صنعت آلومینیوم

عملیات های صنعتی کنونی و استفاده از دیرگدازها

در آمریکا، تولید آلومینیوم یک صنعت انرژی بر است و حدود 0.4 کواد انرژی الکتریسیته را در سال مصرف می کند. علاوه بر این، این صنعت با فشارهای رقابتی قابل توجهی از سمت صنعت فولاد روبروست. در واقع این نوع از فشارهای اقتصادی شامل رقابت جهانی، مسائل مرتبط با مصرف انرژی و مسائل مربوط به کاهش آلودگی ها می باشد. بنابراین، یک نقشه ی راه باید برای آدرس دهی این موضوعات ایجاد شود و هدف آن بررسی و آدرس دهی موضوعاتی مانند مصرف انرژی، بهره وری، انتشار گازهای آلاینده، بازیافت، کیفیت و تکنولوژی های جایگزین و محصولات فرعی تولید می باشد. سیستم های اولیه ی مورد استفاده در تولید آلومینیوم دارای چندین طراحی هستند که این طراحی ها به سطح آمپراژ و تعداد آرایه های آندی وابسته می باشد. شدت جریان در سلول های کاهش در گستره ی 60000 تا 500000 آمپر است. هنوز هم قلب این حمام ها از جنس کاتد کربنی است و آندهای کربن مصرف می شوند تا بدین صورت سنگ معدن بوکسیت تغییر کند و سیستم های فلاکس قلیایی فلوریدی بتوانند موجب تولید آلومینیوم شوند. بسیاری از سیستم ها در تولید آلومینویم و آلیاژهای آن استفاده می شوند. تمام این سیستم ها، به انتخاب مناسب و مدیریت خوب وابسته می باشند تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که مقرون به صرفه هستند. این سیستم ها شامل بویلرهای بخار مورد استفاده در کارخانه ی تولید آلومینا با روش بایر، بخش های کلسیناسیون و کوره های پخت کربن می باشد. از کربن آماده شده برای تولید الکترودهایی استفاده می شود که در فرایند کاهش هال- هرول، مصرف می شوند. در سلول های کاهش الکترولیتی هال- هرول، دیرگدازهای کلیدی آنهایی هستند که برای ایجاد حمایت از قلب کاتد و به حداقل رساندن نفوذ اجزای حمام در کاتد کربنی و دیرگدازهای زیرین، استفاده می شود. کوره های ذوب برای تولید آلیاژها شامل کوره های بازتابشی با سوخت فصیلی و انواع مختلفی از طراحی های کوره های القایی می باشد.
دما و شیمی مواد خورنده و همچنین اتمسفر کوره، تعیین کننده ی آسترکاری مورد استفاده برای هر کدام از این فرایندهاست. دیرگدازهای مورد استفاده در برخی از صنایع، به صورت خلاصه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

