معالجة الألمنيوم

صهر

على الرغم من وجود العديد من الطرق لإنتاج الألمنيوم ، إلا أنه يتم استخدام طريقة واحدة فقط تجاريًا. كانت عملية Deville ، التي تنطوي على رد فعل مباشر للصوديوم المعدني مع كلوريد الألومنيوم ، أساس إنتاج الألمنيوم في أواخر القرن التاسع عشر ، ولكن تم التخلي عنها لصالح عملية التحليل الكهربائي الأكثر اقتصادا. نهج كربوثرمي ، الطريقة الكلاسيكية لتقليل (إزالة الأكسجين من) الأكاسيد المعدنية ، كانت لسنوات موضوع بحث مكثف. يتضمن ذلك تسخين الأكسيد مع الكربون لإنتاج أول أكسيد الكربون والألمنيوم. إن عامل الجذب الكبير للصهر كاربوثرميك هو إمكانية تجاوز تكرير الألومينا والبدء بخامات أقل من البوكسيت وكربون أقل من فحم البترول. على الرغم من سنوات عديدة من البحث المكثف ، لم يتم العثور على منافس اقتصادي لمنهج باير-هال-هيرولت.

على الرغم من عدم تغييرها من حيث المبدأ ، تختلف عملية صهر Hall-Héroult اليوم اختلافًا كبيرًا في الحجم والتفاصيل عن العملية الأصلية. أنتجت التكنولوجيا الحديثة تحسينات كبيرة في المعدات والمواد ، وخفضت التكاليف النهائية.

في المصهر الحديث ، يذوب الألومينا في أوعية الاختزال - الأصداف الفولاذية العميقة والمستطيلة المبطنة بالكربون - المملوءة بالكهرباء المنصهرة التي تتكون في الغالب من مركب من الصوديوم والألمنيوم والفلور يسمى الكريوليت.

عن طريق أنودات الكربون ، يتم تمرير التيار المباشر من خلال المنحل بالكهرباء إلى بطانة كاثود الكربون في الجزء السفلي من الخلية. تتكون قشرة على سطح الحمام المنصهر. تتم إضافة الألومينا فوق هذه القشرة ، حيث يتم تسخينها بالحرارة من الخلية (حوالي 950 درجة مئوية [1750 درجة فهرنهايت]) والرطوبة الممتزّة مدفوعة. يتم تكسير القشرة بشكل دوري ، ويتم تغذية الألومينا في الحمام. في الخلايا الأحدث ، يتم تغذية الألومينا مباشرة في الحمام المصهور عن طريق المغذيات الآلية.

نتائج التحليل الكهربائي هي ترسيب الألمنيوم المصهور في قاع الخلية وتطور ثاني أكسيد الكربون على أنود الكربون. يتم استهلاك حوالي 450 جرامًا (1 رطل) من الكربون لكل كيلوغرام (2.2 رطل) من الألمنيوم المنتج. يتم استهلاك حوالي 2 كجم من الألومينا لكل كيلوغرام من الألمنيوم المنتج.

عملية الصهر مستمرة. يضاف الألومينا الإضافي إلى الحمام بشكل دوري ليحل محل تلك المستهلكة بالتخفيض. الحرارة الناتجة عن التيار الكهربائي تحافظ على الحمام في حالة منصهرة بحيث تذوب الألومينا الطازجة. بشكل دوري ، يتم شفط الألومنيوم المصهور.

نظرًا لفقدان بعض الفلورايد من المنحل بالكهرباء في العملية ، تتم إضافة فلوريد الألومنيوم ، حسب الحاجة ، لاستعادة التركيب الكيميائي للحمام. يوفر الحمام مع زيادة فلوريد الألومنيوم أقصى قدر من الكفاءة.

