مواد خام استفاده شده در فرایند تولید آلومینیوم

1- آلومینا

آلومینای خالص از بوکسیت به وسیله فرایند بایر به دست می­آید. در فرایند بایر آلومینا به وسیله هضم قلیایی بوکسیت خورد شده در دما و فشار بالا، درون اتوکلاو استخراج می­شود. ادامه فرایند با تصفیه، رسوب، شست و شو و در نهایت کلسینه کردن به منظور به دست آوردن آلومینای بدون آب و خالص دنبال می­شود. این ماده سفید رنگ و شبیه به نمک معمولی می­باشد. آلومینیوم نقطه ذوب بالا، بیشتر از ℃ 2050 دارد و از لحاظ شیمیایی بسیار پایدار می­باشد. این دلیل انرژی زیاد مورد نیاز برای تولید آلومینیوم از آلومینا می­باشد.

2- انرژی الکتریکی

مقدار زیادی انرژی الکتریکی به منظور تولید آلومینیوم از آلومینا مورد نیاز می­باشد. اغلب سلول­های ذوب آلومینیوم نزدیک به kWh 13 برای تولید kg 1 آلومینیوم نیاز دارند در حالی که متوسط جهانی برای تولید 1 کیلوگرم آلومینیوم kWh/kg 14 می­باشد.معمولا انرژی 30 درصد هزینه تولید آلومینیوم نهایی را تشکیل می­دهد و به همین دلیل قیمت انرژی اقتصادی بودن یا نبودن فرایند را مشخص می­کند.

در سال­های اخیر انرژی لازم برای تولید آلومینیوم به وسیله بهبود تکنولوژیکی فرایند کاهش پیدا کرده است. با این وجود، با افزایش پیوسته تقاضای جهانی برای انرژی الکتریکی، صرفه جویی در مصرف انرژی در همه بخش­های فرایند مهم­ترین وظیفه خواهد بود. کارخانه­های تولید آلومینیوم جدیدتر در مناطقی ساخته می­شوند که انرژی الکتریسیته در دسترس و ارزان­تر باشد.

3- آندهای کربنی Prebaked

امروزه همه واحدهای ذوب آلومینیوم از آندهای کربنی در سلول­های الکترولیز استفاده می­کنند. کربن یک هادی الکتریسیته خوب، منطقی و مهم می­باشد. کربن می­تواند در مقابل شرایط خورنده الکترولیت مذاب حاوی فلوئورید در دماهای بالاتر از ℃ 960 مقاومت کند. به علاوه، یک بخش فعال از واکنش الکتروشیمیایی می­باشد، بنابراین در کاهش ولتاژ سلول تا V 1 ولت مشارکت می­کنند. همینطور انرژی الکتریکی با سوختن کربن ذخیره می­شود. براساس واکنش 1 ممکن است کربن را به عنوان یک ماده خام در تولید آلومینیوم در نظر بگیریم، چون کربن به وسیله واکنش آند مصرف می­شود.

یک آند prebaked معمولی از مخلوط پترولیوم کک، قیر و باتس ساخته شده است. باتس قسمت باقی­مانده آند تعویض شده از سلول الکترولیز می­باشد. میزان باتس مصرفی در آندهای جدید می­تواند تغییر کند، اما معمولا بین 15 تا 25 درصد استفاده می­شود.مهم­ترین جز آندهای کربنی prebaked پترولیوم کک کلسینه شده می­باشد. وقتی نفت خام پالایش می­شود، باقیمانده­های واحد تقطیر وارد مرحله بعد می­شوند. این باقیمانده­ها در دمای 450 و در فشار 5-4 بار برای تولید کک سبزتحت عملیات قرار می­گیرند.

کک به دست آمده از این فرایند بسیار خالص می­باشد و به همین دلیل مهم­ترین منبع برای آندهای کربنی می‌باشد. این کک نیاز دارد تا در دمای 1200 به منظور حذف اجزای فرار و افزایش چگالی، استحکام و حفرات قبل ورود به میکسرهای تولید آند، کلسینه شود.به علاوه، آندهای کربنی حاوی 16-13 درصد قیر می­باشند که به عنوان چسب استفاده می­شود. قیر عمل اتصال کک و ذرات باتس به یکدیگر را در آند انجام می­دهد.

در فرایند تولید آند، پترولیوم کک و مواد اندی قابل بازیافت، خرد و الک می­شوند. در مرحله بعد مواد به منظور رسیدن به دانه بندی مورد نظر با هم مخلوط می­شوند. بعد مقدار کافی قیر به مخلوط اضافه و هم زده می­شود، سپس درون بلوک­های آند خام به وسیله پرس یا ویبره قالب گیری می­شوند. قبل از اینکه این آندهای خام در سلول الکترولیز استفاده شوند باید درون کوره­های پخت جداگانه­ای در دمای 1150-1200 پخته شوند. عمل پخته شدن باعث کربونیزه و ایجاد بلوک­های آند چگال و مستحکم می­شود.

