ذوب آلومینیوم

Overview of the Point Henry smelter, operated by Alcoa World Alumina and Chemicals in Australia
استخراج آلومینیوم به فرایند تولید آلومینیوم از اکسید آن، آلومینا اطلاق می‌شود که به‌طور کلی توسط فرایند هال-هرولت (به انگلیسی: Hall-Héroult process) انجام می‌شود. آلومینا از سنگ معدن بوکس یت (به انگلیسی: bauxite) از طریق فرایند بایر (به انگلیسی: Bayer process) در پالایشگاه آلومینا استخراج می‌شود.
این فرایند یک فرایند الکترولیز است و بسیار پر مصرف می‌باشد و برای استخراج آلمینیوم، مقدار قابل توجهی برق مصرف می‌شود بنابراین این واحدهای صنعتی تمایل دارند که بسیار نزدیک به نیروگاه‌های بزرگ، اغلب آبی-الکتریکی و در نزدیکی بنادر واقع شوند، زیرا تقریبا همه آنها از آلومینا وارداتی استفاده می‌کنند که نیازمند حمل نقل گسترده می‌باشد و با واقع شدن در کنار بنادر می‌توان حجم انبوه نقل و انتقالات را کاهش داد. مقادیر زیادی از کربن نیز در این فرایند مورد استفاده قرار می‌گیرد که در خروجی میزان قابل توجهی از گازهای گلخانه‌ای را به وجود می‌آورد.
طرح کلی یک واحد استخراج آلمینیوم
فرایند الکترولیز هال_هرولت، یک روش عمومی برای تولید آلومینیوم اولیه است. یک سلول الکترولیز از پوسته‌ای فولادی با مجموعه‌ای از پوشش‌های عایق بندی شده از جنس مواد نسوز ساخته شده‌است. این سلول شامل یک پوسته اجری در پشت پوسته فولادی به عنوان یک نگه دارنده و پشتیبان نیز می‌باشد. در داخل سلول، بلوک‌های کاتدی در کنار هم و بر روی پوسته فولادی قرار دارند و روی این پوشش در تماس با فلز مذاب است و با عنوان کاتد عمل می‌کند. الکترولیت داخل سلول‌ها در دمای بسیار بالا قرار دارد. آند پیش پخت شده نیز از جنس کربن ساخته می‌شود و به شکل بلوک‌های بزرگ متخلخل در الکترولیت قرار دارد. یک الکترود یا تعدادی از بلوک‌های کربنی پیش پخت شده به عنوان آند استفاده می‌شوند.
یک واحد ذوب آلمینیوم شامل تعداد زیادی سلول‌های ذوب (گلدان) است که در آن‌ها عملیات الکترولیز اتفاق می‌افتد. یک واحد متداول و معمولی حاوی ۳۰۰ تا ۷۲۰ گلدان می‌باشد که هر کدام حدود یک تن آلومینیم در روز تولید می‌کنند، هرچند که بزرگترین تولیدکنندگان مطرح در این صنعت، بیش از پنج برابر این ظرفیت تولید دارند. این فرایند ذوب به عنوان یک فرایند دسته‌ای (به انگلیسی: Batch) اجرا می‌شود و فلز آلومینیوم جمع شده در پایین گلدان‌ها به صورت دوره‌ای خالی می‌شود. در کشورهای زیادی به ویژه استرالیا، این واحدهای ذوب اکثرا برای کنترل تقاضای شبکه برق مورد استفاده قرار می‌گیرند و درنتیجه برق می‌تواند با قیمت بسیار مناسبی در اختیار آنها قرار بگیرد. با این حال، قدرت مصرفی را نباید بیش از ۴–۵ ساعت قطع کرد، زیرا اگر مایع داخل گلدان‌ها جامد شود، گلدان باید با هزینه قابل توجهی تعمیر شوند.
