فرایند تولید آلومینیوم از آلومینا

اولین بار در حدود ۲۵۰۰ سال پیش ماده ای به فرمول KAl(S0₄)₂.12H₂O که ترکیبی از سولفات آلومینیم می باشد کشف و مورد استفاده قرار گرفت و از طرف PLINTUS نویسنده رومی به نام ALUME نامگذاری گردید. به طور کلی عنصر آلومینیم حدود ۸ درصد ساختمان پوسته زمین را تشکیل می دهد که پس از اکسیژن و سیلیس (SiO₂) فراوان ترین عنصر است. آلومینیم با وجود فراوانی، به علت میل ترکیبی شدید با اکسیژن، به صورت خالص در طبیعت یافت نمی شود و در ترکیب با سایر عناصر و به خصوص اکسیژن وجود دارد. 

تهیه آلومینیوم در مقیاس تجاری برای اولین بار در سال های ۱۸۵۰-۱۸۴۴ توسط سنت کلردويل انجام شد که اصول کار آن تولید مخلوطی از کلرور آلومینیوم و سدیم و احیای آن توسط سدیم بود. این روش چندان اقتصادی نبود، تا اینکه کشفیات مستقل در سال ۱۸۸۶ توسط هال (Hall) در آمریکا و هرولت (Heroult) در فرانسه انجام شد و به توسعه یک روش صنعتی برای استخراج آلومینیوم با خلوص بالا به روش الکترولیز اکسید آلومینیم در کریولیت مذاب آلومینیم منجر شد که هم اکنون نیز مبنای تولید صنعتی آلومینیوم محسوب می شود. تقریباً یک سال بعد، بایر (Bayer) دانشمند اتریشی فرایند هال – هرولت را کامل نمود و تحول عظیمی در صنعت آلومینیوم به خاطر کاهش هزینه های تولید آن ایجاد کرد.

امروزه برای تهیه اکسید آلومینیم (که نام صنعتی آن آلومینا می باشد) از بوکسیت (که سنگی معدنی است) استفاده می شود. این سنگ اولین بار توسط دانشمند فرانسوی BERTHIER در نزدیکی شهر LESBAUX در جنوب فرانسه کشف و بدان جهت بوکسیت نامیده شد. سنگ بوکسیت ترکیبی از هیدروکسید آلومینیم، اکسید و یا هیدروکسید آهن، اکسید تیتانیم و مقداری سیلیکات های آلومینیم است.

 

مراحل تولید آلومینیوم:

به طور کلی برای تولید فلز آلومینیوم انجام سه مرحله زیر ضروری است:

• ۱- استخراج سنگ بوکسیت از معدن
• ۲- بوکسیت استخراج شده خرد و آسیاب شده و تحت فرایند تغليظ قرار می گیرد تا برای تصفیه آماده شود. در این مرحله آلومینا (Al₂O₃) از ناخالصی های موجود در بوکسیت جدا می گردد. برای تولید آلومینا روش های متعددی ابداع شده است که از آن جمله می توان به روش بایر، روش زینتر با سودا، روش الکتروترمیک و روش اسیدی اشاره نمود. روش بایر مهم ترین و متداول ترین روش تولید آلومینا است. اصول این روش عبارت است از انحلال بوکسیت در سود سوزآور و تهیه آلومینات سدیم محلول، در ادامه ترسیب هیدرات آلومینیوم از این محلول و در نهایت تکلیس هیدرات آلومینیوم برای رسیدن به اکسید آلومینیوم سفید رنگ.
• ۳- احیای آلومینا به روش الکترولیز و تولید آلومینیوم خالص

 

 

در این نوشته قصد داریم تا فرایند احیای آلومینا و تولید آلومینیوم خالص در کارخانه ایرالکوی اراک را معرفی نماییم. توضیحات بیشتر در خصوص فرایند بایر در نوشته ی دیگری تقدیم علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد خواهد شد.

 

 

 

فرایند تولید آلومینیوم از آلومینا در کارخانه ایرالکو

 

۱- معرفی شرکت آلومینیوم ایران (ایرالکو)

