การแนะนำ

อลูมิเนียมเป็นโลหะที่สำคัญที่สุด โดยมีปริมาณการผลิตสูงกว่าการผลิตโลหะที่ไม่ใช่เหล็กอื่นๆ ทั้งหมดมากและเป็นอันดับสองรองจากการผลิตเหล็กเท่านั้น อัตราการเติบโตที่สูงของการผลิตอะลูมิเนียมนั้นเนื่องมาจากคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งทำให้อะลูมิเนียมมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในด้านวิศวกรรมไฟฟ้า การก่อสร้างเครื่องบินและยานยนต์ การขนส่ง การผลิตเครื่องใช้ในครัวเรือน การก่อสร้าง บรรจุภัณฑ์ ผลิตภัณฑ์อาหารฯลฯ

อุตสาหกรรมอลูมิเนียมของรัสเซียก่อตั้งขึ้นเมื่อปีพ เวลาโซเวียตครองตำแหน่งที่โดดเด่นในการผลิตโลหะที่ไม่ใช่เหล็กในประเทศและอยู่ในอันดับที่สองของโลกในด้านการผลิตโลหะ ใน ปีที่ผ่านมาโดยอาศัยอำนาจตาม เหตุผลที่ทราบอุปกรณ์สำหรับการผลิตอลูมิเนียมไม่ได้รับการปรับปรุงให้ทันสมัยเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสไม่ได้รับการปรับปรุงปริมาณการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ลดลงอย่างไม่อาจยอมรับได้และล้าหลังประเทศที่พัฒนาแล้วอย่างเห็นได้ชัด ในเวลาเดียวกันอุปกรณ์กำลังได้รับการปรับปรุงให้ทันสมัยในต่างประเทศและเทคโนโลยีก็ได้รับการปรับปรุงซึ่งทำให้สามารถเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจและความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมของการผลิตอะลูมิเนียม

ใน เมื่อเร็วๆ นี้วิศวกรรมเครื่องกลจำเป็นต้องใช้โลหะเบามากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการก่อสร้างเครื่องบินและการขนส่งทางรถไฟ ดังนั้นการพัฒนาวิธีการใหม่และประหยัดมากขึ้นในการผลิตอะลูมิเนียมและการปรับปรุงวิธีการที่มีอยู่จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

1. ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาอุตสาหกรรมอะลูมิเนียม

ปัจจุบัน อะลูมิเนียมครองอันดับหนึ่งในกลุ่มโลหะที่ไม่ใช่เหล็กในแง่ของปริมาณการผลิต และมีการขยายการผลิตอย่างต่อเนื่อง

ในอดีต การกล่าวถึงโลหะอะลูมิเนียมครั้งแรกอยู่ในงานเขียนของโรมันศตวรรษแรก ใน สารานุกรมที่มีชื่อเสียง“Historia naturalis” สามารถพบเรื่องราวดังต่อไปนี้ วันหนึ่ง ช่างทองชาวโรมันได้รับอนุญาตให้แสดงจานอาหารค่ำที่ทำจากโลหะใหม่แก่จักรพรรดิทิเบเรียส จานนั้นเบามากและแวววาวเหมือนเงิน ช่างอัญมณีบอกกับจักรพรรดิว่าเขาได้สกัดโลหะดังกล่าวออกจากดินเหนียวธรรมดาแล้ว นอกจากนี้เขายังรับรองกับจักรพรรดิด้วยว่ามีเพียงเขาและเทพเจ้าเท่านั้นที่รู้วิธีทำโลหะจากดินเหนียว จักรพรรดิ์ทรงสนใจเป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม เขาตระหนักได้ทันทีว่าคลังสมบัติทั้งหมดของเขาซึ่งประกอบด้วยทองคำและเงิน จะพังทลายลงหากผู้คนเริ่มผลิตโลหะเบานี้จากดินเหนียว ดังนั้น แทนที่จะได้รับรางวัลตามที่นักอัญมณีคาดหวัง เขากลับถูกตัดศีรษะ

ไม่มีใครรู้ว่าเรื่องนี้จริงแค่ไหน แต่เหตุการณ์ที่อธิบายไว้เกิดขึ้นเมื่อ 2,000 ปีก่อนมนุษยชาติจะค้นพบวิธีการผลิตอะลูมิเนียม สิ่งนี้เกิดขึ้นในปี 1825 เมื่อนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก G. Oersted ได้รับโลหะอะลูมิเนียมหลายมิลลิกรัมโดยการลดความร้อนของอะลูมิเนียมคลอไรด์ด้วยโพแทสเซียมอะมัลกัม

ความยากลำบากอย่างมากในการรับอลูมิเนียมเกิดขึ้นเนื่องจากปัจจัยดังต่อไปนี้:

อลูมิเนียมมีความสัมพันธ์กับออกซิเจนสูง อลูมิเนียมสามารถรีดิวซ์ได้ด้วยคาร์บอนจากออกไซด์ที่อุณหภูมิประมาณ 2,000°C อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิ 1200°C แล้ว คาร์บอนจะทำปฏิกิริยากับอะลูมิเนียม ทำให้เกิดคาร์ไบด์

อะลูมิเนียมมีศักย์ไฟฟ้าเคมีสูง (-1.67V) จาก สารละลายที่เป็นน้ำเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับอลูมิเนียมเนื่องจากกระบวนการวิวัฒนาการของไฮโดรเจน (การสลายตัวของน้ำ) จะเกิดขึ้นที่แคโทด

จุดหลอมเหลวสูงของอลูมินา (2050°C) ซึ่งไม่รวมความเป็นไปได้ที่จะเกิดการอิเล็กโทรไลซิสของอลูมินาหลอมเหลว

การผลิตอะลูมิเนียมเชิงอุตสาหกรรมมีความเกี่ยวข้องกับชื่อของชาวฝรั่งเศส Henri Saint-Clair Deville เขาตระหนักดีถึงการทดลองของ G. Oersted และนักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่ง F. Wöhler ซึ่งในปี 1827 สามารถแยกเมล็ดอะลูมิเนียมได้ สาเหตุของความล้มเหลวของ F. Wöhler ก็คือธัญพืชในอากาศเหล่านี้ถูกเคลือบด้วยฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์บางๆ ทันที

ก่อนอื่น A.S.-K. ในกระบวนการรับโลหะ Deville แทนที่โพแทสเซียมด้วยโซเดียมราคาถูกกว่าและดำเนินการทดลองในห้องปฏิบัติการในวงกว้าง อลูมิเนียมคลอไรด์ที่เกิดขึ้นจะถูกบรรจุลงในท่อเหล็กขนาดใหญ่ซึ่งมีภาชนะเต็มอยู่ โลหะโซเดียม. เมื่อถูกความร้อน อะลูมิเนียมคลอไรด์จะทำปฏิกิริยากับโซเดียมในสถานะก๊าซ และอนุภาคอะลูมิเนียมจะเกาะอยู่ที่ด้านล่างของท่อ รวบรวมธัญพืชที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาอย่างระมัดระวัง ละลายและได้แท่งโลหะ

วิธีใหม่ในการผลิตอะลูมิเนียมต้องใช้แรงงานมาก นอกจากนี้ปฏิกิริยาของไออะลูมิเนียมคลอไรด์กับโซเดียมมักเกิดการระเบิด ในสภาพห้องปฏิบัติการ สิ่งนี้ไม่ก่อให้เกิดอันตรายร้ายแรง แต่ในสภาพโรงงาน อาจก่อให้เกิดภัยพิบัติได้ ถาม. เดวิลล์แทนที่อะลูมิเนียมคลอไรด์ด้วยส่วนผสมของ AlCl 3 และ NaCl ตอนนี้ผู้เข้าร่วมปฏิกิริยาอยู่ในสถานะหลอมละลาย การระเบิดหยุดลง แต่ที่สำคัญที่สุด แทนที่จะใช้ลูกปัดโลหะขนาดเล็กที่ต้องรวบรวมด้วยมือ กลับได้รับอลูมิเนียมเหลวจำนวนมาก

