الألومنيوم، إنتاج الألومنيوم: التكنولوجيا، عملية ووصف
الألومنيوم لديه كتلة من الخصائص التي تجعلوهي واحدة من المواد الأكثر استخداما في العالم. وهي موزعة على نطاق واسع في الطبيعة، وتحتل المرتبة الأولى بين المعادن. ويبدو أنه ينبغي ألا تكون هناك صعوبات في إنتاجه. ولكن النشاط الكيميائي العالي من المعدن يؤدي إلى حقيقة أنه في شكله النقي لا يتم الوفاء بها، وأنه من الصعب إنتاج - هو كثيفة الاستخدام للطاقة ومكلفة.
المواد الخام للإنتاج
ما هي المواد الخام الألومنيوم المنتجة من؟ إنتاج الألمنيوم من جميع المعادن التي تحتوي عليه مكلفة وغير مربحة. أنها تستخرج من البوكسيت، التي تحتوي على ما يصل إلى 50٪ من أكاسيد الألومنيوم وتكمن مباشرة على سطح الأرض مع كتل كبيرة.
هذه الخامات الألومنيوم معقدة جداالتركيب الكيميائي. أنها تحتوي على الألومينا في كمية 30-70٪ من الكتلة الكلية، والسيليكا، والتي يمكن أن تصل إلى 20٪، وأكسيد الحديد تتراوح بين 2 إلى 50٪، والتيتانيوم (تصل إلى 10٪).
الألومينا، وهذا هو أكسيد الألومنيوم، ويتكون من هيدروكسيدات، اكسيد الالمونيوم وكاولينيت.
في الآونة الأخيرة، تم الحصول على أكاسيد الألومنيوم من نيفلينس، التي تحتوي أيضا على الصوديوم والبوتاسيوم والسليكون، وأكسيدات الألونيت.
لإنتاج طن واحد من الألومنيوم النقي، وهناك حاجة إلى حوالي طنين من الألومينا، والتي يتم الحصول عليها بدورها من حوالي 4.5 طن من البوكسيت.
ودائع البوكسايت
إن احتياطيات البوكسيت في العالم محدودة. على العالم كله، هناك سبع مناطق مع رواسبها الغنية. هذا هو غينيا في أفريقيا والبرازيل وفنزويلا وسورينام في أمريكا الجنوبية وجامايكا في منطقة البحر الكاريبي واستراليا والهند والصين واليونان وتركيا في البحر الأبيض المتوسط وروسيا.
في البلدان التي توجد بها ودائع غنيةالبوكسيت ، يمكن تطوير إنتاج الألومنيوم. تقوم روسيا باستخراج البوكسايت في جبال الأورال ، في منطقتي ألتاي وكراسنويارسك ، في إحدى مقاطعات منطقة لينينغراد ، في نيفلين - في شبه جزيرة كولا.
أغنى الودائع تنتمي بالضبط إلىالشركة الروسية المتحدة UC RUSAL. وخلفها ، انتقل عمالقة ريو تينتو (إنجلترا-أستراليا) ، متحدين مع الكندية الكندية و CVRD. المركز الرابع هو شركة تشالكو من الصين ، ثم الشركة الأمريكية الأسترالية ألكوا ، وهي أيضا منتجي الألمنيوم الرئيسيين.
أصل الإنتاج
الفيزيائي الدنماركي أورستيد خص بالذكر أول ألمنيوم فيشكل حر في عام 1825. حدث التفاعل الكيميائي مع كلوريد الألمنيوم ومزيج البوتاسيوم ، بدلا من عامين بعد ذلك استخدم الكيميائي الألماني ويلر البوتاسيوم المعدني.
البوتاسيوم - المواد غالية الثمن ، لذاالإنتاج الصناعي للألمنيوم الفرنسي سانت كلير من ديفيل بدلاً من البوتاسيوم في عام 1854 استخدم الصوديوم ، وهو عنصر كلوريد أرخص بكثير ، وكلوريد مقاوم للألومنيوم والصوديوم.