ایرالكو به عنوان اولین تولید كننده شمش های آلومینیوم در ایران، در زمینی به مساحت ۲۳۲ هكتار در كیلومتر ۵ جاده اراک تهران واقع گردیده است. موضوع تاسیس كارخانه ایرالكو در سال ۱۳۴۶ به تصویب هیأت دولت رسید و اقدامات مربوط به نصب تاسیسات و ساختمان از سال ۱۳۴۷ آغاز گردید و در سال ۱۳۵۱ با دو خط تولید و ظرفیت ۴۵۰۰۰ تن در سال مورد بهره برداری قرار گرفت. پس از پیروزی انقلاب اسلامی و افزودن سه خط دیگر به پروسه تولید، ظرفیت تولید آلومینیوم اولیه به ۱۲۰۰۰۰ تن در سال رسید كه شامل انواع شمش ها به صورت تی بار، هزار پوندی، آلیاژهای ریخته گری، بیلت، اسلب و … می باشد. متعاقباً و به منظور رعایت مسائل زیست محیطی، كلنگ احداث كارخانه تولید آلومینیوم با تكنولوژی ۲۰۰ كیلو آمپر در سال ۱۳۸۱ به زمین زده شد و در سال ۱۳۸۶ به بهره برداری رسید. ظرفیت تولید شركت آلومینیوم ایران در حال حاضر و با احتساب خروج خطوط ۱ و ۲ كارگاه قدیم به ۱۷۵۰۰۰ تن در سال بالغ گردیده است.

 

۲- کارگاه احیاء

 

 

۲-۱- کارگاه احیاء ۷۰ کیلو آمپر

تکنولوژی احیاء آلومینیوم در این کارگاه از نوع آند پیش پخت (Pre Baked) بوده و نحوه قرار گرفتن دیگ ها به صورت پهلو به پهلو (Side by Side) می باشد. مقدار جریان برق مصرفی به ازای هر کیلوگرم فلز تولیدی در این کارگاه حدود ۱۸kwh/kg-Al است. با توجه به نحوه قرار گرفتن دیگ ها به صورت سری، آمپر عبوری در کلیه دیگ ها ثابت و ولتاژ مصرفی دیگ نیز برحسب مقاومت آن تغییر می نماید.

الکترولیت در فرایند تولید آلومینیوم عمدتاً کریولیت به همراه مواد افزودنی دیگر می باشد که علاوه بر نقش انحلال آلومینا و کاهش دمای ذوب آن تا ۹۵۰ درجه سانتی گراد، به عنوان هادی جریان، تبادلات الکتریکی و تجزیه آلومینا را به عهده دارد. میزان ولتاژ هر دیگ بسته به مقاومت آن بین ۴٫۸ تا ۵٫۴ و میزان آمپر مصرفی در هر خط کارگاه قدیم نیز بین ۶۸ تا۷۰ کیلو آمپر می باشد تعداد آندهای موجود در هر سلول ۱۴ و تعداد کاتد ها ۱۴ عدد می باشد.

ظرفیت تولید هر دیگ خطوط قدیم به طور متوسط ۴۷۰ کیلوگرم مذاب آلومینیوم در روز بوده و عمر دیگ ها ۱۰۰۰ روز می باشد.

در این فرایند، آند و کاتد هر دو از جنس کربن هستند که آند در بالای سلول الکترولیز و کاتد در کف سلول قرار می گیرد. با اتصال جریان مستقیم و مقاومت زیاد الکترولیت، بخشی از انرژی الکتریکی به حرارت تبدیل شده و درجه حرارت سلول به حدود ۹۵۰ درجه سانتیگراد می رسد. در این دما، کریولیت (Na₃AlF₆) ذوب شده و اکسید آلومینیوم را در خود حل می کند.

اکسید آلومینیوم حل شده به یون های آلومینیوم و اکسیژن تجزیه می شود و سپس یون های مثبت آلومینیوم به سمت کاتد رفته و با دریافت ۳ الكترون احياء می گردد و یون های اکسیژن به سمت آند رفته و با کربن آند ترکیب شده و عمدتاً به صورت CO₂ (دی اکسیدکربن) از محیط الکترولیت خارج می شود.

 

۲-۲- کارگاه احیاء ۲۰۰ کیلو آمپر

کارگاه احیاء ۲۰۰ کیلو آمپر ایرالکو در دو سالن موازی به طول ۷۴۴ متر و عرض ۲۴ متر استقرار یافته است. دیگ ها و باس بارها در طبقه همکف و بر روی پایه های بتونی نصب می باشند. طبقه بالا (پلتفرم ) جهت عملیات کاربر روی دیگ ها طراحی شده و ارتفاع آن نسبت به سطح زمین ۲٫۴ متر می باشد. 

فاصله بین دو سالن موازی ۴۰ متر است که در فضا و در طول خط، سه سیستم کنترل آلودگی، سه سیلوی آلومینای دو طبقه با قطر ۱۸ متر و سه سیستم حمل آلومینا (HYPER DENSE PHASE) نصب گردیده است. چهار مسیر عبوری (Passage Way) در طول خط و بین دو سالن جهت نقل و انتقال آلومینیوم مذاب، آندهای مصرفی و مواد و تجهیزات دیگر تعبیه شده است. در هر سالن ۱۰۵ دستگاه دیگ نصب گردیده که با توجه به وجود دو سالن موازی، کل دیگ های نصب شده در خط جدید ایرالکو ۲۱۰ عدد می باشد.