การทดลองที่โรงงาน Javel ประสบความสำเร็จ ในปี พ.ศ. 2398 ได้โลหะแท่งแรกที่มีน้ำหนัก 6–8 กิโลกรัม

กระบองการผลิตอะลูมิเนียมโดยใช้วิธีทางเคมีดำเนินต่อไปโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย N. N. Beketov เขาทำปฏิกิริยาระหว่างไครโอไลท์ (Na 3 AlF 6) และแมกนีเซียม วิธีการของ N.N. Beketov ไม่แตกต่างจากวิธีของ A.S.-K. เดวิลล์แต่มันง่ายกว่า ในเมือง Gmelingham ของเยอรมนีในปี พ.ศ. 2428 โรงงานแห่งหนึ่งถูกสร้างขึ้นโดยใช้วิธีของ N.N. Beketov ซึ่งในห้าปีผลิตอลูมิเนียมได้ 58 ตัน - มากกว่าหนึ่งในสี่ของการผลิตโลหะทั้งหมดของโลกด้วยวิธีทางเคมีในช่วงเวลาจาก พ.ศ. 2397 ถึง พ.ศ. 2433

การผลิตอะลูมิเนียมด้วยวิธีทางเคมีไม่สามารถให้โลหะราคาถูกแก่อุตสาหกรรมได้ ให้ผลผลิตต่ำและไม่ผลิตอะลูมิเนียมบริสุทธิ์โดยไม่มีสิ่งเจือปน สิ่งนี้บังคับให้นักวิจัย ประเทศต่างๆโลกมองหาวิธีใหม่ในการผลิตอะลูมิเนียม

มาช่วยเหลือนักวิทยาศาสตร์ ไฟฟ้า. ย้อนกลับไปในปี 1808 G. Davy พยายามย่อยสลายอลูมินาโดยใช้แบตเตอรี่ไฟฟ้าที่ทรงพลัง แต่ก็ไม่ประสบผลสำเร็จ เกือบ 50 ปีต่อมา R. Bunsen และ A.S.-K. Deville ดำเนินการอิเล็กโทรไลซิสของส่วนผสมของอลูมิเนียมและโซเดียมคลอไรด์อย่างอิสระ พวกเขาโชคดีกว่ารุ่นก่อนและได้รับอลูมิเนียมหยดเล็กๆ อย่างไรก็ตาม ในสมัยนั้นยังไม่มีแหล่งไฟฟ้าที่มีราคาถูกและมีกำลังเพียงพอ ดังนั้นอิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียมจึงเป็นเพียงความสนใจทางทฤษฎีเท่านั้น

ในปีพ.ศ. 2410 ไดนาโมถูกประดิษฐ์ขึ้น และในไม่ช้าพวกเขาก็ได้เรียนรู้วิธีการส่งกระแสไฟฟ้าในระยะทางไกล ไฟฟ้าเริ่มบุกรุกอุตสาหกรรม

ในปี 1886 P. Héroult ในฝรั่งเศสและ C. Hall ในสหรัฐอเมริกาเกือบจะวางรากฐานสำหรับวิธีการผลิตอะลูมิเนียมสมัยใหม่ไปพร้อมๆ กัน โดยเสนอให้ผลิตอะลูมิเนียมด้วยวิธีอิเล็กโทรลิซิสของอลูมินาที่ละลายในไครโอไลท์หลอมเหลว (วิธี Hall-Héroux) จากนี้ไป วิธีการใหม่การผลิตอะลูมิเนียมเริ่มพัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยได้รับความช่วยเหลือจากการปรับปรุงด้านวิศวกรรมไฟฟ้า ตลอดจนการพัฒนาวิธีการสกัดอลูมินาจากแร่อะลูมิเนียม นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย K.I. Bayer, D.A. Penyakov, A.N. Kuznetsov, E.I. Zhukovsky, A.A. Yakovkin และคนอื่น ๆ มีส่วนสำคัญในการพัฒนาการผลิตอลูมินา และคนอื่น ๆ ซาร์รัสเซียไม่มีอุตสาหกรรมอลูมิเนียมเป็นของตัวเอง อย่างไรก็ตามการศึกษาทางทฤษฎีครั้งแรกในสาขาอิเล็กโทรไลซิสของอลูมิเนียมเป็นของนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียผู้มีชื่อเสียงผู้ก่อตั้งสาขาโลหะวิทยาไฟฟ้าของโลหะที่ไม่ใช่เหล็กในประเทศของเราศาสตราจารย์ ป.ล. Fedotiev ในปี 1912 ร่วมกับ V.P. Ilyinsky ตีพิมพ์ผลงาน "Experimental; Research on the Electrometallurgy of Aluminium" ซึ่งได้รับการแปลเป็นภาษาต่างๆ มากมายในทันที ภาษาต่างประเทศและกลายเป็นหนังสืออ้างอิงสำหรับนักโลหะวิทยาทั่วโลก พี.พี. Fedotiev และ Ilyinsky ที่สถาบันโพลีเทคนิคเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก (มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งรัฐเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก) ได้ทำการวิจัยอย่างละเอียดเกี่ยวกับการเลือกองค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสมที่สุด และยังพบว่าการเติมโซเดียม อลูมิเนียม และแคลเซียมฟลูออไรด์ส่งผลต่อความสามารถในการละลายของอลูมินาใน cryolite และอุณหภูมิการตกผลึก

เมื่อวันที่ 28 มีนาคม พ.ศ. 2472 มีการตีพิมพ์บันทึกในหนังสือพิมพ์ Leningradskaya Pravda ซึ่งรายงานว่าที่โรงงานนำร่องของโรงงาน Krasny Vyborgets ได้โลหะอลูมิเนียม 8 กิโลกรัมจากการอาบน้ำครั้งเดียวเป็นครั้งแรก นี่เป็นจุดเริ่มต้นของอุตสาหกรรมอะลูมิเนียมของเรา

ในปี พ.ศ. 2474 สถาบันวิจัยอุตสาหกรรมอลูมิเนียม-แมกนีเซียม (VAMI) ก่อตั้งขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2475 Volkhovsky เปิดตัวและในปี 1933 – โรงถลุงอะลูมิเนียม Dneprovsky ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา อุตสาหกรรมอะลูมิเนียมก็เริ่มพัฒนาอย่างรวดเร็วในภูมิภาคต่างๆ ของประเทศ

2. พื้นฐานของอิเล็กโทรไลซิสของการหลอมด้วยไครโอไลท์-อลูมินา

การแยกสลายด้วยไฟฟ้าของการหลอมด้วยไครโอไลท์-อลูมินาเป็นวิธีการหลักในการผลิตอะลูมิเนียม แม้ว่าจะมีวิธีบางอย่างก็ตาม อลูมิเนียมอัลลอยด์ได้มาโดยวิธีไฟฟ้าความร้อน

อิเล็กโทรไลเซอร์ทางอุตสาหกรรมเครื่องแรกมีความแรงในปัจจุบันสูงถึง 0.6 kA และในอีก 100 ปีข้างหน้าก็เพิ่มขึ้นเป็น 300 kA อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญต่อพื้นฐานของกระบวนการผลิต

