Выплавка алюминия - Aluminium smelting

Обзор плавильного завода Point Henry, эксплуатируемого Alcoa World Alumina and Chemicals в Австралии

Алюминиевый завод Straumsvik, управляемый Рио Тинто Алькан в Исландии.

Выплавка алюминия это процесс извлечения алюминий из его оксида, глинозем, как правило, Процесс Холла-Эру. Глинозем добывается из руды боксит с помощью Процесс Байера загар глиноземный завод.

Это электролитический процесс, поэтому алюминий плавильный завод использует огромное количество электроэнергии; плавильные заводы, как правило, располагаются рядом с крупными электростанциями, часто гидроэлектрический единицы, чтобы уменьшить общий углеродный след. Это важное соображение, потому что в этом процессе также используется большое количество углерода, что приводит к значительному количеству парниковый газ выбросы. Медеплавильные заводы часто расположены недалеко от портов, поскольку многие плавильные заводы используют импортный глинозем.

Схема алюминиевого завода

Электролиз Холла-Эру является основным способом производства первичного алюминия. Электролизная ячейка состоит из стального корпуса с рядом изоляционных футеровок из огнеупорных материалов. Ячейка состоит из облицованной кирпичом внешней стальной оболочки в качестве контейнера и опоры. Внутри оболочки катодные блоки скреплены набивной пастой. Верхняя футеровка контактирует с расплавленным металлом и действует как катод. Расплавленный электролит внутри ячейки поддерживается при высокой температуре. Предварительно обожженный анод также изготовлен из углерода в виде больших спеченных блоков, взвешенных в электролите. В качестве анода используется один электрод Содерберга или несколько предварительно обожженных углеродных блоков, при этом основной состав и основные реакции, происходящие на их поверхности, одинаковы.

Алюминиевый завод состоит из большого количества ячеек (электролизеров), в которых происходит электролиз. Типичный плавильный завод содержит от 300 до 720 электролизеров, каждая из которых производит около тонны алюминия в день, хотя предлагаемые крупнейшие плавильные заводы имеют мощность до пяти раз больше. Плавка осуществляется в периодическом режиме, при этом металлический алюминий осаждается на дно электролизеров и периодически сливается с помощью сифона. В частности, в Австралии эти плавильные заводы используются для управления потреблением электроэнергии в сети, и в результате электроэнергия поставляется на плавильный завод по очень низкой цене. Однако питание не должно прерываться более чем на 4–5 часов, поскольку в случае затвердевания жидкого металла необходимо отремонтировать электролизеры со значительными затратами.

Принцип

Алюминий производится электролитическое восстановление оксида алюминия, растворенного в расплаве криолит.

${\displaystyle {\ce {Al^3+ + 3e- -> Al}}}$

В то же время угольный электрод окисляется, первоначально до окиси углерода.

${\displaystyle {\ce {C + 1/2O2 -> CO}}}$

Хотя формирование монооксид углерода (CO) термодинамически благоприятен при температуре реакции, наличие значительного перенапряжения (разница между обратимым потенциалом и потенциалом поляризации) изменяет термодинамическое равновесие и смесь CO и CO
2 производится.^[1][2] Таким образом, идеализированные общие реакции могут быть записаны как

${\displaystyle {\begin{cases}{\ce {Al2O3 + 3/2C <=> 2Al + 3/2CO2}}&:\Delta G\circ =(264460+3.75T\log T-92.52T)\ {\ce {cal}}\\{\ce {Al2O3 + 3C <=> 2Al + 3CO}}&:\Delta G^{\circ }=(325660+3.75T\log T-155.07T)\ {\ce {cal}}\end{cases}}}$

За счет увеличения плотности тока до 1 А / см², доля CO
2 увеличивается, а потребление углерода уменьшается.^[3][4]

Поскольку для производства каждого атома алюминия необходимо 3 электрона, этот процесс требует большого количества электроэнергии. По этой причине алюминиевые заводы расположены недалеко от источников недорогой электроэнергии, таких как гидроэлектростанция.

Компоненты клетки

Электролит: Электролит представляет собой ванну расплава криолита (Na₃AlF₆) и растворенный оксид алюминия. Криолит - хороший растворитель для оксида алюминия с низкой температурой плавления, удовлетворительной вязкостью и низким давлением пара. Его плотность также ниже, чем у жидкого алюминия (2 против 2,3 г / см3).³), что позволяет естественным образом отделить продукт от соли на дне ячейки. Соотношение криолита (NaF / AlF₃) в чистом криолите составляет 3, с температурой плавления 1010 ° C, и он образует эвтектику с 11% глинозема при 960 ° C. В промышленных ячейках соотношение криолита поддерживается от 2 до 3, чтобы снизить его температуру плавления до 940–980 ° C.^[5][6]

