سیکل تولید آلومینیوم اولیه

تولید صنعتی آلومینیوم اولیه به وسیله فرایند هال-هرولت انجام می شود. هال و هرولت به صورت جداگانه در سال 1886 فرایند الکترولیزی را توسعه دادند که در آن اکسید آلومینیوم در یک الکترولیت حاوی عمدتا کریولیت و آلومینیوم فلورید حل می شود. در سلول های الکترولیز مدرن آلومینیوم، چندین آند prebaked کربنی درون کریولیت غوطه ور می شوند و یون های اکسید از آلومینای حل شده خارج شده و به سمت آند می روند. اکسیدها به سرعت با آند کربنی واکنش داده و در نهایت آن را با تولید گاز کربن دی اکسید مصرف می کند. در زیر الکترولیت، استخری از آلومینیوم مذاب بر روی کاتد سلول وجود دارد. آلومینیوم تازه از آنیون های حاوی آلومینیوم در فصل مشترک آلومینیوم الکترولیت تولید می شود.

ساختمان هایی که سلول­های الکترولیز در آن قرار دارند بسیار عظیم می باشند و می توانند بیش تر از یک کیلومتر طول داشته باشند. در یک potroom بین 100 تا 400 سلول الکترولیز به صورت سری به یکدیگر متصل می شوند، به طوری که کاتد یک سلول به آند سلول بعدی متصل می شود. اتصال سری این اجازه را می­دهد تا از رکتی فایر با ولتاژ بالا استفاده کرد و برای potline های جدید، بیشترین ولتاژ ممکن است به بالاتر از V 1500 برسد. اگرچه جریان potline ثابت نگه داشته می­شود، اما هر سلول ولتاژ منحصر به فرد خود را دارد تا الزامات تکنولوژیکی فرایند از قبیل: بالانس حرارت، شرایط عملیات سلول و سن و شرایط کاتد برآورده شود.

هم اکنون potline های مدرن آمپر بین KA 300 تا KA 600 دارند، که بزرگ ترین سلول­های حال حاضر می­باشند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است سلول ها به صورت پهلو به پهلو گذاشته می شوند تا عوارض مغناطیسی جریان بالا و اتلاف حرارت از سلول ها کاهش یابد. سلول­های قدیمی­تر که آمپر کمتر از KA 200 داشته­اند که اغلب به صورت انتها به انتها قرار داده می­شدند.

این سلول­ها به صورت شبانه روزی این فلز ارزشمند را به میزان زیاد تولید می­کنند، این مقدار ممکن است 100 کیلوگرم به ازای هر ساعت و یا بیشتر باشد. با جمع کردن میزان آلومینیوم تولیدی توسط هر سلول میزان تولید آلومینیوم در یک کارخانه بسیار زیاد خواهد شد به طوری که بزرگ ترین تولید کنندگان آلومینیوم جهان میزان تولید سالانه بیشتر از 1 میلیون تن نیز گزارش کرده ­اند.

فرایند تولید آلومینیوم هنوز هم از یک فرایند تمام اتوماتیک فاصله دارد. جرثقیل (کرین)ها با حرکت جلو و عقب خود به انتقال و تعویض آندها و تخلیه آلومینیوم از سلول کمک می­کنند. ماشین­های بزرگی مذاب­ها را به خارج از potline انتقال می­دهند. این ماشین­ها مذاب را به کارگاه ریخت به منظور ریخته­گری و یا عملیات اضافی انتقال می­دهند.

قسمت بالایی سلول سوپراستراکچر سلول نامیده می­شود. هودها به منظور آسان سازی امر جمع­آوری گازهای آند و بخارات فلوئوریدی از الکترولیت و انتقال آنها به واحد گردوغبار در آن قسمت قرار داده شده­اند. میله های آلومینیومی بزرگ عمودی (رایزر آندها نامیده می­شوند) اتصال جریان از کاتد منفی سلول همسایه به آند مثبت سلول مورد نظر را برقرار می­کند.

یک لایه از آلومینا به علاوه الکترولیت جامد روی آند را پوشش می­دهد. برای اضافه کردن اتوماتیک آلومینا به الکترولیت باید این پوسته سخت تشکیل شده بر روی آندها شکسته شود که این کار در قسمت بین دو ستون آند انجام می­شود. در زیر این پوسته یک لایه cm 20-15 الکترولیت و یک لایه cm 20-10 از آلومینیوم مذاب در زیر الکترولیت قرار دارد.این دو مذاب چگالی متفاوت دارند و به همین خاطر با یکدیگر مخلوط نمی­ شوند.