اصول و قواعد
آلومینا عموما در دمای ۹۶۰ درجه سانتی گراد در نمک کریولیت مذاب (به انگلیسی: cryolite) حل می‌شود. معادلات ساده شده این واکنش در زیر آمده‌است:
Al 2 O 3 + 3/2C = 2Al + 3/2CO 2 : G° = 264460 + 3.75 TlogT - 92.52 T cal
Al 2 O 3 + 3C = 2Al + 3CO: G° = 325660 + 3.75 TlogT - 155.07 T cal
گرچه تشکیل مونوکسید کربن(CO) در این دما از لحاظ ترمودینامیکی مطلوب می‌باشد، ولی وجود میزان قابل توجه overvoltage موجب تغییر تعادل ترمودینامیکی و تولید مخلوط CO و CO2 می‌شود. در نتیجه الکترولیز، آندهای کربنی مصرف شده و در نتیجه باعث مصرف انرژی بالا و انتشار گازهای گلخانه‌ای در کارخانجات ذوب می‌شوند.
واکنش Boudouard نیز می‌تواند به عنوان یک واکنش جانبی در این فرایند رخ دهد:
CO 2 + C → 2CO: G° = 40800-41.7 T cal
CO2 با ذرات کربن و همچنین آند واکنش داده و مونوکسید کربن ایجاد می‌کند. تشکیل CO باعث مصرف دو برابری کربن نسبت به تشکیل CO2 می‌شود. با افزایش چگالی جریان تا 1 A/cm2، نسبت تولید CO2 افزایش می‌یابد و مصرف کربن کاهش می‌یابد.
اجزاء سلول‌ها
الکترولیت: الکترولیت یک حمام مذاب از کریولیت (به انگلیسی: Cryolite) با فرمول شیمیایی Na3AlF6 و آلومینای محلول در آن است. کریولیت یک حلال خوب برای آلومینا با نقطه ذوب پایین، ویسکوزیته مناسب و فشار بخار کم است. چگالی آن نیز کمتر از آلومینیوم مایع (2 vs 2.3 g/cm3) است، که به جداسازی طبیعی محصول (آلومینیوم مذاب) از نمک کریولیت در پایین سلول کمک می‌کند. دمای ذوب شدن کریولیت ۱۰۱۰ درجه سانتیگراد است و یک یوتکتیک با ۱۱٪ آلومینا در دمای ۹۶۰ درجه سانتیگراد ایجاد می‌کند. در سلول‌های صنعتی نسبت کریولیت به آلومینا بین ۲ تا ۳ نگهداری می‌شود تا دمای ذوب آن بین ۹۴۰ تا ۹۸۰ درجه سانتیگراد کاهش یابد.
کاتد: کاتدهای کربنی اساسا از آنتراسیت (به انگلیسی: anthracite)، گرافیت و کک نفتی ساخته می‌شوند که قبل از استفاده به عنوان کاتد، فشرده شده و در دمای حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد داخل کوره پخته و کلسینه می‌شوند. مصالح کاتدها با قطران زغال سنگ مخلوط شده سپس پرس می‌گردند و پخته می‌شوند. کاتد کربنی باید دارای استحکام کافی، هدایت الکتریکی خوب و مقاومت بالا در برابر سایش و نفوذ سدیم باشد. کاتدهای آنتراسیت دارای مقاومت بیشتر در برابر سایش و خزش کمتری نسبت به کاتدهای گرافیتی و کک نفتی گرافیتی شده می‌باشد. در عوض، کاتدهای متراکم با نسبت‌های گرافیت بیشتر، هدایت الکتریکی بالاتر، مصرف انرژی پایین‌تر، و ورم کردگی کمتر به علت نفوذ سدیم دارند. از نتایج ورم کردگی کاتدها، خوردگی غیر یکنواخت و سریع بلوک کاتد می‌باشد.
