Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Алюминиевый завод Straumsvik в Исландии
Алюминиевый завод в Страумсвике, управляемый Rio Tinto Alcan в Исландии.

Плавка алюминия - это процесс извлечения алюминия из его оксида, глинозема , обычно по процессу Холла-Эру . Глинозем извлекается из бокситовой руды с помощью процесса Байера на глиноземном заводе .

Это электролитический процесс, поэтому алюминиевый завод потребляет огромное количество электроэнергии; Металлургические заводы обычно располагаются рядом с крупными электростанциями, часто с гидроэлектростанциями , чтобы уменьшить общий углеродный след. Это важное соображение, поскольку в этом процессе также используется большое количество углерода, что приводит к значительным выбросам парниковых газов. Медеплавильные заводы часто расположены недалеко от портов, поскольку многие плавильные заводы используют импортный глинозем.

Схема алюминиевого завода [ править ]

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 сделан 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 нельзя прерывать подачу электроэнергии более чем на 4–5 часов, так как при затвердевании жидкого металла необходимо отремонтировать электролизеры со значительными затратами.

Принцип [ править ]

Алюминий получают электролитическим восстановлением оксида алюминия, растворенного в расплавленном криолите .

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

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

При увеличении плотности тока до 1 А / см 2 доля CO
2увеличивается, 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 гидроэлектростанции .

Компоненты ячейки [ править ]

Электролит: электролит представляет собой ванну-расплав криолита (Na 3 AlF 6 ) и растворенного оксида алюминия. Криолит - хороший растворитель 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 / см 3 ), что позволяет естественным образом отделить продукт от соли на дне ячейки. Соотношение криолита (NaF / AlF 3 ) в чистом криолите составляет 3, с температурой плавления 1010 ° C, и он образует эвтектику с 11% оксида алюминия 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 запекаются. Чистота углерода не такая строгая, как для анода, поскольку загрязнение металла с катода незначительно. Угольный катод должен иметь соответствующую прочность, хорошую электропроводность и высокую стойкость к износу и проникновению натрия. Катоды из антрацита обладают более высокой износостойкостью [7] и более медленной ползучестью с меньшей амплитудой [15], чем катоды из графита и графитированного нефтяного кокса. Вместо этого плотные катоды с более высоким графитовым порядком имеют более высокую электропроводность, меньшее 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 различные 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. Энергоэффективность 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 агрегатов с каменноугольным пеком с образованием пасты тестообразной консистенции. Этот материал чаще всего виброуплотняется, но на некоторых заводах прессуется. Затем зеленый анод спекается.при 1100–1200 ° C в течение 300–400 часов без графитизации для повышения прочности за счет разложения и карбонизации связующего. Более высокие температуры обжига увеличивают механические свойства и теплопроводность, а также снижают реакционную способность воздуха и CO 2 . [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 (обжиг на месте), впервые использованные в 1923 году в Норвегии, состоят из стальной оболочки и углеродистой массы, которая спекается за счет тепла, уходящего 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 [ править ]

В процессе образуется некоторое количество фторидных отходов: перфторуглероды и фтористый водород в виде газов, а также фториды натрия и 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 старых конструкциях в 1974 году. Если не контролировать процесс тщательно, фторид водорода, как правило, очень токсичен для растительности вокруг растений. Перфторуглероды - это сильные парниковые газы с длительным сроком службы.

Процесс Содерберга, который обжигает смесь антрацит / пек по мере расходования анода, дает значительные выбросы полициклических ароматических углеводородов по мере того, как пек расходуется в плавильном заводе.

Покрытие горшков в конечном итоге загрязнено цианидообразующими материалами; У Alcoa есть процесс преобразования отработанной футеровки во фторид алюминия для повторного использования и синтетический песок, используемый для строительных целей, и инертные отходы.

Использование энергии [ править ]

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 отношении возобновляемых источников энергии . [13] [14]

Примеры алюминиевых заводов [ править ]

  • Alcan Lynemouth Aluminium Smelter , работающий от угольной электростанции Lynemouth в Северо-Восточной Англии
  • Anglesey Aluminium , работающий на атомной электростанции Wylfa в северо-западном Уэльсе (остановлен 30.09.09)
  • Алюминиевый завод Valco в Гане , работающий на гидроэлектростанции Акосомбо
  • Fjarðaál в Исландии , питание от ГЭС Карахнюкар
  • Джарсугуда в Ориссе, Индия , будет работать от собственной угольной электростанции мощностью 1215 мегаватт (1 629 000 л.с.).
  • Aluminerie Alouette в Септ-Иль , Квебек.
  • Alba Smelter в Бахрейне , работающий на собственных четырех электростанциях с общей генерирующей мощностью 2 265 мегаватт (3 037 000 л.с.).

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ К. Grjotheim и С. Крон, алюминиевый электролизер: Химический состав процесса Холла-Эру: Алюминий-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 и Транзакция материалов B . 27 (2): 177–183. DOI : 10.1007 / BF02915043 .
  4. ^ Фарр-Уортон, Р .; Уэлч, Б.Дж.; Hannah, RC; Dorin, R .; Гарднер, HJ (февраль 1980 г.). «Химическое и электрохимическое окисление гетерогенных углеродных анодов». Electrochimica Acta . 25 (2): 217–221. DOI : 10.1016 / 0013-4686 (80) 80046-6 .
  5. ^ a b Ф. Хабаши, «Добывающая металлургия алюминия», в Справочнике по алюминию: Том 2: Производство сплавов и производство материалов. т. 2, GE Totten and DS MacKenzie, Eds., Первое издание: Марсель Деккер, 2003 г., стр. 1–45.
  6. ^ PA Foster, "Фазовая диаграмма части системы Na 3 AlF 6 -AlF 3 -Al 2 O 3 ", Журнал Американского керамического общества, вып. 58. С. 288–291, 1975.
  7. ^ Уэлч, BJ; Хайленд, ММ; Джеймс, Би Джей (февраль 2001 г.). «Будущие потребности в материалах для высокоэнергетического производства алюминия». JOM . 53 (2): 13–18. Bibcode : 2001JOM .... 53b..13W . DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.carbon.2005.11.030 .
  9. ↑ WK Fischer, et al., «Параметры выпечки 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, GE Totten and DS MacKenzie, Eds., Ed: Marcel Dekker, 2003, pp. 47–79.
  11. ^ "Мировой Алюминий - Первичная Энергетическая Плавка Алюминия" .
  12. ^ "Алюминиевый информационный бюллетень" . Геонауки Австралия. Архивировано из оригинала на 2015-09-23 . Проверено 2 сентября 2015 . В процессе плавки расходуется большое количество энергии; от 14 до 16 МВт-ч электроэнергии требуется 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. Архивировано из оригинала (PDF) на 2015-09-24 . Проверено 2 сентября 2015 .
  14. ^ «Австралийский Алюминиевый Совет - Представление Комиссии по Производительности Расследования по Энергоэффективности» (PDF) .