نصب دیگ ها به صورت پهلو به پهلو بوده و فاصله مرکز دیگ ها نسبت به هم ۶٫۲ متر می باشد. فاصله عرضی مرکز دیگ ها از دیواره های کارگاه از یک طرف ۳ متر و از طرف دیگر ۱۵ متر می باشد. ارتفاع لبه های دیگ از سطح زمین ۲٫۸۵ متر است. در انتهای سمت راست دیگ ها یک دستگاه کنترلر (Pot Controller) و یک جعبه کنترل سیستم هوای فشرده برای هر دیگ نصب شده است، دودکش های مجهز به جمع آوری گرد و غبارهای دیگ، بر روی قسمت فوقانی دیگ ها نصب و هرکدام به دودکش اصلی که از بیرون کارگاه عبور نموده وصل گردیده و از آنجا به سیستم کنترل آلودگی هدایت خواهند شد.

به منظور انجام عملیات شکستن قشر دیگ، تغذیه دیگ با مواد اولیه تعویض آند و تخلیه مذاب، در هر سالن ۴ دستگاه کرین چند منظوره (PTM) نصب گردیده که در دو سالن (كل خط) نیاز به ۸ دستگاه PTM می باشد.

لوله های هوای فشرده داخل سالن احياء جهت تامین هوای فشرده مورد نیاز دیگ تعبیه شده است، ایستگاه رکتی فایر در ابتدای سالن های احیاء و در ساختمان های مجزا قرار گرفته اند.

مهمترین عملیات کاری در سالن احیاء شامل نظارت بر کار دیگ، تعویض آندها، تخلیه مذاب، تغذیه دیگ با مواد کمکی، برطرف نمودن آند افکت و غیره می باشد، انجام عملیات تغذیه در سالن احیاء توسط کامپیوتر مرکزی و پات کنترلرها انجام می پذیرد. در شرایط عادی بهره برداری، پات کنترلر، میزان تغذیه دیگ، ولت و  … را فرمان داده و قسمت کنترلی دیگ این فرمان ها را اجرا می کند، متوسط زمان تغذیه دیگ در فواصل ۱۱۰ ثانیه و هر بار تغذیه ۳٫۶ کیلوگرم آلومینا می باشد.

میزان آند افکت به ازاء هر ۲۴۰ الی ۴۸۰ ساعت یک بار تعریف شده است. دقت و تشخیص وقوع آند افکت توسط کامپیوتر مرکزی کنترل می شود. در صورتی که آند افکت بیش از ۵ دقیقه طول بکشد و توسط کامپیوتر مهارنشود باید به صورت دستی کنترل گردد.

عمل تخلیه دیگ، روزانه یک بار و به میزان ۱۵۰۰ کیلوگرم انجام خواهد شد. کروسبیل تخلیه مذاب توسط کربن چند منظوره (Pot Tending Machine) به نزدیک دیگی که باید فلز از آن تخلیه گردد آورده می شود، فلز مذاب موجود در دیگ توسط فشار منفی تولید شده بر روی پوشش کروسبیل در شرایط خلاء تخلیه می گردد. بر روی PTM یک عدد قلاب الکترونیکی توزین وجود دارد که می توان میزان دقیق فلز تخلیه شده از دیگ را تعیین نمود. ظرفیت اسمی کروسبیل حدود ۴ تن می باشد و پس از این مرحله، کروسبیل به کارگاه ریخت منتقل می شود.

آندها باید در فواصل زمانی معین تعویض گردند، زمان تعویض آندها ۲۸ – ۲۵ روز یک بار می باشد و تعویض آند نیز توسط کربن های چند منظوره انجام می پذیرد، جهت جلوگیری از اکسیداسیون آندها و هدر رفتن انرژی سطح آندهای نو به میزان ۲۰ سانتی متر (توسط دستگاه تغذیه کرین PTM) از مواد کراش بت و آلومینا پوشانده می شود.

 

۳- کارگاه ریخت

 

 

آلومینیوم مذاب تولید شده در کارگاه های احیاء جدید و قدیم بعد از تخلیه دیگ ها به کارگاه ریخت منتقل و در این کارگاه با استفاده از انواع کوره های نگهدارنده (holding) و یکنواخت کننده (Homogenizing) و دستگاه های DC عمودی و افقی و پیک ماشین به انواع آلیاژهای ریختگی و کارپذیر آلومینیوم در استانداردهای مختلف تبدیل می گردد.