آلومینا در الکترولیت حل می­شود، سپس به منظور تولید آلومینیوم مذاب در کاتد الکترولیز می­شود. در potroom ها به خاطر گرمای ساطع شده از سلول­ها، گرمای محیطی بالایی وجود دارد. اگر سیستم­های تهویه طبیعی در potlineها تعبیه نشود، دمای محیط در potline افزایش خواهد یافت. در مناطق داغ، در معرض گرما قرار گرفتن مشکلات جدی در potroom به وجود می­آورد، به همین دلیل برنامه­های متعددی برای اطلاعات، سازش با محیط و تدابیر پیشگیرانه وضع می­شود.

جریان بالایی که در هر سلول جریان دارد، میدان­های مغناطیسی ایستای قوی ایجاد می­کند. از آنجایی که این میدان­ها توسط بدن انسان حس نمی­­شود، می­توانند به ساعت و کارت­های اعتباری آسیب بزنند. افرادی که دستگاه تنظیم کننده ضربان قلب دارند نباید اجازه داده شود تا وارد این قسمت شوند، چون ممکن است این دستگاه­ها نیز تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار گیرند.در سیستم­های بزرگ اتصالات زیادی هست که به وسیله مواد آزبست بسته شده­اند. سابقا از آزبست به منظور جلوگیری از نشت فلز مذاب از سلول استفاده می­شد. آزبست به عنوان یک ماده سرطان­زا شناخته شده می­باشد.

در طی سال­های پس از اختراع در سال 1886، تولید صنعتی آلومینیوم از صنعت به علم توسعه پیدا کرد. فهم بیش­تر فرایند از تحقیقات فراوان و کارهای توسعه­ای به خصوص در نیمه دوم قرن بیستم به دست آمد. این تحقیقات هم در کارخانه­های آلومینیوم و هم موسسات آکادمیک انجام شد.واکنش الکتروشیمیایی کلی برای تولید صنعتی آلومینیوم مذاب ممکن است به صورت زیر نوشته شود:

این واکنش بسیار ساده می­باشد و دو ماده خام اصلی آلومینا و کربن و دو محصول آلومینیوم مذاب و کربن دی اکسید را نشان می­دهد.میزان مواد خام استفاده شده در فرایند در شکل 2 نشان داده شده است. آلومینا بر اساس نسبت استوکیومتری پیش­بینی شده دراین واکنش مصرف می­شود. میزان تئوری مصرف آلومینا kg 89/1 به ازای تولید یک کیلوگرم آلومینیوم می­باشد.اگرچه در عمل میزان استفاده شده آلومینا به ازای تولید یک تن آلومینیوم kg 93/1 می باشد و دلیل آن کاملا خالص نبودن آلومینای خریداری شده می­­باشد.

آلومینا همیشه حاوی مقادیر کمی از ناخالصی­های اکسیدی مانند Na2O, CaO, Fe2O3 و SiO2 می­باشد. به علاوه از واکنش بالا برداشت می­شود که به ازای تولید هر مول آلومینیوم سه چهارم مول گاز CO2 تولید می­شود. یک دوم مول آلومینا باید به صورت تئوری با kg 33/0 کربن واکنش دهد تا kg 1 آلومینیوم و kg 22/1CO2 تولید شود. با این وجود، به دلیل دیگر واکنش­های کربن با اکسیژن و CO2 بین 4/0 تا 45/0 کیلوگرم کربن به ازای هر کیلوگرم آلومینیوم مصرف می­شود. این مصرف خالص آند نامیده می­شود و منجر به تولید تقریبا 5/1kg گاز CO2 با ازای یک کیلوگرم آلومینیوم می­شود.

آلومینا باید به طور منظم به الکترولیت اضافه شود تا تولید الکترولیتیک طبیعی به صورت پیوسته حفظ شود. سلول­های الکترولیز جدید دارای سیستم تغذیه نقطه­ای برای شارژ آلومینا هستند. آلومینا به صورت خودکار از هاپری که در قسمت سوپراستراکچر سلول قرار دارد شارژ می­شود. در هر دو تا شش بار شارژ سلول توسط سیستم تغذیه، kg1 آلومینا در هر دقیقه یا بیشتر، به الکترولیت اضافه می­شود. این کم اضافه کردن توانایی پودر آلومینا را برای حل شدن، مخلوط شدن و پراکنده شدن در الکترولیت را افزایش می­دهد.

