı 2015-09-02. Eritme işlemi sırasında büyük miktarda enerji tüketilir; Yaklaşık iki ton alüminadan bir ton alüminyum üretmek için 14.000 - 16.000 kilovat saat elektrik enerjisine ihtiyaç vardır. Bu nedenle ucuz elektriğin mevcudiyeti ekonomik üretim için çok önemlidir.
  13. ^ "Avustralya alüminyum endüstrisinde enerji verimliliği en iyi uygulaması" (PDF). Sanayi, Bilim ve Kaynaklar Bakanlığı - Avustralya Hükümeti. Temmuz 2000. Arşivlenen orijinal (PDF) 2015-09-24 tarihinde. Alındı 2015-09-02.
  14. ^ "Avustralya Alüminyum Konseyi - Verimlilik Komisyonu'na Enerji Verimliliği Araştırması Sunumu" (PDF).