Катод: Углеродные катоды в основном состоят из антрацита, графита и нефтяного кокса, которые прокаливаются при температуре около 1200 ° C, измельчаются и просеиваются перед использованием в производстве катодов. Заполнители смешиваются с каменноугольным пеком, формуются и спекаются. Чистота углерода не такая строгая, как для анода, поскольку загрязнение металла с катода незначительно. Углеродный катод должен обладать достаточной прочностью, хорошей электропроводностью и высокой устойчивостью к износу и проникновению натрия. Катоды из антрацита обладают повышенной износостойкостью.^[7] и более медленная ползучесть с меньшей амплитудой [15], чем катоды из графитового и графитированного нефтяного кокса. Вместо этого плотные катоды с более высоким графитовым порядком имеют более высокую электропроводность, более низкое потребление энергии [14] и меньшее набухание из-за проникновения натрия.^[8] Набухание приводит к раннему и неравномерному износу катодных блоков.

Анод: Углеродные аноды имеют особую ситуацию при выплавке алюминия, и в зависимости от типа анода выплавка алюминия делится на две разные технологии; «Содербергские» и «предварительно обожженные» аноды. Аноды также изготавливаются из нефтяного кокса, смешанного с каменноугольным пеком, с последующим формованием и обжигом при повышенных температурах. Качество анода влияет на технологические, экономические и экологические аспекты производства алюминия. Энергетическая эффективность связана с природой анодных материалов, а также с пористостью обожженных анодов. Около 10% мощности элемента расходуется на преодоление электрического сопротивления предварительно обожженного анода (50–60 мкОм).^[5] Углерод потребляется больше теоретического значения из-за низкого выхода по току и неэлектролитического потребления. Неоднородное качество анода из-за различий в сырье и производственных параметрах также влияет на его характеристики и стабильность электролизера.

Предварительно обожженные аноды делятся на графитированные и коксовые. Для производства графитированных анодов прокаливают и классифицируют антрацит и нефтяной кокс. Затем их смешивают с каменноугольным пеком и прессуют. Затем прессованный зеленый анод обжигается при 1200 ° C и графитизируется. Коксовые аноды изготавливаются из прокаленного нефтяного кокса, переработанных анодных стыков и каменноугольного пека (связующего). Аноды изготавливаются путем смешивания заполнителей с каменноугольным пеком с образованием пасты тестообразной консистенции. Этот материал чаще всего виброуплотняется, но на некоторых заводах прессуется. Затем зеленый анод спеченный при 1100–1200 ° C в течение 300–400 часов без графитизации для повышения прочности за счет разложения и карбонизации связующего. Более высокие температуры выпечки увеличивают механические свойства и теплопроводность, а также уменьшают количество воздуха и CO.₂ реактивность.^[9] Удельное электрическое сопротивление анодов коксового типа выше, чем у графитированных, но они имеют более высокую прочность на сжатие и меньшую пористость.^[10]

Электроды Содерберга (выпечка на месте), впервые использованные в 1923 году в Норвегии, состоят из стальной оболочки и углеродистой массы, которая спекается за счет тепла, выходящего из электролизной ячейки. Содерберг Материалы на основе углерода, такие как кокс и антрацит, измельчаются, подвергаются термообработке и классифицируются. Эти агрегаты смешиваются с пеком или маслом в качестве связующего, брикетируются и загружаются в оболочку. Температура увеличивается от нижней части к верхней части колонны, и происходит обжиг на месте, когда анод опускается в ванну. При обжиге выделяется значительное количество углеводородов, что является недостатком электродов этого типа. Большинство современных металлургических заводов используют предварительно обожженные аноды, поскольку контроль процесса проще и достигается немного лучшая энергоэффективность по сравнению с анодами Содерберга.

Экологические проблемы алюминиевых заводов

Процесс производит количество фторид напрасно тратить: перфторуглероды и фтороводород как газы, и натрий и фториды алюминия и неиспользованный криолит в виде твердых частиц. Это может составлять всего 0,5 кг на тонну алюминия на лучших заводах в 2007 году и до 4 кг на тонну алюминия в более старых конструкциях в 1974 году. Если не контролировать тщательно, фтористый водород, как правило, очень токсичен для растительности вокруг растений. Перфторуглероды - это сильные парниковые газы с длительным сроком службы.

Процесс Содерберга, в ходе которого смесь антрацит / пек обжигается по мере расходования анода, производит значительные выбросы полициклические ароматические углеводороды поскольку пек расходуется в плавильном заводе.

Покрытие горшков оказывается загрязненным цианидообразующими материалами; Алкоа есть процесс преобразования отработанные футеровки во фторид алюминия для повторного использования и синтетический песок, используемый в строительстве, и инертные отходы.

