Jump to content

Выплавка алюминия

Алюминиевый завод недалеко от Беллингема, Вашингтон
Алюминиевый завод Straumsvik в Исландии
Алюминиевый завод Straumsvik, которым управляет Rio Tinto Alcan в Исландии.

Выплавка алюминия — это процесс извлечения алюминия из его оксида, глинозема , обычно с помощью процесса Холла-Эру . Глинозем извлекают из бокситовой руды методом Байера на глиноземном заводе .

Это электролитический процесс, поэтому алюминиевый завод потребляет огромное количество электроэнергии; металлургические заводы, как правило, располагаются рядом с крупными электростанциями, часто гидроэлектростанциями , чтобы снизить затраты и уменьшить общий углеродный след . Металлургические заводы часто расположены вблизи портов, поскольку многие металлургические заводы используют импортный глинозем.

Планировка алюминиевого завода

[ редактировать ]

Процесс электролиза Холла-Эру является основным способом производства первичного алюминия. Электролитическая ячейка состоит из стального корпуса с рядом изолирующих обкладок из огнеупорных материалов. Ячейка состоит из облицованной кирпичом внешней стальной оболочки, служащей контейнером и опорой. Внутри оболочки катодные блоки склеены между собой трамбовочной пастой. Верхняя футеровка контактирует с расплавленным металлом и выполняет роль катода. Расплавленный электролит поддерживается при высокой температуре внутри ячейки. Предварительно обожженный анод также изготавливается из углерода в виде крупных спеченных блоков, подвешенных в электролите. В качестве анода используется одиночный электрод Содерберга или несколько предварительно обожженных углеродных блоков, при этом основная рецептура и фундаментальные реакции, протекающие на их поверхности, одинаковы.

Алюминиевый завод состоит из большого количества ячеек (котлов), в которых происходит электролиз. Типичный плавильный завод содержит от 300 до 720 электролизеров, каждый из которых производит около тонны алюминия в день, хотя самые крупные предлагаемые плавильные заводы имеют мощность в пять раз большую. Плавка осуществляется периодически, при этом алюминий откладывается на дно котлов и периодически откачивается. В частности, в Австралии эти плавильные заводы используются для регулирования спроса на электросети, в результате чего электроэнергия поставляется на металлургический завод по очень низкой цене. Однако нельзя прерывать подачу электроэнергии более чем на 4–5 часов, поскольку в случае затвердевания жидкого металла котлы придется ремонтировать со значительными затратами.

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

При этом угольный электрод окисляется первоначально до угарного газа.

Хотя образование монооксида углерода (СО) термодинамически благоприятствует температуре реакции, наличие значительного перенапряжения (разница между обратимым и поляризационным потенциалами) изменяет термодинамическое равновесие и смесь СО и СО 2 . образуется [1] [2] Таким образом, идеализированные общие реакции можно записать как

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

Поскольку для производства каждого атома алюминия необходимы три электрона, этот процесс потребляет большое количество электроэнергии. По этой причине алюминиевые заводы расположены вблизи источников недорогой электроэнергии, таких как гидроэлектростанции .

Компоненты клетки

[ редактировать ]

Электролит: Электролит представляет собой расплавленную ванну криолита (Na 3 AlF 6 ) и растворенного оксида алюминия. Криолит является хорошим растворителем оксида алюминия с низкой температурой плавления, удовлетворительной вязкостью и низким давлением паров. 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 равно 3, температура плавления 1010 °С, и он образует эвтектику с 11% оксида алюминия при 960 °С. В промышленных камерах соотношение криолита поддерживают в пределах 2–3 для снижения температуры его плавления до 940–980 °С. [5] [6]

Катод: Углеродные катоды в основном изготавливаются из антрацита, графита и нефтяного кокса, которые прокаливаются при температуре около 1200 °C, измельчаются и просеиваются перед использованием в производстве катодов. Заполнители смешивают с каменноугольным пеком, формуют и обжигают. Чистота углерода не так строга, как для анода, поскольку загрязнение металла с катода не является значительным. Угольный катод должен иметь достаточную прочность, хорошую электропроводность и высокую устойчивость к износу и проникновению натрия. Антрацитовые катоды обладают более высокой износостойкостью. [7] и более медленная ползучесть с меньшей амплитудой [15], чем графитовые и графитизированные катоды из нефтяного кокса. Вместо этого плотные катоды с более графитовым порядком имеют более высокую электропроводность, меньшее энергопотребление [14] и меньшее набухание из-за проникновения натрия. [8] Набухание приводит к раннему и неравномерному износу катодных блоков.