รูปแบบทั่วไปของการผลิตอลูมิเนียมแสดงไว้ในรูปที่ 1 2.1. ยูนิตหลักคืออิเล็กโทรไลเซอร์ อิเล็กโทรไลต์เป็นการละลายของไครโอไลท์โดยมีอะลูมิเนียมฟลูออไรด์มากเกินไปเล็กน้อย ซึ่งอลูมินาจะถูกละลาย กระบวนการนี้ดำเนินการที่ความเข้มข้นของอลูมินาที่แปรผันได้ตั้งแต่ประมาณ 1 ถึง 8% (น้ำหนัก) ขั้วบวกคาร์บอนที่แช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์บางส่วนจะถูกหย่อนลงในอ่างจากด้านบน แอโนดบูชายัญมีสองประเภทหลัก: การอบด้วยตนเองและการอบล่วงหน้า ครั้งแรกที่ใช้ความร้อนของอิเล็กโทรไลซิสเพื่อยิงมวลแอโนดซึ่งประกอบด้วยส่วนผสมของตัวเติมโค้กและสารยึดเกาะ - ระยะพิทช์ แอโนดอบเป็นส่วนผสมของโค้กและสารยึดเกาะที่อบไว้ล่วงหน้า เทคโนโลยีสำหรับการผลิตมวลแอโนดและแอโนดแบบอบมีการอธิบายโดยละเอียดในเอกสาร (ดูตัวอย่าง)

ข้าว. 2.1. โครงการผลิตอะลูมิเนียมจากอลูมินา

อะลูมิเนียมหลอมเหลวที่อุณหภูมิอิเล็กโทรไลซิส (950–960°C) จะหนักกว่าอิเล็กโทรไลต์และตั้งอยู่ที่ด้านล่างของอิเล็กโทรไลเซอร์ การหลอมของไครโอไลท์-อลูมินามีความเข้มข้นสูง ซึ่งสามารถต้านทานได้ด้วยคาร์บอนและวัสดุใหม่บางชนิด สิ่งเหล่านี้ใช้เพื่อสร้างซับภายในของอิเล็กโทรไลเซอร์

เพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง โรงงานที่ทันสมัยใช้วงจรเรียงกระแสเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแรงดันไฟฟ้า 850V และมีประสิทธิภาพการแปลง 98.5% ติดตั้งในสถานีย่อยตัวแปลงซิลิคอน (CPS) หน่วยเรียงกระแสหนึ่งชุดสร้างกระแสไฟฟ้าได้สูงถึง 63 kA จำนวนหน่วยดังกล่าวขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ต้องการเนื่องจากทั้งหมดเชื่อมต่อแบบขนาน

กระบวนการที่เกิดขึ้นในอิเล็กโทรไลเซอร์ประกอบด้วยการสลายตัวด้วยไฟฟ้าของอลูมินาที่ละลายในอิเล็กโทรไลต์ ที่แคโทดอลูมิเนียมเหลวอลูมิเนียมจะถูกปล่อยออกมาซึ่งจะถูกเทเป็นระยะโดยใช้ทัพพีสูญญากาศและส่งไปยังแผนกหล่อหรือเครื่องผสมโดยที่ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์เพิ่มเติมของโลหะโลหะผสมกับซิลิคอน, แมกนีเซียม, แมงกานีส, ทองแดง มีการเตรียมการหรือกลั่นกรอง ออกซิเดชันของคาร์บอนโดยออกซิเจนที่ปล่อยออกมาเกิดขึ้นที่ขั้วบวก ก๊าซไอเสียแอโนดเป็นส่วนผสมของ CO 2 และ CO

อิเล็กโทรไลเซอร์มักมีฝาปิดเพื่อขจัดก๊าซเสียและระบบทำความสะอาด ซึ่งจะช่วยลดการปล่อยสารอันตรายออกสู่ชั้นบรรยากาศ กระบวนการทางเทคโนโลยีกำหนดให้มีการปิดผนึกที่กำบังเพื่อให้แน่ใจว่าก๊าซถูกดูดเข้าไปในตัวสะสมโดยใช้พัดลม ก๊าซที่ถูกกำจัดออกจากอิเล็กโทรไลเซอร์จะถูกควบคุมโดยคาร์บอนไดออกไซด์ (คาร์บอนมอนอกไซด์ส่วนใหญ่ถูกเผาเหนืออิเล็กโทรไลต์หรือในหัวเผาแบบพิเศษหลังระฆังรวบรวมก๊าซ) ไนโตรเจน ออกซิเจน ฟลูออไรด์ที่เป็นก๊าซและแข็ง และอนุภาคฝุ่นอลูมินา หากต้องการลบออกและส่งกลับเข้าสู่กระบวนการ จะใช้โครงร่างเทคโนโลยีต่างๆ

อิเล็กโทรไลเซอร์สมัยใหม่ติดตั้งระบบป้อนอลูมินาอัตโนมัติ (AGS) โดยมีระยะเวลาโหลด 10–30 นาที

ปฏิกิริยาโดยรวมที่เกิดขึ้นในอิเล็กโทรไลเซอร์สามารถแสดงได้ด้วยสมการ

ตามทฤษฎีแล้ว กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสจะใช้อลูมินาและคาร์บอนจากขั้วบวก เช่นเดียวกับไฟฟ้าที่จำเป็นไม่เพียงแต่ในการดำเนินการกระบวนการอิเล็กโทรไลต์เท่านั้น - การสลายตัวของอลูมินา แต่ยังเพื่อรักษาอุณหภูมิการทำงานที่สูงอีกด้วย ในทางปฏิบัติเกลือฟลูออไรด์จำนวนหนึ่งจะถูกใช้ซึ่งจะระเหยและถูกดูดซึมเข้าสู่เยื่อบุ เพื่อให้ได้อะลูมิเนียม 1 ตัน คุณต้องมี:

การผลิตอะลูมิเนียมเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมากที่สุดกระบวนการหนึ่ง ดังนั้นโรงถลุงอะลูมิเนียมจึงถูกสร้างขึ้นใกล้กับแหล่งพลังงาน

ต้องมีวัสดุทั้งหมดที่ใช้สำหรับอิเล็กโทรไลซิส จำนวนขั้นต่ำสิ่งเจือปนที่มีประจุบวกทางไฟฟ้ามากกว่าอลูมิเนียม (เหล็ก ซิลิคอน ทองแดง ฯลฯ) เนื่องจากสิ่งเจือปนเหล่านี้จะถูกแปลงเป็นโลหะเกือบทั้งหมดในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิส

3. ทางเลือกอื่นในการผลิตอะลูมิเนียม

วิธีทางอุตสาหกรรมในการผลิตอะลูมิเนียมโดยอิเล็กโทรไลซิสของการหลอมด้วยไครโอไลท์-อลูมินา แม้ว่าจะมีการใช้งานมายาวนานก็ตาม ก็มีหลายวิธี ข้อบกพร่องที่สำคัญ: การใช้พลังงานจำเพาะสูง, การกำจัดโลหะจำเพาะต่ำและอายุการใช้งานของอิเล็กโตรไลเซอร์, ค่าแรงและต้นทุนสูง, การปล่อยสารอันตรายสู่ชั้นบรรยากาศ และอื่นๆ อีกมากมาย โดยเสนอวิธีอื่นในการผลิตอะลูมิเนียม ลองดูบางส่วนของพวกเขา

3.1. การผลิตโลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอนด้วยความร้อนไฟฟ้า