العالم الروسي NN كان Beketov قادرًا على تحريك الألومنيوم من الكرايوليت المنصهر بالمغنيسيوم. في أواخر الثمانينيات من القرن نفسه ، استخدم الألمان هذا التفاعل الكيميائي في مصنع الألمنيوم الأول. في النصف الثاني من القرن الثامن عشر ، تم الحصول على 20 طنا من المعدن النقي بالوسائل الكيميائية. كان الألمنيوم باهظ الثمن.
إنتاج الألومنيوم بواسطة التحليل الكهربائينشأت في عام 1886 ، عندما قدمت طلبات براءات الاختراع متطابقة تقريبا في وقت واحد من قبل مؤسسي هذه الطريقة من قبل الباحث العالم الأمريكي هول ورجل فرنسي Eru. اقترحوا حل الألومينا في الكرايوليت المنصهر ، ومن ثم الحصول على الألومنيوم بواسطة التحليل الكهربائي.
مع هذا ، بدأت صناعة الألمنيوم ، التي أصبحت لأكثر من قرن من التاريخ واحدة من أكبر فروع علم المعادن.
المراحل الرئيسية لتقنية الإنتاج
بشكل عام ، لم تتغير تقنية إنتاج الألمنيوم منذ نشأتها.
تتكون العملية من ثلاث مراحل. في أول خامات الألومنيوم ، سواء كانت من البوكسايت أو النيفلين ، أكسيد الألومنيوم والألومينيوم Al2O3 .
ثم ، يتم استخراج الألومنيوم الصناعي من أكسيد مع درجة تنقية 99.5 ٪ ، والتي لبعض الأغراض غير كافية.
لذلك ، في المرحلة الأخيرة ، يتم تنقية الألومنيوم. اكتمال إنتاج الألومنيوم من خلال تنقية إلى 99.99 ٪.
الحصول على الألومينا
هناك ثلاث طرق لإنتاج أكسيد الألومنيوم من الخامات:
- حامضي
- الكتروليتيك.
- قلوية.
الطريقة الأخيرة هي الأكثر شيوعًا ،وضعت في نفس القرن الثامن عشر ، ولكن منذ ذلك الحين ، وتحسنت مرات عديدة وتحسنت بشكل كبير ، ويستخدم لمعالجة البوكسيت من الصفوف العالية. وبالتالي ، يتم إنتاج حوالي 85 ٪ من الألومينا.
جوهر طريقة القلوية هو ذلكتتحلل حلول الألومنيوم بسرعة عالية عند إدخال هيدروكسيد الألومنيوم إليها. يتبخر المحلول المتبقي بعد تفاعل التفاعل عند درجة حرارة عالية تبلغ حوالي 170 درجة مئوية ويستخدم مرة أخرى في إذابة الألومينا ؛
أولاً ، يتم تكسير البوكسيت وسحقهطواحين مع الجير الكاوية وبعد ذلك في الأوتوكلاف في درجات حرارة تصل إلى 250 درجة مئوية، ويتم تشكيل التحلل من ألومينات الكيميائية والصوديوم، والتي تضعف مع محلول قلوي بالفعل في انخفاض درجة الحرارة - 100 ° C كل من الحل ألومينات وجرفت في مكثفات الخاصة، وفصلها عن الطين . ثم هناك تدهورها. تم ضخ حل من خلال المرشحات في وعاء مع النمام لالتقليب المستمر تكوين في التي أضيفت البذور إلى هيدروكسيد الألمنيوم الصلب.
في hydrocyclones والفلاتر فراغ ،هيدروكسيد الألومنيوم ، يتم إرجاع جزء منه كمواد البذور ، وبعضها يذهب للتكليس. كما يعود الترشيح المتبقي بعد فصل الهيدروكسيد إلى الدوران من أجل ترشيح الدفعة التالية من البوكسيدات.
