Выплавка алюминия - Aluminium smelting

Металлургический завод Point Henry в Австралии
Обзор плавильного завода в Пойнт-Генри, управляемого Alcoa World Alumina and Chemicals в Австралии
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, как правило, располагаются рядом с крупными электростанциями, часто с гидроэлектростанциями , чтобы снизить затраты и уменьшить общий углеродный след . 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. Электролитическая ячейка состоит из стального кожуха 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 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 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

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

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

Хотя образование монооксида 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
2
производится. Таким образом, идеализированные общие реакции можно записать как

При увеличении плотности тока до 1 А / см 2 доля CO
2
увеличивается, а потребление углерода уменьшается.

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

Компоненты клетки

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.

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 и более медленную 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. 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). 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 сырой анод спекают при 1100–1200 ° C в течение 300–400 часов без графитации для повышения его 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 . Удельное электрическое сопротивление анодов коксового типа выше, чем у графитированных, но они имеют более высокую прочность на сжатие и меньшую пористость.

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 плавильных заводов используют предварительно обожженные аноды, поскольку контроль процесса проще и достигается немного лучшая энергоэффективность по сравнению с анодами Содерберга.

Экологические проблемы алюминиевых заводов

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 быть всего лишь 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

Выплавка алюминия требует больших затрат энергии и в некоторых странах является экономичной только при наличии недорогих источников электроэнергии. В некоторых странах металлургическим предприятиям предоставляются исключения из энергетической политики, например, целевые показатели использования возобновляемых источников энергии .

Пример алюминиевых заводов

Смотрите также

использованная литература