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

Предварительно обожженные расходуемые угольные аноды делятся на графитированные и коксовые. Для изготовления графитированных анодов антрацит и нефтяной кокс прокаливают и классифицируют. Затем их смешивают с каменноугольным пеком и прессуют. Прессованный зеленый анод затем обжигают при 1200 °C и графитируют. Коксовые аноды изготавливаются из прокаленного нефтяного кокса, переработанных огарков анодов и каменноугольного пека (связующего). Аноды изготавливаются путем смешивания заполнителей с каменноугольным пеком до образования пасты тестообразной консистенции. Этот материал чаще всего виброуплотняется, но на некоторых заводах прессуется. Затем зеленый анод спекают при температуре 1100–1200 ° C в течение 300–400 часов без графитации , чтобы повысить его прочность за счет разложения и карбонизации связующего. Более высокие температуры обжига повышают механические свойства и теплопроводность и 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 обжигается за счет тепла, выделяющегося из электролизера. Содерберг Материалы на основе углерода, такие как кокс и антрацит, измельчаются, подвергаются термической обработке и классифицируются. Эти заполнители смешиваются с пеком или маслом в качестве связующего, брикетируются и загружаются в оболочку. Температура повышается снизу вверх по колонне, и происходит обжиг на месте по мере опускания анода в ванну. При обжиге выделяется значительное количество углеводородов, что является недостатком этого типа электродов. Большинство современных металлургических заводов используют предварительно обожженные аноды, поскольку управление процессом проще и достигается немного лучшая энергоэффективность по сравнению с анодами Содерберга.

Экологические проблемы алюминиевых заводов

[ редактировать ]

В результате этого процесса образуется определенное количество фторидных отходов: перфторуглероды и фтороводород в виде газов, а также фториды натрия и алюминия и неиспользованный криолит в виде твердых частиц. Это может составлять всего лишь 0,5 кг на тонну алюминия на лучших заводах 2007 года и до 4 кг на тонну алюминия на старых конструкциях 1974 года. Если не тщательно контролировать, фториды водорода имеют тенденцию быть очень токсичными для растительности вокруг заводов.

Процесс Содерберга, при котором смесь антрацита и пека обжигается по мере расходования анода, приводит к значительным выбросам полициклических ароматических углеводородов по мере расходования пека в плавильном заводе.

Облицовка горшков загрязняется цианидообразующими материалами; У Alcoa есть технология переработки отработанной футеровки во фторид алюминия для повторного использования и синтетический песок, пригодный для использования в строительных целях, а также в инертные отходы.

Инертные аноды

[ редактировать ]

Инертные аноды представляют собой неуглеродную альтернативу традиционным анодам, используемым при восстановлении алюминия. Эти аноды не вступают в химическую реакцию с электролитом и поэтому не расходуются в процессе восстановления. Поскольку анод не содержит углерода, углекислый газ не образуется. [11] В результате обзора литературы Haradlsson et al. обнаружили, что инертные аноды сокращают выбросы парниковых газов в процессе выплавки алюминия примерно на 2 тонны CO2-экв./тонну Al. [12]

Виды анодов

[ редактировать ]

Керамические анодные материалы включают оксиды на основе Ni-Fe, Sn и Ni-Li. [13] Эти аноды многообещающи, поскольку они чрезвычайно стабильны в процессе восстановления при нормальных рабочих температурах (~ 1000 °C), что гарантирует отсутствие загрязнения Al. Стабильность этих анодов также позволяет использовать их с различными электролитами. Однако керамические аноды имеют плохую электропроводность и низкую механическую прочность. [13]

В качестве альтернативы металлические аноды обладают высокой механической прочностью и проводимостью, но имеют тенденцию легко подвергаться коррозии в процессе восстановления. Некоторые системы материалов, которые используются в инертных металлических анодах, включают системы Al-Cu, Ni-Cu и Fe-Ni-Cu. [13] В эти системы могут быть включены дополнительные добавки, такие как Sn, Ag, V, Nb, Ir, Ru, для образования нереакционноспособных оксидов на поверхности анода, но это значительно увеличивает стоимость и энергоемкость анода.

