Alumiinin jalostus

Sulatus

Vaikka alumiinin valmistukseen on olemassa useita menetelmiä, käytetään vain yhtä kaupallisesti. Deville-prosessi, johon sisältyy metallisen natriumin suora reaktio alumiinikloridin kanssa, oli alumiinin tuotannon perusta 1800-luvun lopulla, mutta siitä on luovuttu taloudellisemman elektrolyyttisen prosessin hyväksi. Karboterminen lähestymistapa, klassinen menetelmä metallioksidien pelkistämiseksi (hapen poistamiseksi), on ollut vuosien ajan intensiivisen tutkimuksen kohteena. Tähän sisältyy oksidin kuumentaminen yhdessä hiilen kanssa hiilimonoksidin ja alumiinin tuottamiseksi. Karbotermisen sulatuksen suuri vetovoima on mahdollisuus ohittaa alumiinioksidin puhdistaminen ja aloittaa alempilaatuisista malmeista kuin bauksiitista ja alemmanlaatuisista hiileistä kuin öljykoksista. Monien vuosien intensiivisestä tutkimuksesta huolimatta Bayer-Hall-Héroult-lähestymistavalle ei kuitenkaan löydy taloudellista kilpailijaa.

Vaikka nykyinen Hall-Héroult-sulatusprosessi on periaatteessa muuttumaton, se eroaa suuresti mittakaavassa ja yksityiskohtaisesti alkuperäisestä prosessista. Nykyaikainen tekniikka on tuottanut huomattavia parannuksia laitteisiin ja materiaaleihin, ja se on vähentänyt lopullisia kustannuksia.

Nykyaikaisessa sulatteessa alumiinioksidia liuotetaan pelkistysastioihin - syviin, suorakaiteen muotoisiin teräskuoriin, jotka on vuorattu hiilellä - jotka on täytetty sulalla elektrolyytillä, joka koostuu pääosin natriumin, alumiinin ja fluorin yhdisteestä, nimeltään kryoliitti.

Hiili-anodien avulla suoravirta johdetaan elektrolyytin läpi hiilikatodin vuoraukseen kennon pohjassa. Sulakylvyn pintaan muodostuu kuori. Tämän kuoren päälle lisätään alumiinioksidia, jossa sitä esilämmitetään kennosta tulevalla lämmöllä (noin 950 ° C) ja sen adsorboitunut kosteus poistuu. Kuori hajoaa ajoittain ja alumiinioksidi syötetään kylpyyn. Uudemmissa soluissa alumiinioksidi syötetään suoraan sulaan kylpyyn automatisoitujen syöttölaitteiden avulla.

Elektrolyysin tulokset ovat sulan alumiinin kerrostuminen kennon pohjalle ja hiilidioksidin kehitys hiili-anodilla. Noin 450 grammaa (1 punta) hiiltä kulutetaan tuotettua alumiinia kohden kiloa (2,2 puntaa). Jokaista tuotettua alumiinikiloa kohti kulutetaan noin 2 kg alumiinioksidia.

Sulatusprosessi on jatkuva. Lisäalumiinioksidia lisätään kylpyyn määräajoin pelkistyksen aikana kuluttaman korvaamiseksi. Sähkövirran tuottama lämpö pitää kylpyamme sulassa tilassa niin, että tuore alumiinioksidi liukenee. Sulatettu alumiini puhdistetaan säännöllisesti.

Koska jotkut kryoliittielektrolyytistä peräisin olevat fluoridit menetetään prosessissa, alumiinifluoridia lisätään tarvittaessa hauteen kemiallisen koostumuksen palauttamiseksi. Kylpy, jossa on ylimäärä alumiinifluoridia, tarjoaa maksimaalisen tehokkuuden.

Todellisessa käytännössä pitkät rivit pelkistysastioita, nimeltään potines, yhdistetään sähköisesti sarjaan. Kattiloiden normaalijännitteet vaihtelevat neljästä kuuteen volttia, ja nykyiset kuormat vaihtelevat 30 000 - 300 000 ampeeria. 50 - 250 ruukkua voi muodostaa yhden ruukun, jonka kokonaisjohtojännite on yli 1000 volttia. Teho on yksi alumiinin kalleimmista ainesosista. Vuodesta 1900 alumiinintuottajat ovat etsineet halvan vesivoiman lähteitä, mutta joutuneet myös rakentamaan monia fossiilisten polttoaineiden energiaa käyttäviä laitoksia. Teknologinen kehitys on vähentänyt yhden kilogramman alumiinin tuottamiseksi tarvittavaa sähköenergian määrää. Vuonna 1940 tämä luku oli 19 kilowattituntia. Vuoteen 1990 mennessä kuluneen tuotetun alumiinin kilogramman sähköenergian määrä oli vähentynyt noin 13 kilowattituntiin tehokkaimpien kennojen osalta.

Sula alumiini suodatetaan soluista suuriksi upokkaiksi. Sieltä metalli voidaan kaataa suoraan muotteihin valumuottien luomiseksi, se voidaan siirtää pidätysuuneihin edelleen puhdistamista varten tai seostamista muiden metallien kanssa, tai molempien kanssa, valmistamaan valmistavan valanteen. Koska se tulee solusta, primaarialumiini on noin 99,8 prosenttia puhdasta.

Automaatio ja tietokoneohjaus ovat vaikuttaneet merkittävästi sulatustoimintoihin. Moderneissa pelkistyslaitoksissa käytetään täysin mekanisoituja hiilivoimalaitoksia ja tietokoneohjausta kattilan toiminnan seurantaan ja automatisointiin.

Kierrätys

Koska alumiiniromun uudelleensulatus kuluttaa vain 5 prosenttia energiasta, jota tarvitaan primäärialumiinin valmistukseen bauksiitista, prosessin sisällä olevasta romumetallista valmistettavista levyistä, takoista ja suulakepuristuksista, on löytänyt tiensä takaisin sulatusuuniin tuotannon alkamisen jälkeen. Lisäksi vähän ennen ensimmäistä maailmansotaa yrittäjät keräsivät alumiinista kaupallisten ja kotitaloustuotteiden valmistuksen aikana tuotettuja ”uusia” romuja, jotka aloittivat ns. Sekundäärisen alumiiniteollisuuden. Uuden romun kemiallinen koostumus on yleensä hyvin määritelty; tämän seurauksena se myydään usein ensisijaisille alumiinin tuottajille uudelleen muokatakseen samaan seokseen. ”Uutta” romua täydentää nyt huomattavasti ”vanha” romu, joka syntyy kierrättämällä hylättyjä kulutustavaroita, kuten autoja tai nurmikon tuolia. Koska vanha romu on usein likainen ja seos monista seoksista, se päätyy yleensä valuseoksiin, joissa on korkeammat seosaineiden tasot.

Käytetyt alumiinijuoma-astiat ovat ainutlaatuinen vanhan romun tyyppi. Vaikka näiden tölkkien rungot ja kannet on valmistettu eri alumiiniseoksista, molemmat sisältävät magnesiumia ja mangaania. Näin ollen kierrätettyjä juoma-astioita voidaan käyttää kummankin tuotteen varaston uusimiseksi. Romun juomatölkin valmistukseen tarvittava energia on noin 30 prosenttia energiasta, joka tarvitaan tölkin valmistukseen primaarimetallista. Tästä syystä käytettyjen juoma-astioiden kierrätys on kasvava metallilähde primäärimetallien tuottajille.