برای ایجاد اتصال الکتریکی و پشتیبانی فیزیکی آند، یک میله آلومینیومی یا مسی با یک یوک آهنی به آند متصل می­شود. سپس درون حفره موجود روی آند چدن ریزی انجام می­شود که دلیل آن ایجاد اتصال الکتریکی و مکانیکی خوب بین آند کربنی و میله می­باشد. این عملیات anode rodding نام دارد.

مواد الکترولیت

چهار عملکرد الکترولیت به شرح زیر است:

• باید حلالی برای آلومینا باشد تا شرایط را برای تجزیه الکترولیتکی آن فراهم کند، تشکیل آلومینیوم مذاب و گاز CO2
• انتقال الکتریسیته از آند به کاتد
• ایجاد یک جدایش فیزیکی بین آلومینیوم کاتدی تولید شده و گاز CO­2 آندی
• ایجاد یک مقاومت گرما ساز که سلول را اجازه می­دهد تا خودش را گرم کند

کریولیت معمولا از تقریبا % 80-70 الکترولیت مذاب که شامل آلومینیوم فلوئورید اضافی (% 12-9)، کلسیم فلوئورید (% 7-4) و آلومینا (% 4-2) می­باشد. این سه ماده افزودنی باعث کاهش نقطه ذوب الکترولیت و دمای عملیاتی سلول و در نتیجه افزایش بازده فرایند می­شود.

1- کریولیت

کریولیت دارای ترکیب شیمیایی استوکیومتری Na­3­­AlF­­6 و نقطه ذوب 1011 می­باشد. کریولیت در اوایل قرن 21 استخراج می­شد، اما معدن­کاری هم اکنون انجام نمی­شود، بنابراین کریولیت باید به صورت مصنوعی ساخته شود. این ماده می­تواند با واکنش هیدروفلوئوریک اسید با محلول قلیایی سدیم آلومینات براساس واکنش 2 تولید شود.

2- آلومینیوم فلوئورید

آلومینیوم فلوئورید (AlF3) ممکن است -9 الکترولیت را تشکیل دهد. آلومینیوم فلوئورید حین عملیات معمولی طبق سه مکانیزم مصرف می­شود. اولین و مهم­ترین، آلومینیوم فلوئورید با اکسید سدیم که همیشه به صورت ناخالصی در آلومینا وجود دارد، واکنش می­دهد پس این مقدار باید جایگزین شود. برای ثابت نگه داشتن میزان آلومینیوم فلوئورید درون سلول الکترولیت، به ازای هر یک تن آلومینیوم تولیدی kg 20 AlF3 به الکترولیت اضافه می­شود.دومین مکانیزم مصرف AlF3 ناشی از الکترولیز رطوبت موجود در سلول به هر شکلی می­باشد.

گاز هیدروژن فلوئورید به شدت خطرناک می­باشد. خوشبختانه، بخارات جمع آوری می­شوند و بازده gas scrubbing به میزان زیادی در ذوب آلومینیوم بهبود پیدا کرده است، به همین دلیل میزان بسیار کمی از HF وارد potroom و محیط می­شود.

در نهایت اتلاف آلومینیوم فلوئورید به وسیله تبخیر از الکترولیت محسوس می­باشد. فرارترین گونه­ای که از الکترولیت منتشر می­شوند، بخار سدیم تترافلوئوروآلومینیوم می­باشد. این بخار بسته به ترکیب شیمیایی و دمای الکترولیت دارای فشار جزئی Pa 600-400 بر روی الکترولیت می­باشد. خوشبختانه بیشتر از 98 درصد فلوئورید، شامل HF(g)، توسط فرایند gas cleaning جمع آوری شده و به همراه آلومینای ثانویه به سلول برمی­گردند. اگر غلظت گاز HF به غلظت­های بالا، بیشتر از ppm 100، در دوره­های کوتاهی از عملیات ذوب برسد، این میزان بالای گاز احتمال مریضی تنگی نفس و آسم را افزایش می­دهد. آسم شغلی در کارگران بخش ذوب در مطالعات زیادی گزارش شده است.

3- کلسیم فلوئورید

کلسیم فلوئورید عمدا و به میزان کم به الکترولیت اضافه می­شود. به خاطر مقدار خیلی کم اکسید کلسیم موجود در آلومینا به شکل ناخالصی (تقریبا wt% 035/0)، میزان غلظت کلسیم فلوئورید در مذاب در محدوده wt% 7-4 ثابت نگه داشته می­شود. در این سطح مقدار کمی از کلسیم به درون آلومینیوم رسوب می­کند، در حالی که مقداری از آن به صورت ترکیبات کلسیمی (بخار CaCO3) خارج می­شوند.

در نهایت، وقتی کارگران با الکترولیت مذاب کار می­کنند ایمنی بالایی مورد نیاز می­باشد. هر ماده واکنش پذیری با تماس با الکترولیت و فلز می­تواند خطر ایجاد کند. رطوبت خطرناک­ترین مواد می­باشد. امکان ترکیدن الکترولیت مذاب وجود دارد، به همین دلیل باید با توجه و آگاهی رفتار شود. الکترولیت و فلز مذاب دمای تقریبا 950 دارند و حاوی فلوئورید خورنده می­باشد.