รับ อลูมิเนียมบริสุทธิ์เป็นไปไม่ได้ที่จะลดออกไซด์โดยตรง กระบวนการคาร์โบเธอร์มิกต้องใช้อุณหภูมิสูง (ประมาณ 2000°C) เพื่อลดปริมาณอลูมินา และในกรณีที่ไม่มีส่วนประกอบที่ขึ้นรูปเป็นโลหะผสม โลหะจะจับกับคาร์บอน ทำให้เกิดอะลูมิเนียมคาร์ไบด์ (A1 4 C 3) เป็นที่ทราบกันดีว่าอลูมิเนียมคาร์ไบด์และอลูมิเนียมละลายซึ่งกันและกันและเป็นส่วนผสมที่ทนไฟได้มาก นอกจากนี้ A1 4 C 3 ยังละลายใน A1 2 O 3 ดังนั้นจากการลดลงของอะลูมิเนียมออกไซด์กับคาร์บอน ทำให้ได้ส่วนผสมของอลูมิเนียม คาร์ไบด์ และออกไซด์ที่มีจุดหลอมเหลวสูง โดยปกติแล้วจะไม่สามารถปล่อยมวลดังกล่าวออกจากเตาอบได้ แม้ว่าจะสามารถทำได้ แต่ก็ต้องใช้ต้นทุนในการแยกจำนวนมาก

ในประเทศของเรา เป็นครั้งแรกในโลกที่มีการพัฒนาวิธีการผลิตซิลิคอนอะลูมิเนียม (โลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอน) ได้รับการพัฒนาและนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรมโดยมีตัวชี้วัดทางเทคนิคและเศรษฐกิจที่ค่อนข้างสูง

รูปแบบเทคโนโลยีทั่วไปสำหรับการผลิตโลหะผสมอลูมิเนียม - ซิลิคอนแสดงไว้ในรูปที่ 1 3.1. นอกจากดินขาว (Al 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O), ไคยาไนต์ (Al 2 O 3 × SiO 2), ดิสเทนซิลลิมาไนต์ (Al 2 O 3 × SiO 2) และแร่อะลูมิเนียมเหล็กต่ำยังสามารถใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นได้

หลังจากการหลอมด้วยไฟฟ้า โลหะผสมจะถูกส่งไปเพื่อทำให้บริสุทธิ์จากสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ ในการทำเช่นนี้จะมีการจัดหาฟลักซ์ที่ประกอบด้วยส่วนผสมของไครโอไลท์และโซเดียมคลอไรด์ซึ่งจะทำให้สิ่งสกปรกเหล่านี้เปียกและ "รวบรวม" พวกมัน ซิลิโคอลูมิเนียมที่ผ่านการกลั่นแล้วมีองค์ประกอบโดยเฉลี่ย (%): A1 – 61; ศรี – 36; เฟ – 1.7; ติ – 0.6; ซาร์ – 0.5; แคลิฟอร์เนีย – 0.7 โลหะผสมนี้ไม่เหมาะสำหรับการผลิตไซลูมินและต้องทำให้บริสุทธิ์จากเหล็ก วิธีการทำความสะอาดที่พบบ่อยที่สุดคือแมงกานีสซึ่งก่อให้เกิดสารประกอบระหว่างโลหะที่ทนไฟกับเหล็ก

ข้าว. 3.1. โครงการทั่วไปสำหรับการผลิตโลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอน

โลหะผสมที่ได้จะถูกเจือจางด้วยอะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ทางเทคนิคหรืออะลูมิเนียมทุติยภูมิเพื่อให้ได้องค์ประกอบที่สอดคล้องกับไซลูมินประเภทต่างๆ แล้วเทลงในแท่งโลหะ

ข้อดีของวิธีการผลิตซิลูมินก่อนฟิวชั่นนี้ อลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าด้วยผลึกซิลิกอนมีดังนี้ กำลังที่มากขึ้นของยูนิตเดียว - เตาเผาสมัยใหม่มีกำลัง 22.5 MB×A ซึ่งสูงกว่ากำลังของอิเล็กโทรไลเซอร์ 160 kA ประมาณ 30 เท่า และส่งผลให้การไหลเวียนของสินค้าลดลง การลดต้นทุนทุนและค่าแรง การใช้วัตถุดิบที่มีโมดูลซิลิคอนต่ำซึ่งมีปริมาณสำรองตามธรรมชาติค่อนข้างมาก

ตามทฤษฎีแล้ว อลูมิเนียมบริสุทธิ์สามารถแยกออกจากโลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอนได้โดยใช้วิธีการต่างๆ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความซับซ้อนของการออกแบบฮาร์ดแวร์และเทคโนโลยี วิธีการเหล่านี้จึงไม่ได้ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมในปัจจุบัน

3.2. กระบวนการซับฮาไลด์

เป็นที่ทราบกันดีว่าหากให้ความร้อนส่วนผสมของเฮไลด์และอลูมิเนียมที่ปนเปื้อน อลูมิเนียมบริสุทธิ์จะถูกปล่อยออกมาเมื่ออุณหภูมิลดลง การค้นพบนี้จุดประกายความสนใจในระบบอะลูมิเนียม-อะลูมิเนียมเฮไลด์ ถูกกำหนดว่าโลหะอลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับ A1X 3 (โดยที่ X คือฮาโลเจน) ที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดอะลูมิเนียมซับฮาไลด์:

เนื่องจากอะลูมิเนียมซับฮาไลด์เป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซ สมดุลจึงเลื่อนไปทางซ้ายเมื่ออุณหภูมิลดลง ตัวอย่างเช่น สามารถผลิต AlCl(G) จาก Al และ AlCl 3 ในเขตปฏิกิริยาที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง จากนั้นถ่ายโอนในสถานะไอไปยังโซนที่เย็นกว่า ซึ่งจะถูกแบ่งสัดส่วนออกเป็นอะลูมิเนียมบริสุทธิ์และอะลูมิเนียมคลอไรด์อย่างไม่สมส่วน ค่าคงที่สมดุลสำหรับระบบ A1 - A1C1 3 สูงกว่าสำหรับระบบ A1 - A1F 3 ดังนั้นระบบคลอไรด์จึงสามารถใช้สำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมได้ อุณหภูมิของการเกิดซับคลอไรด์อยู่ที่ประมาณ 1300°C ที่ความดันบรรยากาศ กระบวนการนี้น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการแยกอะลูมิเนียมออกจากโลหะผสม เนื่องจากอะลูมิเนียมเฮไลด์ทำปฏิกิริยากับอะลูมิเนียม และแทบไม่มีปฏิกิริยากับโลหะอื่นๆ ส่วนใหญ่ ปัญหาจะเกิดขึ้นกับเฮไลด์ที่ระเหยได้บางชนิดเท่านั้น เช่น FeCl 3, MnCl 2 และอื่นๆ พวกมันสามารถก่อตัวเป็นส่วนผสมด้วย AlC1 3 และปนเปื้อนอะลูมิเนียมที่เกิดขึ้น

Alcan ได้พัฒนาเทคโนโลยีที่มีห้าขั้นตอน:

1. การผลิตโลหะผสมดิบ เช่น เหล็ก-ซิลิคอน-อลูมิเนียม ในเตาลดคาร์บอนเทอร์มิก

2. ปฏิกิริยาระหว่าง A1 และ AJC1 ในคอนเวอร์เตอร์ที่อุณหภูมิ 1300 °C

3. การแยกไอระเหยเฮไลด์และซับฮาไลด์ในคอลัมน์การกลั่น

4. ส่งกลับ AICI สำหรับปฏิกิริยาระหว่างคลอไรด์กับโลหะผสมของเหลวที่มีอะลูมิเนียมเป็นจำนวนมาก