Использование энергии

Выплавка алюминия требует больших затрат энергии и в некоторых странах является экономичной только при наличии недорогих источников электроэнергии.^[11][12] В некоторых странах металлургическим предприятиям предоставляются исключения из энергетической политики, например цели в области возобновляемых источников энергии.^[13][14]

Пример алюминиевых заводов

• Алюминиевый завод Alcan Lynemouth, работающий от угольных Электростанция Lynemouth в Северо-Восточная Англия
• Англси Алюминий, питаться от Wylfa атомная электростанция на северо-западе Уэльс (закрыто с 30.09.09)
• Алюминиевый завод Valco в Гана на базе Проект гидроэлектростанции Акосомбо
• Fjarðaál в Исландия на базе Карахнюкарская ГЭС
• Джарсугуда в Орисса, Индия, который будет питаться от собственной угольной электростанции мощностью 1 215 мегаватт (1 629 000 л.с.).
• Aluminerie Alouette в Сентябрь-Иль, Квебек.
• Alba Smelter в Бахрейн, работающая от собственных четырех электростанций общей генерирующей мощностью 2 265 мегаватт (3 037 000 л.с.).

Смотрите также

• Список алюминиевых заводов
• Список глиноземных заводов
• Свинцовый завод
• Плавка цинка
• Процесс Холла – Эру с твердым оксидом

Рекомендации

1. К. Грйотейм и К. Крон, Электролиз алюминия: химия процесса Холла-Эру: Aluminium-Verlag GmbH, 1977.
2. Ф. Хабаши, Справочник по добывающей металлургии, том. 2: Wiley-VCH, 1997.
3. Kuang, Z .; Thonstad, J .; Rolseth, S .; Сёрли, М. (апрель 1996 г.). «Влияние температуры обжига и плотности анодного тока на расход анодного углерода». Металлургические операции и операции с материалами B. 27 (2): 177–183. Дои:10.1007 / BF02915043.
4. Farr-Wharton, R .; Welch, B.J .; Hannah, R.C .; Dorin, R .; Гарднер, Х. Дж. (Февраль 1980 г.). «Химическое и электрохимическое окисление гетерогенных углеродных анодов». Electrochimica Acta. 25 (2): 217–221. Дои:10.1016/0013-4686(80)80046-6.
5. Ф. Хабаши, «Добывающая металлургия алюминия», в Справочнике по алюминию: Том 2: Производство сплавов и производство материалов. т. 2, G. E. Totten и D. S. MacKenzie, Eds., Первое издание: Marcel Dekker, 2003, стр. 1–45.
6. Фостер П. А. Фазовая диаграмма части системы Na₃AlF₆-AlF₃-Al₂О₃, "Журнал Американского керамического общества, том 58, стр. 288–291, 1975 г.
7. Welch, B.J .; Hyland, M. M .; Джеймс, Б. Дж. (Февраль 2001 г.). «Будущие потребности в материалах для высокоэнергетического производства алюминия». JOM. 53 (2): 13–18. Bibcode:2001JOM .... 53b..13W. Дои:10.1007 / s11837-001-0114-8.
8. Brisson, P.-Y .; Дармштадт, H .; Fafard, M .; Adnot, A .; Слуга, G .; Суси, Г. (июль 2006 г.). «Исследование натриевых реакций в углеродных катодных блоках ячеек восстановления оксида алюминия с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии». Углерод. 44 (8): 1438–1447. Дои:10.1016 / j.carbon.2005.11.030.
9. W. K. Fischer, et al., «Параметры обжига и качество получаемого анода», Ежегодное собрание TMS, Денвер, Колорадо, США, 1993, стр. 683–689.
10. М. М. Гасик и М. Л. Гасик, «Выплавка алюминия», в Справочнике по алюминию: Том 2: Производство сплавов и производство материалов. т. 2, Дж. Э. Тоттен и Д. С. Маккензи, ред., Изд .: Марсель Деккер, 2003 г., стр. 47–79.
11. «Мировой алюминий - энергоемкость плавки первичного алюминия».
12. "Алюминиевый информационный бюллетень". Геонауки Австралия. Архивировано из оригинал на 2015-09-23. Получено 2015-09-02. В процессе плавки расходуется большое количество энергии; от 14 000 до 16 000 киловатт-часов электроэнергии необходимо для производства одной тонны алюминия из примерно двух тонн глинозема. Следовательно, наличие дешевой электроэнергии имеет важное значение для экономичного производства.
13. «Лучшие практики энергоэффективности в алюминиевой промышленности Австралии» (PDF). Департамент промышленности, науки и ресурсов - Правительство Австралии. Июль 2000 г. Архивировано с оригинал (PDF) на 2015-09-24. Получено 2015-09-02.
14. «Австралийский алюминиевый совет - Представление Комиссии по производительности для расследования энергоэффективности» (PDF).