Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с алюминиевого завода )
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, оксида алюминия , 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 . 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 состоят из углерода в виде крупных 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 в пять раз превышают мощность. Плавка ведется как периодический процесс, при этом металлический алюминий осаждается на дно электролизеров и периодически сливается с помощью сифона. В частности, в Австралии эти плавильные заводы используются для регулирования спроса на электросети, 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 [ 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 благоприятно 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 требуется 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 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 / см 3 ), что позволяет естественным образом отделить продукт от соли на дне ячейки. Отношение 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 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 имеют более высокую износостойкость [7] и более медленную ползучесть с меньшей амплитудой [15], чем катоды из графита и графитированного нефтяного кокса. Вместо этого плотные катоды с более 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 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 расходуемые углеродные аноды делятся на графитированные и коксовые. Для изготовления 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 состоят 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 графитации 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 повышается от низа к верху 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 плавильных 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 результате процесса 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 тщательно, фтористый водород, 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.

Облицовка горшков в конечном итоге загрязняется 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, целевые показатели использования возобновляемых источников энергии . [13] [14]

Пример алюминиевых заводов [ править ]

  • Алюминиевый завод Alcan Lynemouth , работающий от угольной электростанции Lynemouth в Северо-Восточной Англии
  • Anglesey Aluminium , работающий на атомной электростанции Wylfa на северо-западе Уэльса (остановлен 30.09.09)
  • Алюминиевый завод Valco в Гане , работающий на гидроэлектростанции Акосомбо
  • Fjarðaál в Исландии , питание от ГЭС Каранюкар
  • 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 .; Сорли, 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. ^ Farr-Wharton, R .; Уэлч, Б.Дж.; Hannah, RC; Дорин, Р .; 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», в Ежегодном собрании 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, стр. 47–79.
  11. ^ "Мировой Алюминий - Первичная Энергетическая Выплавка 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. Поэтому наличие дешевой электроэнергии имеет важное значение для экономичного производства.
  13. ^ «Лучшие практики энергоэффективности в австралийской алюминиевой промышленности» (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 для расследования энергоэффективности» (PDF) .