5. การสลายตัวของ A1C1 การผลิตอะลูมิเนียม และการคืน A1C1 3 เพื่อการแก้ไข

วิธีซับคลอไรด์เป็นที่สนใจอย่างมากสำหรับการกลั่นโลหะผสมอะลูมิเนียมทางอุตสาหกรรม

3.3. กระบวนการนั้น

รูปแบบการผลิตอะลูมิเนียมโดยใช้วิธี Thoth แสดงไว้ในรูปที่ 1 3.2. หลังจากการเตรียมที่เหมาะสม วัตถุดิบที่ประกอบด้วยอะลูมิเนียมจะถูกคลอรีนในฟลูอิไดซ์เบดโดยมีโค้กและ SiCl 4 อย่างหลังใช้เพื่อระงับปฏิกิริยาคลอรีนของ SiO 2 จากผลของคลอรีนในเตาฟลูอิไดซ์เบด (FB) ทำให้ได้ส่วนผสมไอและก๊าซ (VGM) ซึ่งรวมถึง AlCl 3, FeCl 3, TiCl 4 และ SiCl 4 ในคอนเดนเซอร์ตัวแรก ประมาณ 75% ของ FeCl 3 ในสถานะของแข็งจะถูกปล่อยออกจาก PGS และส่งไปยังเครื่องปฏิกรณ์ออกซิไดเซอร์ ซึ่งมันจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในบรรยากาศ ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของ Fe 2 O 3 และ C1 2 . คลอรีนจะถูกส่งกลับเพื่อคลอรีน ในคอนเดนเซอร์ตัวที่สอง FeCl 3 ที่เหลือจะถูกปล่อยออกมาและการควบแน่นของ A1C1 3 จะเกิดขึ้น ไทเทเนียมและซิลิคอนคลอไรด์ควบแน่นในคอนเดนเซอร์ตัวที่สาม การแยกคลอไรด์เหล่านี้จะดำเนินการในคอลัมน์การกลั่น

ข้าว. 3.2. โครงการผลิตอะลูมิเนียมด้วยวิธีโธธ

อะลูมิเนียมและเหล็กคลอไรด์ที่ปล่อยออกมาจากคอนเดนเซอร์ตัวที่สองจะถูกให้ความร้อนและปั๊มเข้าไปในน้ำยาทำความสะอาดแบบสัมผัส ซึ่งพวกมันจะสัมผัสกับกระแสทวนกับชั้นที่เคลื่อนที่ของอนุภาคอะลูมิเนียมแข็ง ในกรณีนี้ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น:

อลูมิเนียมคลอไรด์บริสุทธิ์จะถูกส่งไปเพื่อลดความร้อนของโลหะ สารรีดิวซ์ที่มีจำหน่ายทั่วไปซึ่งมีความสัมพันธ์กับคลอรีนมากกว่าอะลูมิเนียม ได้แก่ โซเดียม แมกนีเซียม และแมงกานีส อย่างไรก็ตาม สององค์ประกอบแรกมีราคาแพงและการผลิตต้องใช้พลังงานมาก ดังนั้น ตามที่นักพัฒนากระบวนการกล่าวไว้ การใช้แมงกานีสจึงมีข้อดีบางประการ ซึ่งสามารถสร้างขึ้นใหม่จากคลอไรด์โดยวิธีคาร์บอเทอร์มิก โดยใช้พลังงานลดลงอย่างมาก เมื่ออะลูมิเนียมคลอไรด์ลดลงด้วยแมงกานีส จะเกิดปฏิกิริยาต่อไปนี้:

อลูมิเนียมจากส่วนผสมของ MnCl 2 กับ AlCl 3 ที่ไม่ทำปฏิกิริยาจะถูกแยกออกในตัวแยกไซโคลนและแมงกานีสและอลูมิเนียมคลอไรด์จะถูกแยกออกจากเครื่องระเหย อะลูมิเนียมคลอไรด์จะถูกส่งกลับไปยังเครื่องปฏิกรณ์เพื่อผลิตอะลูมิเนียม และแมงกานีสคลอไรด์จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้างออกไซด์ของแข็งของแมงกานีสและคลอรีน แมงกานีสออกไซด์จะถูกรีดิวซ์เป็นโลหะโดยวิธีคาร์บอเทอร์มิกในเตาหลอมแบบเพลาซึ่งมีการอัดโค้กและหินปูนเข้าไป แมงกานีสจะถูกเพิ่มเข้าไปในเตาเผาเพื่อชดเชยการสูญเสียในระหว่างกระบวนการ

ข้อเสียของกระบวนการนี้ เช่นเดียวกับวิธีการทางโลหะวิทยาอื่นๆ รวมถึงการปนเปื้อนของผลิตภัณฑ์ที่ได้ด้วยโลหะรีดิวซ์ ความจำเป็นในการจัดการการผลิตเพื่อการฟื้นฟูสารรีดิวซ์ และต้นทุนเงินทุนที่เพิ่มขึ้น

งานวิจัยการผลิตอะลูมิเนียมโดยรีดักชันด้วยแมงกานีสในห้องปฏิบัติการและขนาดใหญ่ขึ้นดำเนินการในปี พ.ศ. 2509 - 2516 ไม่มีรายงานการพัฒนาอุตสาหกรรมที่ตามมาในวรรณคดี ทิศทางนี้ซึ่งเห็นได้ชัดว่าเกิดจากความยากลำบากอย่างมากในการดำเนินการทางเทคนิคของกระบวนการหลายขั้นตอนที่ซับซ้อนนี้

3.4. อิเล็กโทรไลซิสของคลอไรด์ละลาย

ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2516 อัลโคได้ประกาศการพัฒนาวิธีการใหม่ในการผลิตอะลูมิเนียม บริษัททำงานเกี่ยวกับกระบวนการนี้มาเป็นเวลา 15 ปีและใช้เงินไป 23 ล้านดอลลาร์

วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการผลิตอะลูมิเนียมคลอไรด์และกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสในภายหลัง ในปี 1976 มีรายงานเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของ Alcoa ไปสู่การนำเทคโนโลยีคลอไรด์ไปใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อการผลิตอะลูมิเนียม ในปาเลสไตน์ (เท็กซัส สหรัฐอเมริกา) มีโรงงานแห่งหนึ่งที่มีกำลังการผลิตอะลูมิเนียม 30,000 ตันต่อปีโดยใช้วิธีนี้

แผนภาพเทคโนโลยีพื้นฐานแสดงในรูป 2.4.

ข้าว. 3.3. ระบบเทคโนโลยีได้อะลูมิเนียมจากคลอไรด์

อะลูมิเนียมคลอไรด์มีความสัมพันธ์กับน้ำสูงและมีแนวโน้มที่จะเกิดออกไซด์และไฮดรอกซีคลอไรด์ ในเรื่องนี้การได้รับมันในรูปแบบที่บริสุทธิ์นั้นเป็นงานที่ยาก การมีความชื้นทำให้เกิดการกัดกร่อน และการมีอยู่ของสารประกอบที่มีออกซิเจนทำให้เกิดการตกตะกอนและการเกิดออกซิเดชันของขั้วบวก อัลโคได้เสนอการใช้คลอรีนของอลูมินาบริสุทธิ์ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ได้บางส่วน อย่างไรก็ตาม ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดความบริสุทธิ์ของคาร์บอนที่เพิ่มขึ้นเมื่อทำคลอรีนที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนหรือความชื้น

เมื่อเร็วๆ นี้ มีรายงานว่า Toth Aluminium Corporation สามารถผลิตอะลูมิเนียมคลอไรด์ในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ โดยมีส่วนประกอบหลักอย่างน้อย 99.97%