محصولات آلومینیومی اولیه

تولید فلز آلومینیوم اولیه بر اساس سه مرحله اصلی انجام می شود. هیچ ذخایربا عیار بالایی در ایالات متحده ی آمریکا وجود ندارد بنابراین، کارخانه های دیرگداز نقش اندکی در این فرایند ایفا می کنند.
فرایند دوم شامل تبدیل بوکسیت به آلومینای گرید متالورژیکی می باشد. فرایند بایر بر اساس هضم بوکسید در محلول قلیایی حرارت داده شده با بخار آب فوق اشباع و تشکیل سدیم آلومینات می باشد. ناخالصی ها از محلول قلیایی تشکیل شده خارج می شود. این کار بواسطه ی واکنش های شیمیایی با گونه های حل شده، انجام می شود. سپس فیلتراسیون موجب خارج شدن ناخالصی های نامحلول از سیستم می شود. محلول اشباع سپس در تانک های رسوب دهی سرد می شود به نحوی که آلومینیوم تری هیدرات رسوب می کند و سپس بوسیله ی فیلتراسیون، جداسازی می گردد. آلومینیوم تری هیدرات سپس با کلسیناسیون به آلومینا تبدیل می شود. دو روش کلسیناسیون در صنعت استفاده می شود. یکی استفاده از ادوات کلسیناسیون بستر مایع و دیگری استفاده از کوره های چرخنده می باشد.
فرایند سوم، شامل تبدیل آلومینا به آلومینوم بوسیله ی کاهش الکترولیتی در فرایند هال- هرول است. در فرایند کاهش، آلومینا در حمام مذاب حل می شود (این حمام حاوی کریولیت به همراه آلومینیوم فلئورید، کلسین فلئورید و برخی اقاوت لیتیم فلئورید و منیزیم فلئورید می باشد). سلول مورد استفاده برای فرایند از سیستم تهویه از کف (containment system) استفاده می کنند که شامل یک پوسته ی فولادی است که با استفاده از دیرگدازهای ریخته گری شده، یک دیرگداز عایق متخلخل و یک دیرگداز شبه عایق با میزان تخلخل کمتر و در نهایت آجرهای نسوز، عایق کاری شده اند. یک کاتد کربنی به عنوان کف سلول عمل می کند و موجب ذوب شدن مواد آلومینیوم دار می شود. دیرگدازهای مورد استفاده برای دیواره ها، عموماً از جنس آجرهای آلومینایی و یا مواد دیرگداز آلومینای با قابلیت ریخته گری می باشد. به دلیل اینکه اطراف سلول دارای عایق کاری کمتری است، حرارت بیشتری از آنها تلف می شود. دمای پایین تر دیواره در واقع سودمند است و موجب می شود تا الکترولیت های در تماس با دیواره، حالت جامد به خود گرفته و موجب تشکیل لبه های انجماد یافته ای شود که از دیواره در برابر نفوذ کریولیت مذاب، محافظت می کند. این کار در عمل موفق است اما یک سبک سنگین میان بازده انرژی و پایداری سلول الکترولیت و عمر مفید می تواند منجر به نتیجه گیری در مورد مواد مورد استفاده شود.
سلول های کاهش از انواع مختلفی از مواد دیرگداز استفاده می کنند. این دیرگدازها باید در برابر شرایط کاری سخت، مقاوم باشند. همچنین این دیرگدازها باید اجازه دهند تا اجزای حمام به راحتی در کنار کاتد کربنی و دیرگدازها، حرکت کنند. این سیستم امروزه شامل آجرهای گل آتش خوار، دیرگدازهای ریختنی، دیرگدازهای نیمه عایق و آجرهای عایق می باشد. سیستم های اولیه ی مورد استفاده در تولید آلومینیوم دارای چندین طراحی هستند که این طراحی ها به سطح آمپراژ و تعداد آرایه های آندی وابسته می باشد. شدت جریان در سلول های کاهش در گستره ی 60000 تا 500000 آمپر است. هنوز هم قلب این حمام ها از جنس کاتد کربنی است و آندهای کربن مصرف می شوند تا بدین صورت سنگ معدن بوکسیت تغییر کند و سیستم های فلاکس قلیایی فلوریدی بتوانند موجب تولید آلومینیوم شوند. به طور نمونه وار فرایند کاهش در دماهایی در گستره ی 960 تا 970 درجه ی سانتیگراد انجام می شود. دیرگدازها در واقع اجزای کلیدی در سلول های کاهش می باشند. اتمسفر داخل حفرات سلول کاهش نیز بسیار فعال می باشد و حاوی گازهای دی اکسید کربن، مونوکسید کربن، HF و دی اکسید گوگرد به همراه ذرات نمک فلوریدی می باشد.
در تمام موارد، این به نظر می رسد که تشکیل یک ترکیب فلدسپاری در سطح مشترک میان کاتد و موانع به طور قابل توجهی مهم می باشد اما سایر گونه های حمام نیز در حقیقت در داخل موانع نفوذ کرده و منجر به کوتاه شدن عمر سلول می شوند. علاوه بر این، حرکت رو به پایین مواد قلیایی و اجزای حمام در میان قلب حمام و به سمت عایق های زیرین، منجر به شکست کوره می شود و حتی در برخی موارد، نتایج این موارد قابل پیش بینی نیست. به دلیل این مسئله، عمر کوره به طول قابل توجهی از صد تا هزاران روز، متغیر است.
Taberaux مکانیزم های شکست مربوط به سلول های کاهش آلومینیوم را مورد بررسی قرار داده است. در واقع آجرهای گل آتشخوار در یکی از موارد گزارش شده، توانستند 3000 روز دوام داشته باشند. این نشاندهنده ی این است که این ماده به خودی خود، می تواند تمام چالش ها را پشت سر بگذارد. در واقع برای انتخاب و کنترل این ماده، تمام فاکتورها بهینه سازی شده است. مواد با قابلیت ریخته گری، دارای محدودیت هایی در سیستم های ریخته گری شده در محل، هستند. هم اکنون استفاده از سیستم های مونولیتیکی پیش ریخته گری شده، متداول تر است. این سیستم ها موفقیت بیشتری دارند. دو نوع از دیرگدازهای با قابلیت ایجاد مانع خشک، مورد استفاده قرار می گیرند. مزیت آنها در حقیقت نصب سریع و عدم نیاز به ایجاد اتصال می باشد. این مواد در یک سمت حاوی مواد آلومینوسیلیکاتی هستند و در سمت دیگر، حاوی فلدسپارهای آنورتیتی می باشند و از این رو، با واکنش درجا، اتصال خود را تقویت می کنند.