غلظت متوسط آلومینا در الکترولیت معمولا در محدوده 2 تا 4 درصد نگه داشته می­شود. غلظت بالاتر آلومینا ممکن است باعث تشکیل مقادیر اضافی آلومینای غیرقابل حل شود، که در اصطلاح صنعتی به آن رسوب (sludge) گفته می­شود. Sludge به خاطر چگالی بالایش در پایین فلز مذاب جمع می­شود. Sludge ناخواسته می­باشد هیچ استفاده مفیدی در سلول ندارد، چون با افزایش مقاومت الکتریکی سلول باعث افزایش ولتاژ آن می­شود.

برعکس، غلظت پایین آلومینا در الکترولیت می­تواند به طور چشم­گیری فرایند آند را تغییر دهد که anode effect نامیده می­شود. Anode effect به دلیل تشکیل یک لایه گازی عایق الکتریسیته در زیر آند، باعث افزایش ولتاژ در سلول می­شود. در این هنگام ترکیب شیمیایی گاز آند به طور ناگهانی از تقریبا CO2 خالص به عمدتا CO تغییر کرده و همچنین مقادیری از ترکیبات گازهای پرفلوئورکربن، CF4 و مقدار کمی از گاز C2F6 تشکیل می­شود. این گازها، گازهای گلخانه­ای با پتانسیل گرمایش جهانی بالا هستند و طول عمر بالایی در اتمسفر دارند.

تشکیل این گازها می­توانند با کاهش فرکانس anode effect و مدت anode effect کاهش یابد. در حال حاضر همه تولید کنندگان آلومینیوم پیشرفت های قابل توجهی در کاهش انتشارات گازهای پرفلوئورکربن داشته­اند. اغلب سلول­های prebaked مدرن به طوری کنترل می­شوند که برای مدت یک هفته یا چندین ماه بدون حتی یک anode effect کار می­کنند.قبل از ترک کردن موضوع anode effect، این موضوع باید ذکر شود که 70 تا 80 درصد گاز تولید شده در زیر آند CO می­باشد. در برخی موارد برای پایان دادن به anode effect ممکن است نیاز به مداخله دستی باشد که اپراتور ممکن است این گاز سمی را تنفس کند. حتی اگر این پدیده به صورت جزیی مطالعه نشده باشد، غلظت گاز CO در محیط کار در potline ها باید پایین­تر از حد مضر برای انسان باشد.

علاوه بر اینکه مواد اولیه برای تولید لازم می­باشند، آلومینا زمانی که بر روی پوسته جامد روی الکترولیت قرار می­گیرد، به عنوان عایق حرارتی عمل می­کند و اتلاف حرارت را کاهش می­دهد. آلومینا همچنین برای پوشانده روی آند نیز استفاده می­شود، که باعث نگهداری حرارت و به حداقل رسانده سوختن آند کربنی در هوا می­شود. بیشتر اوقات مخلوطی از پودر آلومینا و تکه­های جامد الکترولیت استفاده می­شود.سومین نقش بزرگ آلومینا مهم ترین آن می­باشد. آلومینا برای گرفتن انتشارات فلوئوریدی از سلول در تمیز کننده گاز آند استفاده می­شود. این روش به نام dry scrubbing method شهور می­باشد.

پودر آلومینا هیدروژن فلوئوراید را جذب و همچنین میعانات فلوئوریدی را به دام می­اندازد. آلومینای به دست آمده به نام آلومینای ثانویه معروف می­باشد و برای تغذیه به درون سلول استفاده می­شود. گاز خارج شده از دودکش­ها حاوی CO2 و مقدار کمی گاز پرفلوئورکربن می­باشد که به درون اتمسفر رها می­شود.فرایندهای قبل از فرستادن مذاب به کارگاه ریخت، فرایندهای upstream نامیده می­شوند، درحالی که فرایندها در کارگاه ریخت برای تولید محصول نهایی فرایندهای downstream نامیده می­شوند.