อะลูมิเนียมคลอไรด์ที่เกิดขึ้นในสถานะเป็นเม็ดหรือไอจะถูกส่งไปยังอิเล็กโทรไลซิส อิเล็กโทรไลเซอร์ที่ใช้ในเทคโนโลยีนี้ประกอบด้วยโครงเหล็กที่บุด้วยไฟเคลย์ และส่วนล่างเสริมด้วยอิฐดินเบา เช่น วัสดุทนไฟที่ไม่เป็นฉนวนความร้อนซึ่งมีปฏิกิริยาอ่อนกับคลอไรด์ละลาย ที่ด้านล่างของอ่างมีช่องกราไฟท์สำหรับเก็บอลูมิเนียมเหลว ฝาของอิเล็กโทรไลเซอร์มีช่องสำหรับใส่อะลูมิเนียมคลอไรด์ โดยจะดูดอะลูมิเนียมออกเป็นระยะๆ และกำจัดก๊าซคลอรีนที่ใช้ในการผลิตอะลูมิเนียมคลอไรด์อย่างต่อเนื่อง ผนังด้านข้างและฝาของอิเล็กโทรไลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำ

อิเล็กโทรไลซิสใช้อิเล็กโทรดกราไฟต์ที่ไม่สิ้นเปลือง ข้อได้เปรียบนี้ (เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรไลซิสของการหลอมไครโอไลท์-อลูมินา) ร่วมกับอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำของกระบวนการ (ประมาณ 700°C) ทำให้สามารถปิดผนึกอิเล็กโทรไลเซอร์ได้อย่างสมบูรณ์

ข้าว. 2.5. แผนภาพของอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีอิเล็กโทรดแบบไบโพลาร์สำหรับอิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียมคลอไรด์

1 – ฝาครอบ: 2 – การระบายความร้อนด้วยน้ำ: 3 – ขั้วบวก; 4 – อิเล็กโทรดสองขั้ว; 5 – แคโทด; 6 – ซับใน; 7 – ช่องสำหรับเก็บอลูมิเนียม วัสดุ: A – กราไฟท์; B – ไฟร์เคลย์; B – ไดอะตอม

การสลายตัวด้วยไฟฟ้าของอะลูมิเนียมคลอไรด์ในทางทฤษฎีต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ากระแสไฟฟ้าของการหลอมด้วยไครโอไลท์-อลูมินา เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าในการสลายตัวของอะลูมิเนียมคลอไรด์นั้นสูงกว่ามาก ดังนั้นข้อเสียของกระบวนการอาจรวมถึงความจำเป็นในการจ่ายความร้อนจำนวนมากให้กับอิเล็กโทรไลเซอร์และการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าที่สำคัญ อย่างไรก็ตาม การสูญเสียโอห์มมิกและความร้อนที่สูงจะลดลงอย่างมากเมื่อใช้ระบบอิเล็กโทรดแบบไบโพลาร์ ในอิเล็กโทรไลเซอร์ อิเล็กโทรดด้านบนคือแอโนด ด้านล่างคือแคโทด และระหว่างอิเล็กโทรไลต์คืออิเล็กโทรดกราไฟท์ ด้านบนเป็นแคโทดและด้านล่างเป็นแอโนด ในเวลาเดียวกันผลการคำนวณแสดงให้เห็นว่าเมื่อจำนวนอิเล็กโทรดไบโพลาร์เพิ่มขึ้นและพื้นที่หน้าตัดลดลง กระแสรั่วไหลจะเพิ่มขึ้น เช่น ส่วนหนึ่งของกระแสไหลผ่านส่วนที่เคลือบด้วยอิเล็กโทรไลต์ของซับในและช่องระหว่างซับในและไบโพล โดยไม่ต้องทำงานเคมีไฟฟ้า กระแสรั่วไหลเหล่านี้ส่งผลให้ประสิทธิภาพของกระแสไฟฟ้าลดลง

เนื่องจากจุดหลอมเหลวและจุดเดือดอยู่ใกล้กันที่ความดันบรรยากาศ อะลูมิเนียมคลอไรด์จึงสามารถระเหิดได้โดยไม่ต้องหลอมละลาย อุณหภูมิการระเหิดอยู่ที่ 180.2°C จุดสามจุดสอดคล้องกับอุณหภูมิ 192.6°C และความดันสัมบูรณ์ 0.23 MPa ในเรื่องนี้ ส่วนผสมหลอมเหลวของอะลูมิเนียมคลอไรด์ (5 ± 2% (wt.)), ลิเธียมคลอไรด์ (~28% (wt.)) และโซเดียมคลอไรด์ (67% (wt.)) ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ ในการหลอมละลายเหล่านี้ กิจกรรมของ A1C1 3 จะลดลง สาเหตุหลักมาจากความจริงที่ว่าในส่วนผสมที่หลอมละลายของคลอไรด์ AlCl 3 นั้นจะถูกจับตัวเป็นไอออนเชิงซ้อนเป็นต้น

ระยะห่างระหว่างขั้วถึงขั้วคือ 1.0 – 1.5 ซม. อุณหภูมิ – 700 ± 30°С ความหนาแน่นกระแส –0.8 – 2.5 A/cm 2

ข้อสรุป

ข้อได้เปรียบหลักที่คาดการณ์และยืนยันในระหว่างการดำเนินการทางอุตสาหกรรมในสหรัฐอเมริกาของวิธีที่ Alcoa เสนอสำหรับการผลิตอะลูมิเนียมด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของคลอไรด์ เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรลิซิสของการหลอมด้วยไครโอไลท์-อลูมินาคือความเป็นไปได้ในการใช้วัตถุดิบที่ประกอบด้วยอะลูมิเนียมคุณภาพต่ำ ลดการใช้พลังงานจำเพาะในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิสได้ประมาณ 30% กำจัดการใช้วัสดุที่ประกอบด้วยคาร์บอนคุณภาพสูง วัสดุอิเล็กโทรด การใช้คลอไรด์ที่หายากและรุนแรงน้อยกว่าแทนฟลูออไรด์ เพิ่มผลิตภาพแรงงาน ลดการลงทุน ลดต้นทุน ลดต้นทุน ต้นทุนของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายและการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

เมื่อเร็ว ๆ นี้ข้อดีของวิธีคลอไรด์ในการผลิตอะลูมิเนียมเริ่มสังเกตเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นเนื่องจากค่าไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นวัตถุดิบสำหรับวิธีการผลิตอลูมิเนียมทางอุตสาหกรรมที่มีอยู่และข้อกำหนดในการป้องกันที่เพิ่มขึ้น สิ่งแวดล้อมและจนถึงขณะนี้ยังไม่มีผลลัพธ์เชิงบวกในการได้รับอลูมินาบริสุทธิ์จากวัตถุดิบที่ไม่ใช่อะลูมิเนียมคุณภาพต่ำ

ดังนั้นมีแนวโน้มมากที่สุดของ ทางเลือกอื่นการผลิตอะลูมิเนียมคือการอิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียมคลอไรด์ในอิเล็กโทรไลต์ที่มีอิเล็กโทรดแบบไบโพลาร์

บรรณานุกรม

1. Rosen B. M., Rosen Ya. B. โลหะมูลค่าพิเศษ – อ.: โลหะวิทยา, 2518. – 128 น.

2. Kolodin E. A. , Sverdlin V. A. , Svoboda R. V. การผลิตแอโนดอบของอิเล็กโทรไลเซอร์อลูมิเนียม – อ.: โลหะวิทยา, 1980, – 84 น.

3. Yanho E. A. , Vorobyov D. N. การผลิตมวลแอโนด – อ.: โลหะวิทยา, 2518. – 128 น.

4. Vetkzhov M. M. , Tshllakov A. M. , Shkolnikov S. N. โลหะวิทยาไฟฟ้าของอลูมิเนียมและแมกนีเซียม – อ.: โลหะวิทยา, 2530. – 320 น.

5. Shchenkov V.V., Litvak S.N. การพัฒนากระบวนการทางเทคโนโลยีใหม่สำหรับการผลิตอะลูมิเนียม // Tsv. โลหะวิทยา: กระทิง NTI / Tsvetmetinformatsiya. – 2517. – ลำดับที่ 9. – หน้า 38 – 41.