کوره های پخت آند کربنی

این کوره از لحاظ تاریخی با استفاده از آجرهای آلومینوسیلیکاتی تولید می شوند. این آجرها دارای دیرگدازی مناسبی می باشند و از این رو، تلاش هایی به منظور جایگزینی آنها با انواع تقویت شده با آلومینا، انجام شده است. چالش مربوط به این آجرها، این است که در زمان پخته شدن آنها و در حضور مواد اولیه ی تولید الکترود، مواد قلیایی تشکیل می شود. اخیراً گل آتشخوار با مقادیر بسیار اندک مواد قلیایی برای تولد آجرهایی استفاده شده است که موجب کاهش در مشکلات مربوط به دیواره های کوره شده اند. در واقع این مسئله دلیل اصلی این موضوع است که چرا این دیرگدازها جایگزین شده اند. به دلیل اینکه یک تعداد قابل توجه از این آجرها در کوره های پخت کربن استفاده می شوند، تلاش ها برای بازیافت آنها انجام شده است اما تلاش های قبلی نتوانسته است به طور موفقیت آمیز به فرمولاسیون یک پروتکل مؤثر برسد.
Schubert اخیرا موضوعات اساسی مربوط به دیواره ی دودکش و نقاطی را آدرس دهی کرده است که پس از خرابی کوره، به عنوان نقاط ضعیف، طبقه بندی شده اند. در واقع در این بخش ها، عایق کاری خوب ممکن است موجب تقویت شود. چالش های بسیاری در مورد دیواره های دودکش مطرح می شود: 1) نفوذ مواد قلیایی و حمله از حمام به سمت این بخش ها و از طریق بخش آندی، 2) نمک های فلئوریدی از سمت حمام به سمت این بخش ها می روند. 3) انحنا پیدا کردن به دلیل دمای بالا و اعمال بار، 4) تخریب مکانیکی به دلیل ضربه ی آند و یا جرثقیل در طی بارگیری و یا خروج بار. 5) شوک حرارتی مخصوصاً در طی سیکل سرد کردن. 6) جزئیات ساختاری که موجب بروز سایش می شود. 7) مشکلات مختلف به دلیل عدم رعایت مقدار انبساط مجاز و 8) چسبیدن کک به دیرگدازها به دلیل وجود مواد قلیایی.  

تولید آلومینیوم ثانویه و شبه تولیدی

تولید ثانویه ی آلومینیوم شامل بازیافت غراضه های فلز آلومینیوم می باشد. این فرایند در کوره های مختلف انجام می شود. وقتی حجم بالایی از آلیاژ مورد نیاز باشد، کوره های بازتابشی به صورت سنتی برای این کار استفاده می شوند. این کوره ها به صورت مداوم کار می کنند. مواد دیرگداز مونولیتیکی جایگزین آجرهای نسوز مورد استفاده در این بخش ها شده اند. محصولات مونولیتیک به صورت آجرهای بزرگ ریخته گری شده، در واقع توجه قابل توجهی را به خود اختصاص داده است. یک مقاله که اخیراً بوسیله ی Canon منتشر شده است، بیان می کند که مزیت واقعی اجزای کوره ی پیش ریخته گری شده، صرفه جویی در وقت و افزایش طول عمر می باشد.
مشابه دیرگدازهای مورد استفاده در کف کوره های مورد استفاده در پخت کوزه، این کوره ها نیز باید دارای یک ناحیه ی سرد باشند. این کار با انتخاب دیرگدازهای مناسب و استفاده از ضخامت های مناسب، انجام می شود. این همچنین ضروری است که نفوذ آلیاژ آلومینیوم در داخل دیرگداز را محدود کرد که در حقیقت این کار با استفاده از افزودنی ها انجام می شود. از آنجایی که این ممکن نیست که از واکنش دادن اکسیژن با فلز آلومینیوم جلوگیری کرد، یک بخش به نام bellyband در تمام انواع کوره های ذوب کن، توسعه یافته است. به دلیل نوسان در سطح فلز مذاب در برخی کوره ها، این bellyband می تواند کاملا گسترده باشد. در مورد کوره های بازتابشی بزرگ، انتقال bellyband گاهی اوقات با ربات های بزرگ، انجام می شود. در برخی موارد، کوره خاموش می شود و سپس این بخش جداسازی می گردد. در ناحیه ی قلب کوره، آستر عایق کاریی از جنس سیلیکون کاربید با پیوند سیلیکون نیترید می باشد.
بعد از ذوب شدن، مذاب آلومینیوم از میان دیرگدازها ایجاد می شود و وارد بخش های فرآوری مختلف می شود. این بخش ها با استفاده از سرامیک های اکسیدی مانند سیلیکای فیوزد یا مولایت با تخلخل 10 تا 15 % به همراه افزودنی، آسترکاری می شوند تا در برابر ترشوندگی مقاوم باشند. این مواد به صورت صفحه و یا جرم های ریختنی مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از سرامیک های غیر اکسیدی در این بخشها، به دلیل هزینه های بالاتر، مقرون به صرفه نیست.
ساختار Bellyband یک موضوع قابل توجه در کوره های ذوب می باشد. Quesnel و همکارانش مشکلات مربوط به کوره ها و ذوب کن های آلومینیوم را مورد بررسی قرار دادند. در واقع یک فقدان آگاهی در مورد مکانیزم هایی وجود دارد که موجب تشکیل Bellyband می شود. دو نوع از آزمون ها به طور نمونه وار برای مطالعه ی دیرگدازهایی که در بخش های تشکیل Bellyband قرار می گیرند، انجام می شود. یکی از این آزمون ها، آزمون خوردگی و دیگری، آزمون غوطه وری می باشد. استفاده ی طولانی مدت از این آزمون ها پاسخ های غیر واقعی در مورد مکانیزم های اتصال ارائه کرده است و این نیاز است که روش های جدید برای حل این مسئله، مطرح شوند.