تحدث عملية التكليس (التجفيف) لهيدروكسيد في قمائن دوارة عند درجات حرارة تصل إلى 1300 درجة مئوية.
لإنتاج طنين من أكسيد الألومنيوم يستهلك 8.4 كيلووات ساعة من الكهرباء.
المركب الكيميائي القوي ، الذي تكون نقطة انصهاره 2050 درجة مئوية ، ليس ألومنيوم بعد. إنتاج الألومنيوم في الجبهة.
التحليل الكهربائي من أكسيد الألومنيوم
المعدات الرئيسية للتحليل الكهربائي هوحمام خاص ، تصطف مع كتل الكربون. لها يتم جلب التيار الكهربائي. في الحمام ، يتم حرق الأنودات الكربونية عندما يتم فصلها عن أكسيد الأكسجين النقي وتشكيل أكسيد وثاني أكسيد الكربون. يتم تضمين الحمامات ، أو المحلل الكهربائي ، كما يطلق عليها المتخصصين ، في الدائرة الكهربائية في سلسلة ، وتشكيل سلسلة. القوة الحالية هي 150 ألف أمبير.
الأنودات يمكن أن تكون من نوعين: محترقة من كتل الفحم الكبيرة ، والتي يمكن أن تكون كتلة أكثر من طن واحد والخبز الذاتي ، تتكون من قوالب الفحم في قذيفة الألومنيوم ، والتي يتم تلبيدها خلال التحليل الكهربائي تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة.
عادة ما يكون جهد التشغيل في الحمام حوالي 5 فولت. يأخذ في الاعتبار كل من الجهد اللازم لتحليل أكسيد ، والخسائر التي لا مفر منها في الشبكة المتفرعة.
من المذاب في الذوبان على أساس cryolite من أكسيد الألومنيوم ، معدن سائل أثقل من الأملاح المنحل بالكهرباء يستقر على قاعدة الفحم للحمام. يتم ضخه بشكل دوري.
تتطلب عملية إنتاج الألمنيوم الكبيرةتكاليف الطاقة. للحصول على طن واحد من الألومنيوم من الألومينا ، تحتاج إلى إنفاق حوالي 13.5 ألف كيلو وات ساعة من الكهرباء. لذلك ، هناك شرط آخر لإنشاء مراكز إنتاج كبيرة هو محطة طاقة قوية قريبة.
تكرير الألمنيوم
الطريقة الأكثر شهرة هي ثلاث طبقاتالتحليل الكهربائي. كما أنه يحدث في حمامات التحليل الكهربائي مع منصات الكربون ، مبطنة بمغنسيت. الأنود في هذه العملية هو المعدن المنصهر نفسه ، والذي يخضع للتنقية. وهي تقع في الطبقة السفلى على القاعدة الموصلة. الألمنيوم النقي ، الذي يذوب من المنحل بالكهرباء في طبقة الأنود ، يُفهم صعودًا ويعمل كقطب. يتم تزويد التيار به عن طريق قطب غرافيت.
المنحل بالكهرباء في الطبقة المتوسطة هو فلوريدات الألومنيوم أو نقية أو مع إضافة كلوريد الصوديوم والباريوم. يتم تسخينه إلى درجة حرارة 800 درجة مئوية.
استهلاك الطاقة لثلاث طبقاتإن التكرير هو 20 كيلوواط في الساعة لكل 1 كجم من المعدن ، أي 20 ألف كيلووات ساعة للطن الواحد. ولهذا السبب ، مثل إنتاج المعدن ، لا يتطلب الألمنيوم وجود مصدر للكهرباء فحسب ، بل في محطة طاقة كبيرة في المنطقة المجاورة مباشرة.
الألمنيوم المكرر يحتوي على الحديد والسيليكون والنحاس والزنك والتيتانيوم والمغنيسيوم بكميات صغيرة جدا.
بعد التكرير ، يتم معالجة الألمنيوم في المنتجات التجارية. هذه هي سبائك ، والأسلاك ، ورقة ، وشوشكي.