6. Sandler R. A. , Rapier A. Kh โลหะวิทยาไฟฟ้าของอลูมิเนียมและแมกนีเซียม – ล: LGI, 1983. – 94 น.

JSC "โรงงานอิเล็กโทรไลซิสคาซัคสถาน" (KEP)ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ ENRC (Eurasian Natural Resources Corporation) เป็นโรงงานแห่งเดียวในคาซัคสถานสำหรับการผลิตอะลูมิเนียมปฐมภูมิ โรงงานตั้งอยู่ในปัฟโลดาร์ เปิดดำเนินการในปี พ.ศ. 2550 รวมถึงร้านอิเล็กโทรไลซิส ร้านหล่อ ร้านผลิตแอโนด และแผนกเสริมอื่นๆ บนพื้นฐานของมันจะมีการสร้างกระจุกโลหะด้วย เต็มรอบการผลิต: การทำเหมืองแร่บอกไซต์ การผลิตอลูมินา การผลิต "โลหะมีปีก" ใน ตอนนี้กำลังการผลิตของโรงงานอยู่ที่ 125,000 ตันต่อปี อลูมิเนียมผลิตในแท่งเกรด A-85 ยี่สิบกิโลกรัม (ประกอบด้วยอลูมิเนียม 99.85%)

ระหว่างนี้เราจะเริ่มศึกษาเทคโนโลยีการผลิตอะลูมิเนียมในรูปถ่ายกัน

ข้อมูลทั่วไป
อลูมิเนียม - องค์ประกอบทางเคมีกลุ่มที่สาม ตารางธาตุองค์ประกอบโดย D.I. Mendeleev ในแง่ของปริมาณเนื้อหาในเปลือกโลก อะลูมิเนียมครองอันดับหนึ่งในหมู่โลหะ และอันดับสามในบรรดาองค์ประกอบอื่นๆ (รองจากออกซิเจนและซิลิคอน) เปลือกโลกประกอบด้วยอลูมิเนียม 8.8% (สำหรับการเปรียบเทียบปริมาณเหล็กในเปลือกโลกคือ 4.2% ทองแดง - 0.003 ทอง - 0.000005%) ในธรรมชาติอลูมิเนียมพบได้เฉพาะในรูปของสารประกอบที่หลากหลายและหลากหลายมากเท่านั้น ส่วนใหญ่คืออะลูมิเนียมออกไซด์ - ในชีวิตประจำวันเรียกว่าอลูมินาหรือเพียงแค่ดินเหนียว ดินเหนียวประมาณหนึ่งในสามประกอบด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์และเป็นวัตถุดิบที่มีศักยภาพในการผลิต

อลูมิเนียมมีคุณสมบัติหลายประการที่แตกต่างจากโลหะอื่นๆ นี่คืออลูมิเนียมที่มีความหนาแน่นต่ำ มีความเหนียวดีและมีความแข็งแรงเชิงกลเพียงพอ มีการนำความร้อนและไฟฟ้าสูง อลูมิเนียมไม่เป็นพิษ ไม่เป็นแม่เหล็ก และทนทานต่อการกัดกร่อนได้หลายชนิด สารเคมี.

ผู้บริโภคอะลูมิเนียมและโลหะผสมที่สำคัญที่สุด ได้แก่ อุตสาหกรรมการบินและยานยนต์ การขนส่งทางรถไฟและทางน้ำ วิศวกรรมเครื่องกล วิศวกรรมไฟฟ้าและการผลิตเครื่องมือ การก่อสร้างทางอุตสาหกรรมและโยธา อุตสาหกรรมเคมี และการผลิตสินค้าอุปโภคบริโภค

การผลิตอลูมิเนียม
สาระสำคัญของกระบวนการผลิตอะลูมิเนียมคือการได้รับอะลูมิเนียมออกไซด์ (อลูมินา) ที่ปราศจากน้ำและปราศจากสิ่งเจือปน ตามด้วยการผลิตอะลูมิเนียมโลหะโดยอิเล็กโทรไลซิสของอลูมินาที่ละลายในไครโอไลท์

กระบวนการทางเทคโนโลยีในการผลิตอะลูมิเนียมประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก:

การได้รับอลูมินา (Al 2 O 3) จากแร่อะลูมิเนียม
อิเล็กโทรไลซิสและการกลั่นอะลูมิเนียมจากอลูมินา

อลูมินาได้มาจากอะลูมิเนียมโดยการบำบัดด้วยด่าง โซเดียมอะลูมิเนตที่ได้จะถูกนำไปไฮโดรไลซิส เป็นผลให้ผลึกอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ตกตะกอน อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ถูกทำให้แห้งโดยการให้ความร้อนในเตาเผาแบบหมุนเพื่อผลิตอลูมินาที่ขาดน้ำ

ในการผลิตไครโอไลท์นั้น ไฮโดรเจนฟลูออไรด์จะต้องได้รับจากฟลูออร์สปาร์ก่อน แล้วตามด้วยกรดไฮโดรฟลูออริก อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ถูกเติมลงในสารละลายของกรดไฮโดรฟลูออริกซึ่งส่งผลให้เกิดกรดฟลูออโรอะลูมิเนียมซึ่งถูกทำให้เป็นกลางด้วยโซดาและไครโอไลท์ซึ่งตกตะกอน กรองและทำให้แห้งในถังอบแห้ง

ด้วยวิธีนี้จะได้อลูมินาซึ่งเป็นผงสีเทา ภารกิจต่อไปคือการแยกอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ออกจากอะลูมิเนียมโดยใช้อิเล็กโทรไลซิส ตอนนี้ความสนุกเริ่มต้นขึ้นแล้ว:

การประชุมเชิงปฏิบัติการการผลิตแอโนด

2. อุตสาหกรรมอลูมิเนียมเป็นผู้บริโภคอิเล็กโทรดคาร์บอนจำนวนมาก ซึ่งใช้ในการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับอิเล็กโทรไลต์ในอิเล็กโทรไลเซอร์

3. มีการผลิตอิเล็กโทรดที่อบไว้ล่วงหน้าแบบกดที่นี่

4. ขั้วบวกเป็นบล็อกปริซึมบนระนาบด้านบนซึ่งมีซ็อกเก็ตหัวนมหลายช่อง (ช่อง)

5. บล็อกแอโนดทำจากโค้กที่มีเถ้าต่ำและกำมะถันต่ำ

6. ในการจ่ายกระแสให้กับขั้วบวกนั้นจะใช้จุกนมเหล็กซึ่งเสียบเข้าไปในซ็อกเก็ตจุกนมและเติมด้วยเหล็กหล่อหลอมเหลวหรือปิดผนึกด้วยคาร์บอนเพสต์

7. สำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์คาร์บอน จะใช้วัสดุคาร์บอนแข็งซึ่งเป็นพื้นฐานของอิเล็กโทรด และใช้สารยึดเกาะคาร์บอนที่เติมช่องว่างระหว่างเม็ดของวัสดุคาร์บอนแข็ง เมื่อผลิตภัณฑ์ถูกเผา สารยึดเกาะจะโค้กและยึดเม็ดวัสดุคาร์บอนแข็งเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา

ร้านอิเล็กโทรลิซิส

10. ร้านอิเล็กโทรไลซิสสมัยใหม่เป็นหน่วยแยกอิสระในอาณาเขตและฝ่ายบริหาร โดยมีวงจรการผลิตเต็มรูปแบบ ตั้งแต่การรับคลังสินค้าสำหรับวัตถุดิบไปจนถึงโกดังสำหรับผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ โดยมีพื้นฐานคืออ่างอิเล็กโทรไลซิสที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมหนึ่งชุดหรือมากกว่า