آند: آندهای کربنی وضعیت خاصی در ذوب آلومینیوم دارند و بسته به نوع آند، ذوب آلومینیوم به دو تکنولوژی متفاوت تقسیم می‌شود. یعنی آندهای " Soderberg " و آندهای " prebaked ". آندها از کک نفتی مخلوط شده با قطران زغال سنگ ساخته شده سپس فرم دهی می‌شوند در دمای بالا پخت می‌شوند. کیفیت آند بر جنبه‌های تکنولوژیکی، اقتصادی و زیست‌محیطی تولید آلومینیوم تاثیر می‌گذارد. راندمان انرژی فرایند مستقیما با ماهیت مواد آند و همچنین تخلخل آندها پخته شده ارتباط دارد. در حدود ۱۰٪ از قدرت سلول برای غلبه بر مقاومت الکتریکی آندها پیش پخت شده(۵۰–۶۰ m).5 مورد استفاده قرار می‌گیرد. مصرف کربن بیش از مقدار تئوری، به دلیل راندمان جریان پایین و مصرف غیر الکترولیتی می‌باشد. کیفیت غیرهمگن آندها با توجه به تنوع مواد اولیه و پارامترهای تولید بر روی کارایی و پایداری سلول‌ها موثر می‌باشد.
آندهای Prebaked به انواع گرافیتی و کک تقسیم می‌شوند. برای تولید آندهای گرافیتی، آنتراسیت و کک نفتی کلسینه شده و طبقه‌بندی می‌شوند. سپس آنها را با قطران زغال سنگ مخلوط می‌کنند و فشرده می‌سازند. آنودهای فشرده شده سپس در دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد پخته شده و گرافیتی می‌شود. آندهای «کک» از کک نفتی کلسینه شده، بوته‌ها و اندهای بازیافت شده و قطران زغال سنگ ساخته می‌شوند. آندها با مخلوط کردن مواد فوق در زمینه قطران زغال سنگ تولید می‌شوند تا خمیر باقوامی تشکیل دهند. این مواد اغلب با ارتعاش فشرده می‌گردند اما در برخی از کارخانجات پرس می‌شوند. این آندها نیز سپس در مدت ۳۰۰–۴۰۰ ساعت در دمای ۱۱۰۰–۱۲۰۰ درجه سانتیگراد، بدون گرافیتی سازی، زینتر می‌گردند. دمای بالاتر پخت باعث افزایش خواص مکانیکی و هدایت حرارتی می‌شود و واکنش پذیری هوا و CO2 را کاهش می‌دهد. مقاومت الکتریکی ویژه آندهای کک از گرافیتی‌ها بالاتر است، اما آنها دارای مقاومت فشاری بالاتر و تخلخل پایین‌تر هستند.
الکترودهای Soderberg (پخت در محل)، که برای اولین بار در سال ۱۹۲۳ در نروژ مورد استفاده قرار گرفت، شامل یک پوسته فولادی و یک توده کربن دار است که توسط گرمای متصاعد شد از سلول الکترولیزی پخته می‌شود. مواد کربن دار مورد استفاده در الکترودهای سادربرگ موادی از قبیل کک و آنتراسیت خرد شده هستند، که حرارت دیده و طبقه‌بندی می‌شوند. این مصالح با قیر یا روغن به عنوان اتصال دهنده ترکیب و سپس بریکت شده و در محفظه‌ها بارگیری می‌شوند. دمای محفظه‌ها در کنار سلول‌ها افزایش یافته و آندها در محل پخت می‌شوند. در این روش مقادیر زیادی از ترکیبات هیدروکربن دار آزاد می‌شود که از جمله معایب این روش نسبت به روش Prebaked می‌باشد. امروزه در سلول‌های مدرن معمولا از الکترودهای پیش پخته استفاده می‌شود زیرا کنترل عملیات در آنها راحت‌تر است و راندمان انرژی بالاتر نسبت به روش سادربرگ دارند.
تانتال
آلیاژهای آلومینیوم
ورق آلومینیومی
فهرست کشورهای تولیدکننده آلومینیوم