في الممارسة الفعلية ، يتم توصيل صفوف طويلة من أواني التخفيض ، تسمى خطوط الإنتاج ، كهربائيًا على التوالي. تتراوح الفولتية العادية للأواني من أربعة إلى ستة فولت ، وتتراوح الأحمال الحالية من 30،000 إلى 300،000 أمبير. من 50 إلى 250 قدراً قد يشكل خطاً واحداً مع جهد خط إجمالي يزيد عن 1000 فولت. الطاقة هي واحدة من أغلى مكونات الألمنيوم. منذ عام 1900 ، بحث منتجو الألمنيوم عن مصادر الطاقة الكهرومائية الرخيصة ولكن كان عليهم أيضًا بناء العديد من المرافق التي تستخدم الطاقة من الوقود الأحفوري. لقد أدى التقدم التكنولوجي إلى تقليل كمية الطاقة الكهربائية اللازمة لإنتاج كيلوغرام واحد من الألمنيوم. في عام 1940 كان هذا الرقم 19 كيلو واط / ساعة. بحلول عام 1990 ، انخفضت كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة لكل كيلوغرام من الألمنيوم المنتج إلى حوالي 13 كيلووات / ساعة للخلايا الأكثر كفاءة.

يتم سحب الألمنيوم المنصهر من الخلايا إلى بوتقات كبيرة. من هناك يمكن سكب المعدن مباشرة في قوالب لإنتاج السبك المسبك ، ويمكن نقله إلى أفران الحفظ لمزيد من التكرير أو السبائك مع معادن أخرى ، أو كليهما ، لتشكيل سبيكة تصنيعية. عندما يأتي من الخلية ، فإن الألومنيوم الأولي نقي بنسبة 99.8 في المائة.

كان للتشغيل الآلي والتحكم بالكمبيوتر تأثير ملحوظ على عمليات الصهر. تستخدم أحدث مرافق التخفيض مصانع كربون آلية بالكامل والتحكم بالكمبيوتر لرصد وأتمتة عمليات خطوط الإنتاج.

إعادة التدوير

نظرًا لأن إعادة صهر خردة الألومنيوم تستهلك 5 في المائة فقط من الطاقة اللازمة لصنع الألمنيوم الأساسي من البوكسيت ، فإن الخردة المعدنية "قيد المعالجة" من صفائح التصنيع ، والمطروقات ، والبثق وجدت طريقها مرة أخرى إلى فرن الصهر منذ بدء الإنتاج. بالإضافة إلى ذلك ، قبل فترة وجيزة من الحرب العالمية الأولى ، تم جمع الخردة "الجديدة" التي تم إنتاجها أثناء تصنيع المنتجات التجارية والمحلية من الألومنيوم من قبل رجال الأعمال الذين بدأوا ما يعرف بصناعة الألمنيوم الثانوية. عادة ما يتم تحديد التركيب الكيميائي للخردة الجديدة بشكل جيد ؛ وبالتالي ، غالبًا ما يتم بيعه مرة أخرى لمنتجي الألمنيوم الأساسيين ليُعاد تشكيله في نفس السبيكة. الخردة "الجديدة" تستكمل الآن إلى حد كبير بخردة "قديمة" ، تنتج عن إعادة تدوير المنتجات الاستهلاكية المهملة مثل السيارات أو كراسي الحديقة. نظرًا لأن الخردة القديمة غالبًا ما تكون قذرة ومزيجًا من العديد من السبائك ، فعادة ما ينتهي بها الأمر في سبائك الصب ، والتي تحتوي على مستويات أعلى من عناصر السبائك.

تشكل حاويات المشروبات المصنوعة من الألومنيوم نوعًا فريدًا من الخردة القديمة. على الرغم من أن أجسام هذه العلب وأغطيةها مصنوعة من سبائك ألمنيوم مختلفة ، إلا أنها تحتوي على المغنيسيوم والمنغنيز. وبالتالي ، يمكن استخدام حاويات المشروبات المعاد تدويرها لإعادة تصنيع المخزون لأي من المنتجين. الطاقة المطلوبة لإنتاج مشروب من الخردة حوالي 30 في المائة من الطاقة اللازمة لإنتاج العلبة من المعدن الأساسي. لهذا السبب ، تمثل إعادة تدوير حاويات المشروبات المستخدمة مصدرًا متزايدًا للمعادن لمنتجي المعادن الأولية.