11. อิเล็กโทรไลเซอร์คืออ่างของไครโอไลท์หลอมเหลว ดับเบิ้ลโซเดียม และอะลูมิเนียมฟลูออไรด์ ซึ่งอลูมินา 3-5% จะถูกละลาย และลอยอยู่บนเตียงของอะลูมิเนียมหลอมเหลว แท่งเหล็กที่ผ่านแผ่นคาร์บอนจะถูกนำมาใช้เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับแคโทด และแท่งคาร์บอนแขวนลอยที่แช่อยู่ในไครโอไลท์หลอมเหลวทำหน้าที่เป็นแอโนด อุณหภูมิในการทำงานของกระบวนการอยู่ที่เกือบ 950° C ซึ่งสูงกว่าจุดหลอมเหลวของอะลูมิเนียมอย่างมาก อุณหภูมิในอ่างอิเล็กโทรลิซิสถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนช่องว่างระหว่างแอโนดและตัวรับโลหะแคโทด ซึ่งเป็นที่สะสมของอะลูมิเนียมหลอมเหลว

14. อลูมิเนียมเหลวที่ปล่อยออกมาบนเตาซึ่งทำหน้าที่เป็นแคโทดนั้นหนักกว่าเกลือหลอมเหลวของอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นจึงถูกรวบรวมไว้บนฐานถ่านหินจากจุดที่ถูกสูบออกเป็นระยะ แอโนดคาร์บอนจะถูกจุ่มลงในอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ด้านบน ซึ่งจะเผาไหม้ในบรรยากาศของออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากอะลูมิเนียมออกไซด์ ปล่อยคาร์บอนมอนอกไซด์ CO และคาร์บอนไดออกไซด์ CO 2 ออกมา

15. ความแรงของกระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลเซอร์คือ 150,000 A แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานบนอ่างคือ 4-5 V มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูงใกล้กับอิเล็กโทรไลเซอร์

16. เครื่องจักรพิเศษสำหรับขนย้ายพาเลทแอโนด ใช้สำหรับขนส่งแอโนดสดและถ่านแอโนดระหว่างแผนกประกอบแอโนด (AMO) และตัวเครื่องอิเล็กโทรลิซิส

17. ขนาดโดยรวมของเวิร์คช็อปน่าประทับใจ ด้านหลังมีอิเล็กโทรไลเซอร์แถวเดียวกันและบริเวณใกล้เคียงมีเวิร์กช็อปที่สองที่มีขนาดใกล้เคียงกัน

18. คุณลักษณะเฉพาะสำหรับการผลิตอลูมินา เกลือฟลูออไรด์ และผลิตภัณฑ์คาร์บอนเป็นข้อกำหนดสำหรับระดับความบริสุทธิ์สูงสุดของวัสดุเหล่านี้

19. องค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ของอิเล็กโทรไลเซอร์อลูมิเนียมอุตสาหกรรมนอกเหนือจากส่วนประกอบหลัก - ไครโอไลท์, อลูมิเนียมฟลูออไรด์และอลูมินารวมถึงเกลืออื่น ๆ ในปริมาณเล็กน้อย (รวมมากถึง 8-9%) ซึ่งปรับปรุงบางส่วน ลักษณะทางเคมีกายภาพอิเล็กโทรไลต์จึงเพิ่มประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลเซอร์

20. เมื่ออิเล็กโทรไลต์หมดอลูมินา จะมีการนำอลูมินาอีกส่วนหนึ่งเข้าไป

โรงหล่อ

21. แผนกโรงหล่อตั้งอยู่ในอาณาเขตของโรงหล่อด้วยไฟฟ้าในลักษณะที่เส้นทางการขนส่งโลหะเหลวจากอาคารอิเล็กโทรไลซิสไปยังแผนกโรงหล่อมีน้อย อุปกรณ์หลักของแผนกนี้คือเตาเผาแบบสะท้อนกลับ (เครื่องผสม) พร้อมระบบทำความร้อนไฟฟ้า

22. โดยปกติเพื่อปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์จะมีการติดตั้งเตาสะท้อนเสียงคู่ที่จับคู่กันสองตัวโดยหนึ่งในนั้น (ไม้ตาย) มีไว้สำหรับการรับการตกตะกอนโดยเฉลี่ยอุณหภูมิและองค์ประกอบของโลหะและอีกอัน (การเท) สำหรับการหล่อจาก มัน หลากหลายชนิดสินค้า. ระบบของเตาเผาแบบอยู่กับที่ ต่างจากเตาแบบหมุนตรงที่ช่วยให้สามารถกระบวนการหล่อแบบต่อเนื่องได้

23. อลูมิเนียมเหลวถูกเก็บไว้ในเตาไฟฟ้าเป็นเวลา 30-45 นาที ที่อุณหภูมิ 690-730 ° C เพื่อให้สารที่ไม่ใช่โลหะลอยและปล่อยก๊าซออกจากโลหะ

24. สิ่งเจือปนจะถูกกำจัดโดยการทำให้บริสุทธิ์ โดยที่คลอรีนจะถูกเป่าออกไป
อลูมิเนียมละลาย อลูมิเนียมคลอไรด์ที่เป็นไอระเหยที่เกิดขึ้นซึ่งไหลผ่านโลหะหลอมเหลวห่อหุ้มอนุภาคของสิ่งเจือปนที่ลอยอยู่บนพื้นผิวของโลหะซึ่งจะถูกกำจัดออกไป การคลอรีนของอะลูมิเนียมยังช่วยกำจัด Na, Ca, Mg และก๊าซที่ละลายในอะลูมิเนียม หลังจากการกลั่น ความบริสุทธิ์ของอะลูมิเนียมปฐมภูมิคือ 99.5-99.85%

25. การเทแท่งโลหะขนาดเล็กลงในแม่พิมพ์บนเครื่องบรรจุแบบสายพานลำเลียงซึ่งมีอุปกรณ์สำหรับการทำเครื่องหมายทางกลของแท่งโลหะ และระบบระบายความร้อนด้วยอากาศหรือน้ำสำหรับแม่พิมพ์

26. โลหะถูกเทลงในแม่พิมพ์ในเวลาสั้นๆ และสม่ำเสมอ หลังจากเติมแม่พิมพ์แล้ว ฟิล์มออกไซด์จะถูกลอกออกจากพื้นผิวโลหะ

27. อุปกรณ์สำหรับสร้างตราสินค้าทางกลของแท่งโลหะ

28. จัดเรียงสุกรหล่อโดยใช้รถยกสุกรที่ติดตั้งไว้ที่ส่วนท้ายของเครื่องจักรสายพานลำเลียง

29. หลังจากนี้ ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปบรรจุในพาเลท 1,000 กก. และส่งเข้าโกดัง

30. ในการผลิตอะลูมิเนียมหนึ่งตันต้องใช้ไฟฟ้าประมาณ 14,000 กิโลวัตต์-ชั่วโมง และอลูมินาประมาณสองตัน ในเวลาเดียวกัน เพื่อผลิตอลูมินาหนึ่งตัน จำเป็นต้องแปรรูปแร่บอกไซต์ประมาณ 5 ตัน ปัจจุบันราคาอะลูมิเนียมใน London Metal Exchange อยู่ที่ 2,600 ดอลลาร์ต่อตัน

วิดีโอจากโรงงานอิเล็กโทรลิซิส ฉันทำผิดพลาดเล็กๆ น้อยๆ ขณะพยายามถ่ายภาพและวิดีโอพร้อมกัน ส่งผลให้วิดีโอหยุดชั่วคราวเมื่อมีการเปิดรับแสง

หนังสือสำหรับศึกษาด้วยตนเอง.