עיבוד אלומיניום

התכת

למרות שישנן מספר שיטות לייצור אלומיניום, רק אחת משמשת באופן מסחרי. תהליך Deville, הכולל תגובה ישירה של נתרן מתכתי עם אלומיניום כלוריד, היה הבסיס לייצור האלומיניום בסוף המאה ה -19, אך הוא ננטש לטובת התהליך האלקטרוליטי החסכוני יותר. גישה קרבותרמית, השיטה הקלאסית להפחתת (הוצאת חמצן) מתחמוצות מתכתיות, הייתה מזה שנים נושא למחקר אינטנסיבי. זה כולל חימום של תחמוצת יחד עם פחמן לייצור פחמן חד חמצני ואלומיניום. האטרקציה הגדולה של התכת קרבותרמית היא האפשרות לעקוף זיקוק אלומינה ולהתחיל עם עפרות בדרגה נמוכה יותר מאשר בוקסיט ופחמן בדרגה נמוכה יותר מאשר קוקה נפט. למרות שנים רבות של מחקר אינטנסיבי, עם זאת, לא נמצא אף מתחרה כלכלי בגישה של באייר-הול-Héroult.

אף כי באופן עקרוני לא השתנה, תהליך ההתכה של Hall-Héroult של ימינו שונה במידה רבה בקנה מידה ובפרטים מהתהליך המקורי. הטכנולוגיה המודרנית הניבה שיפורים משמעותיים בציוד ובחומרים והיא הורידה את העלויות הסופיות.

במפעל מודרני, אלומינה מומסת בעציצי צמצום - קליפות פלדה עמוקות ומלבניות מרופדות בפחמן - הממולאות באלקטרוליט מותך המורכב בעיקר מתרכובת של נתרן, אלומיניום ופלואור הנקרא קריוליט.

באמצעות אנודות פחמן מועבר זרם ישר דרך האלקטרוליט אל בטנה של קתודת פחמן בתחתית התא. נוצר קרום על פני האמבט המותך. אלומיניום מתווסף על גבי קרום זה, שם הוא מחומם מראש על ידי החום מהתא (כ- 950 מעלות צלזיוס) והלחות הספוגה שלו מונעת. מעת לעת נשבר הקרום, והאלומינה מוזנת לאמבטיה. בתאים חדשים יותר, האלומינה מוזנת ישירות לאמבטיה המותכת באמצעות מזינים אוטומטיים.

תוצאות האלקטרוליזה הן הצבת האלומיניום המותך בתחתית התא והתפתחות הפחמן הדו-חמצני באנודה הפחמית. כ -450 גרם (1 קילו) פחמן נצרכים עבור כל קילוגרם (2.2 פאונד) מאלומיניום המיוצר. כ -2 ק"ג אלומינה נצרכים לכל קילוגרם אלומיניום המיוצר.

תהליך ההתכה מתמשך. אלומינה נוספת מתווספת לאמבטיה מדי פעם כדי להחליף את הצריכה בהפחתה. החום הנוצר על ידי הזרם החשמלי שומר על האמבטיה במצב מותך כך שהאלומינה הטרייה תתמוסס. מעת לעת, אלומיניום מותך נמחק.

מכיוון שאיזה פלואוריד מהאלקטרוליט הקריוליטי הולך לאיבוד בתהליך, פלואוריד אלומיניום מתווסף, לפי הצורך, כדי לשחזר את ההרכב הכימי של האמבט. אמבטיה עם עודף פלואוריד מאלומיניום מספקת יעילות מירבית.

בתרגול בפועל, שורות ארוכות של סירי צמצום, המכונים קווי אדמה, מחוברים חשמלי בסדרות. מתחים נורמליים לסירים נעים בין ארבעה לשישה וולט, ועומסי זרם נעים בין 30,000 ל- 300,000 אמפר. בין 50 ל -250 סירים עשויים להיווצר קו קווי אחד עם מתח קו כולל של יותר מ -1,000 וולט. כוח הוא אחד המרכיבים היקרים ביותר באלומיניום. מאז 1900 חיפשו יצרני האלומיניום מקורות כוח הידרואלקטרי זול אך נאלצו גם להקים מתקנים רבים המשתמשים באנרגיה מדלקים מאובנים. ההתקדמות הטכנולוגית הפחיתה את כמות האנרגיה החשמלית הדרושה לייצור קילוגרם של אלומיניום. בשנת 1940 נתון זה היה 19 קילוואט שעות. עד 1990 כמות האנרגיה החשמלית שנצרכה לכל קילוגרם מאלומיניום שהופק ירדה לכ- 13 קילוואט שעות עבור התאים היעילים ביותר.

אלומיניום מותך מועבר מהתאים לכור היתוך גדול. משם ניתן לשפוך את המתכת ישירות לתבניות לייצור מטיל יציקה, ניתן להעביר אותה לתנורים מחזיקים לצורך זיקוק נוסף או לסגסוגת מתכות אחרות, או שניהם, ליצירת מטילי בדים. מכיוון שהוא מגיע מהתא, האלומיניום הראשוני הוא כ- 99.8 אחוז טהור.

לאוטומציה ובקרת מחשבים הייתה השפעה ניכרת על פעולות התעשייה. מתקני ההפחתה המודרניים ביותר משתמשים במפעלי פחמן ממוכנים לחלוטין ובבקרת מחשבים לצורך פיקוח ואוטומציה של פעולות הקווי.

מיחזור

מכיוון שהמייבוק מחדש של גרוטאות אלומיניום צורך רק חמישה אחוזים מהאנרגיה הנדרשת לייצור אלומיניום ראשוני מבוקסיט, גרוטאות "בתהליך" מגלילי בדים, סיגופים וחולצות מצאו את דרכה חזרה לכבשן ההיתוך מאז שהייצור התחיל. בנוסף, זמן קצר לפני מלחמת העולם הראשונה נאסף גרוטאות "חדשות" שהופקו במהלך ייצור מוצרים מסחריים וביתיים מאלומיניום על ידי יזמים שהחלו את מה שמכונה תעשיית האלומיניום המשנית. ההרכב הכימי של גרוטאות חדשות מוגדר בדרך כלל היטב; כתוצאה מכך, הוא נמכר לרוב ליצרני האלומיניום הראשיים כדי שיוחזרו לסגסוגת זהה. גרוטאות "חדשות" מתווספות כעת רבות על ידי גרוטאות "ישנות", המיוצרות על ידי מיחזור של מוצרי צריכה מושלכים כמו מכוניות או כסאות מדשאה. מכיוון שגרוטאות ישנות לרוב מלוכלכות ותערובת של סגסוגות רבות, היא בדרך כלל בסופו של דבר בסגסוגות יציקה, שיש בהן רמות גבוהות יותר של אלמנטים מסגסוגת.

מיכלי משקה אלומיניום משומשים מהווים סוג ייחודי של גרוטאות ישנות. למרות שגופם ועפעפי הפחיות הללו עשויים מסגסוגות אלומיניום שונות, שניהם מכילים מגנזיום ומנגן. כתוצאה מכך, ניתן להשתמש במכלי משקאות ממוחזרים כדי להכין מחדש את המלאי עבור כל אחד מהמוצרים. האנרגיה הנדרשת לייצור פחית משקה מגרוטאות היא כ 30 אחוז מהאנרגיה הדרושה לייצור הפחית ממתכת ראשונית. מסיבה זו מיחזור מיכלי המשקאות המשומשים מהווה מקור הולך וגובר של מתכת עבור יצרני המתכות הראשוניות.