Керметные аноды представляют собой комбинацию металлического и керамического анода и призваны использовать преимущества обоих желаемых свойств; электрическая проводимость и ударная вязкость металла, а также стабильность керамики. [13] Эти аноды часто состоят из комбинации вышеуказанных металлов и керамических материалов. В промышленности Alcoa и Rio Tinto создали совместное предприятие Eлиз для коммерциализации технологии инертных анодов, разработанной Alcoa. [14] Инертный анод представляет собой металлокерамический материал — металлическую дисперсию медного сплава в керамической матрице из феррита никеля. [15] К сожалению, по мере увеличения количества анодных компонентов структура анода становится более нестабильной. Как результат. Керметные аноды также страдают от проблем с коррозией во время восстановления. [16]

Использование энергии

[ редактировать ]

Выплавка алюминия очень энергоемка, а в некоторых странах экономически выгодна только при наличии недорогих источников электроэнергии. [17] [18] В некоторых странах металлургическим заводам предоставляются исключения из энергетической политики, например, в отношении возобновляемых источников энергии . [19] [20]

Чтобы снизить энергетические затраты на процесс плавки, исследуются альтернативные электролиты, такие как Na3AlF6, которые могут работать при более низкой температуре. [21] Однако смена электролита меняет кинетику высвобождаемого кислорода из руды Al 2 O 3 . Это изменение в формировании пузырьков может изменить скорость реакции анода с кислородом или электролитом и эффективно изменить эффективность процесса восстановления. [22]

Инертные аноды, используемые в тандеме с ячейками с вертикальными электродами, также могут снизить энергетические затраты на восстановление алюминия до 30% за счет снижения напряжения, необходимого для восстановления. [13] Одновременное применение этих двух технологий позволяет минимизировать расстояние анод-катод, что снижает резистивные потери.