وتستخدم منتجات الفصل التي يتم الحصول عليها كنتيجة للتكرير ، في جزء منه ، على شكل راسب صلب ، للتخلص من الأكسدة ، وتنسحب جزئيًا كمحلول قلوي.
يتم إنتاج الألومنيوم النقي على الإطلاقالمنطقة اللاحقة ذوبان المعدن في غاز خامل أو فراغ. وتتمثل صفاته المميزة في التوصيلية الكهربائية العالية عند درجات الحرارة المنخفضة.
إعادة تدوير المواد الخام الثانوية
يتم تلبية ربع إجمالي الطلب على الألمنيوم عن طريق المعالجة الثانوية للمواد الخام. من المنتجات ، يتم صب صب المعاد تدويرها في إعادة التدوير.
مواد خام سابقة الفرزذاب في فرن عتبة. في ذلك هناك المعادن لديها نقطة انصهار أعلى من الألومنيوم ، على سبيل المثال ، والنيكل والحديد. تتم إزالة شوائب غير معدنية مختلفة من الألمنيوم المصهور عن طريق تطهير الكلور أو النيتروجين.
تتم إزالة المزيد من الشوائب المعدنية القابلة للانصهار بواسطة إضافات المغنيسيوم أو الزنك أو الزئبق والإخلاء. تتم إزالة المغنيسيوم من الذوبان بواسطة الكلور.
يتم إنتاج سبيكة مسبوكة محددة مسبقًا عن طريق إدخال مواد مضافة يتم تحديدها بتكوين الألمنيوم المصهور.
مراكز إنتاج الألمنيوم
من حيث استهلاك الألمنيوم ، تحتل الصين المرتبة الأولى ، تاركة وراءها الولايات المتحدة في المرتبة الثانية والحاصلة على المركز الثالث ألمانيا.
الصين هي أيضا بلد إنتاج الألمنيوم ، بهامش ضخم يؤدي في هذا المجال.
وتضم المراكز العشرة الأولى ، باستثناء جمهورية الصين الشعبية ، كل من روسيا وكندا والإمارات العربية المتحدة والهند والولايات المتحدة الأمريكية وأستراليا والنرويج والبرازيل والبحرين.
في روسيا ، محتكر في إنتاج الألومينا والألومنيوم هي شركة موحدة روسال. وتنتج ما يصل إلى 4 ملايين طن من الألمنيوم سنوياً وتصدر منتجاتها إلى سبعين دولة ، وهي موجودة في خمس قارات في سبعة عشر بلداً.
تمتلك شركة Alcoa الأمريكية في روسيا مصنعين للمعادن.
أكبر منتج للألمنيوم في الصين هو تشالكو. على عكس المنافسين الأجانب ، تتركز جميع أصولها في بلدها الأم.
تمتلك شركة Hydro Aluminium التابعة للشركة النرويجية Norsk Hydro مصانع الألومنيوم في النرويج وألمانيا وسلوفاكيا وكندا وأستراليا.
تمتلك شركة BHP Billiton الأسترالية إنتاج الألومنيوم في أستراليا وجنوب إفريقيا وأمريكا الجنوبية.
البحرين هي ألبا (ألمنيوم البحرين B. S. C.) - ربما الإنتاج الأكثر على نطاق واسع. منتج للالومنيوم التي تأخذ أكثر من 2٪ من إجمالي حجم المعدن "مجنح" المنتجة في العالم.
لذلك ، تلخيص ، يمكننا القول أن الرئيسيمنتجي الألومنيوم هي شركات عالمية تمتلك احتياطيات البوكسايت. وتتكون عملية مستهلكة للطاقة الوحيدة للحصول على الألومينا من الفلوريدات إنتاج الألمنيوم الخام، والتي تشمل الكريوليت، معجون أنود الكربون وأنود الكربون، الكاثود، مواد التبطين، والإنتاج الكهربائي السليم من المعدن النقي الذي هو العنصر الرئيسي من الألومنيوم والصلب.