محصول تولیدی کارگاه ریخت به دو گروه تقسیم می شود:

۱ -محصولات کارپذیر در اشکال اسلب و بیلت با روش تبرید مستقیم D.C

۲- محصولات ریختگی در اشکال تی بار و ۵۰ پوندی و ۱۰۰۰ پوندی

 

 

۳- کارگاه آندسازی

آند به عنوان الكترود یا قطب مثبت در فرایند تولید آلومینیوم و در سلول های احیاء (Electrolytic Cells) وظیفه انتقال جریان الکتریسیته و ترکیب با اکسیژن موجود در اکسید آلومینیوم را بر عهده دارد. آندهای مورد نیاز سلول های احیاء و مواد کربنی جهت آستر كاری دیگ های احیاء در کارگاه آند سازی تهیه می گردد. این کارگاه به سه بخش ساخت آند، پخت آند و میله گذاری تقسیم می شود:

 

۳-۱- کارگاه ساخت آند Green Mil

مواد اولیه شامل کک، قیرH.P.S و باتس برگشتی جهت ساخت آند خام Green Mill به کار می رود. بعد از کنترل میزان مواد، دانه بندی و مخلوط آن ها توسط میکسر، خميره آماده شده جهت پرس شدن و تبدیل به بلوک های مکعبی به ۴۰×۵۴×۶۰ سانتی متر مکعب توسط نقاله به دستگاه های پرس ارسال می گردد. میانگین تقریبی زمان اختلاط در مخلوط کن ها ۸۰– ۵۵ دقیقه و درجه حرارت روغن HTM بین ۲۴۰-۲۲۰ درجه سانتیگراد می باشد و درجه حرارت خمیر خروجی از میکسرحدود ۱۵۰ درجه سانتیگراد است.

 

۳-۲- کارگاه پخت آند Anode Bake

به منظور افزایش هدایت الکتریکی آندهای ساخته شده، این آندها به کارگاه های پخت آند ارسال می گردند، این کارگاه شامل دو بخش پخت قدیم (روباز) و پخت جدید (روبسته) می باشد. عملیات پخت آند بين ۲۳ – ۲۵ روز به طول می انجامد، که طی یک فرایند، عملیات حرارتی آندھا تا ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد حرارت داده شده و سپس تا دمای محیط خنک می گردند.

دز کارگاه پخت آند روباز، ۶۰ سکشن (Section) وجود دارد که هر کدام شامل ۵ پیت (Pit) می باشد. آندها در ردیف ۱۲ تایی در هر پیت چیده می شوند. اندازه گیری درجه حرارت پیت ها توسط حرارت سنج انجام می گیرد.

در کارگاه پخت آند روبسته، ۴۶ سکشن وجود دارد که هر سکشن دارای ۵ پیت و هر پیت دارای ظرفیت ۱۴۰ تا ۱۵۴ بلوک می باشد و عملیات پخت آندها به صورت اتوماتیک انجام می گردد.

 

۳-۲- کارگاه میله گذاری:

در کارگاه میله گذاری، آندهای پخته شده با قرار دادن استاپ های فولادی در حفره های ایجاد شده در آند و ریختن مذاب چدن خاکستری اطراف استاپ، استاپ فولادی را به آند کربنی متصل می نمایند. سپس استاپ فولادی را با پیچ و مهره به دسته راد آلومینیوم متصل نموده و آند آماده، جهت ارسال به کارگاه احیاء تهیه می گردد.

عملیات میله گذاری آند به طور اختصار طی مراحل ذیل صورت می گیرد:

• تمیز کردن بت
• تمیز کردن با ساچمه
• شکستن آند
• پرس شکستن چدن
• صاف کردن دسته آند
• برس زدن دسته آند
• اضافه کردن گرافیت
• خشک کردن استاپ

 

دسته آند پس از عبور از مراحل فوق، وارد دستگاه Mating table می شود در این دستگاه، بلوک آند بارگذاری شده و بر روی نقاله به دسته آند نصب می گردد و به وسیله ماشین ریخت عملیات مذاب ریزی (چدن خاکستری ) به اطراف حفره آند انجام می گیرد. پس از مراحل فوق، آندهای ریخت شده از روی نقاله سقفی حرکت کرده و در نهایت به کارگاه احياء منتقل می گردد.

لازم به ذکر است مواد بت چسبیده به باتس آند (باقیمانده آند)، در کارگاه احیاء پس از تمیز شدن به کارگاه میله گذاری ارسال می گردد. در این کارگاه ابتدا عملیات بارگیری آندهای بانس بر روی نقاله سقفی (P&F) صورت گرفته و آندهای معلق در دستگاه های فوق سوار می شوند.