Пример алюминиевых заводов

[ редактировать ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ К. Грьотхайм и К. Крон, Электролиз алюминия: химия процесса Холла-Эру: Aluminium-Verlag GmbH, 1977.
  2. ^ Ф. Хабаши, Справочник по добывающей металлургии, том. 2: Вили-ВЧ, 1997.
  3. ^ Куанг, З.; Тонстад, Дж.; Ролсет, С.; 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. Бибкод : 1996MMTB...27..177K . дои : 10.1007/BF02915043 . S2CID   97620903 .
  4. ^ Фарр-Уортон, Р.; Уэлч, Би Джей; Ханна, RC; Дорин, Р.; Гарднер, HJ (февраль 1980 г.). «Химическое и электрохимическое окисление гетерогенных углеродных анодов». Электрохимика Акта . 25 (2): 217–221. дои : 10.1016/0013-4686(80)80046-6 .
  5. ^ Перейти обратно: а б Ф. Хабаши, «Добывающая металлургия алюминия», в «Справочнике по алюминию: Том 2: Производство сплавов и производство материалов». том. 2, Дж. Э. Тоттен и Д. С. Маккензи, ред., первое издание: Марсель Деккер, 2003 г., стр. 1–45.
  6. ^ П.А. Фостер, «Фазовая диаграмма части системы Na 3 AlF 6 -AlF 3 -Al 2 O 3 », Журнал Американского керамического общества, том. 58, стр. 288–291, 1975 г.
  7. ^ Уэлч, Би Джей; Хайленд, ММ; Джеймс, Би Джей (февраль 2001 г.). «Будущие требования к материалам для высокоэнергоемкого производства алюминия». ДЖОМ . 53 (2): 13–18. Бибкод : 2001JOM....53b..13W . дои : 10.1007/s11837-001-0114-8 . S2CID   136787092 .
  8. ^ Бриссон, П.-Ю.; Дармштадт, Х.; Фафард, М.; Аднот, А.; Слуга, Г.; Суси, Г. (июль 2006 г.). «Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Исследование реакций натрия в углеродных катодных блоках электролизеров восстановления оксида алюминия». Карбон . 44 (8): 1438–1447. doi : 10.1016/j.carbon.2005.11.030 .
  9. ^ В. К. Фишер и др., «Параметры обжига и получаемое в результате качество анода», на 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. том. 2, Дж. Э. Тоттен и Д. С. Маккензи, ред., изд. Марселя Деккера, 2003 г., стр. 47–79.
  11. ^ Обайдат, Мазин; Аль-Гандур, Ахмед; Фелан, Патрик; Вильялобос, Рене; Алхалиди, Аммар (17 апреля 2018 г.). «Энергетический и эксергетический анализ различных технологий восстановления алюминия» . Устойчивость . 10 (4): 1216. дои : 10.3390/su10041216 . ISSN   2071-1050 .
  12. ^ Харальдссон Дж. (26 августа 2020 г.). «Влияние на использование первичной энергии, выбросы парниковых газов и связанные с этим затраты от повышения эффективности конечного использования энергии при электролизе при производстве первичного алюминия» . Энергоэффективность . 13 (7): 1299–1314. дои : 10.1007/s12053-020-09893-1 . S2CID   225243592 .
  13. ^ Перейти обратно: а б с д и Сибирский федеральный университет; Саи Кришна, Падамата; Андрей С., Ясинский; Сибирский федеральный университет; Петр В., Поляков; Сибирский федеральный университет (март 2018 г.). «Прогресс в области применения инертных анодов в алюминиевой промышленности: обзор» . Журнал Сибирского федерального университета. Химия . 11 (1): 18–30. дои : 10.17516/1998-2836-0055 .
  14. ^ «Rio Tinto и Alcoa объявляют о первом в мире безуглеродном процессе выплавки алюминия; Apple помогает; СП Elysis выходит на коммерциализацию» . Конгресс зеленых автомобилей . Проверено 30 апреля 2022 г.
  15. ^ Садовей, Дональд (май 2001 г.). «Инертные аноды для ячейки Холла-Эру: серьезная проблема с материалами» (PDF) . Проверено 29 апреля 2022 г.
  16. ^ Лю, Цзянь-юань; Ли, Чжи-ю; Тао, Юй-цян; Чжан, Доу; Чжоу, Кэ-чао (март 2011 г.). «Фазовая эволюция металлокерамического инертного анода 17(Cu-10Ni)-(NiFe2O4-10NiO) при электролизе алюминия» . Сделки Общества цветных металлов Китая . 21 (3): 566–572. дои : 10.1016/S1003-6326(11)60752-8 .
  17. ^ «Мировой алюминий — энергоемкость выплавки первичного алюминия» . 18 января 2021 г.
  18. ^ «Информационный бюллетень по алюминию» . Геонауки Австралии. Архивировано из оригинала 23 сентября 2015 г. Проверено 2 сентября 2015 г. В процессе плавки потребляется большое количество энергии; Для производства одной тонны алюминия из примерно двух тонн глинозема необходимо 14 – 16 МВтч электроэнергии. Поэтому наличие дешевой электроэнергии имеет важное значение для экономического производства.
  19. ^ «Передовой опыт энергоэффективности в австралийской алюминиевой промышленности» (PDF) . Департамент промышленности, науки и ресурсов – Правительство Австралии. Июль 2000 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 сентября 2015 г. Проверено 2 сентября 2015 г.
  20. ^ «Австралийский совет по алюминию – Представление Комиссии по производительности расследования энергоэффективности» (PDF) .
  21. ^ Гупта, Амит; Басу, Бисваджит (август 2019 г.). «Устойчивое производство первичного алюминия: состояние технологии и будущие возможности» . Труды Индийского института металлов . 72 (8): 2135–2150. дои : 10.1007/s12666-019-01699-9 . ISSN   0972-2815 . S2CID   181342550 .
  22. ^ Ясинский А.С.; Поляков П.В.; Ключанцев, А.Б. (март 2017 г.). «Динамика движения анодного газа в криолитовом расплаве – глиноземной высокотемпературной суспензии» . Российский журнал цветных металлов . 58 (2): 109–113. дои : 10.3103/S1067821217020122 . ISSN   1067-8212 . S2CID   100529685 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9e3388d7cbd4e4799fe5b849b708ba6f__1719067140
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9e/6f/9e3388d7cbd4e4799fe5b849b708ba6f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Aluminium smelting - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)