موانع

دیرگدازها نقش مهمی در بیشتر عملیات های تولید آلومینیوم اولیه و ثانویه، ایفا می کنند. این تخمین زده شده است که حدود 90 % از استفاده مستقیم انرژی در این صنعت، در فرایندهایی است که تحت تأثیر دیرگدازها می باشد. بهبودهای پیشنهاد شده برای دیرگدازها، عبارتند از: استفاده از استفاده از بخش های پالایش، کاهش، پخت آند کربنی و عملیات های ذوب شدن، می باشد. بر اساس آنالیزهای بعدی انجام شده بر روی کوره های نمونه وار و عملیات های واحد، بهبود سیستم های دیرگداز برای صنعت آلومینیوم می تواند منجر به صرفه جویی در انرژی تا به میزان 29.2 TBtu در سال شود. موانع موجود عبارتند از:

• تصفیه ی آلومینیوم

عدم دسترسی به دیرگدازهای بهبود یافته برای استفاده در بخش تولید بخار فوق اشباع و عملیات های کلسیناسیون مخصوصاً کوره های چرخنده ی آلومینا و آهک. استفاده از این دیرگدازها موجب بهبود بازده انرژی برای عملیات های تصفیه می شود.

• کاهش آلومینیوم

فقدان آگاهی در مورد دغدغه هایی که مرتبط با مکانیزم ها و سناریوهای تخریبی هستند که منجر به شکست و یا کاهش در دیرگدازهای سلول می گردد. علاوه بر این، فقدان آسترکاری ها و دیرگدازهای بهبود یافته با مقاومت بالاتر نسبت به نفوذ مواد موجود در حمام نیز مشهود است و بهبود این مسئله مطمئناً منجر به افزایش طول عمر سلول های کاهش می شود.

• کوره های پخت آند کربنی

عدم دسترسی به شکل های عایق کاری مستحکم برای اجزای کوره های پخت کربن.

• کوره های ذوب آلومینیوم

فقدان آگاهی در مورد مکانیزم های تشکیل bellyband. این مسئله بواسطه ی عدم کارایی آزمون های کنونی پیچیده تر می شود. و بدین صورت، هنوز مکانیزم اتصال این بخش ها، تشخیص داده نشده است.
روش های تحقیق و توسعه

• تصفیه

o توسعه ی دیرگدازها و سیستم های عایق کاری بهبود یافته برای ژنراتورهای بخار دما بالا.
o بهبود مواد دیرگداز برای عملیات های کلسیناسیون مخصوصاً کوره ی چرخنده.

• کاهش

o توسعه ی یک آگاهی کامل در مورد شکست دیرگدازهای سلول بواسطه ی مدل سازی واکنش های شیمیایی و فیزیکی و مکانیزم های انتقال. توسعه ی دانش و کنترل تمام جوانب مربوط به خواص فیزیکی و شیمیایی دیرگدازها و بهینه سازی روش های طراحی دیرگدازها برای کاهش میزان بار موجود در سلول و افزایش شدت جریان.
o توسعه ی یک طراحی مناسب دیرگداز در دیواره ها که اجازه تماس مستقیم با حمام کریولیت مذاب را مقدور سازد و لبه های دما پایین را به میزان قابل توجهی، کاهش دهد.
o توسعه ی دیرگدازهایی با تافنس بهبود یافته، مقاومت به ضربه و سایش مناسب برای ناحیه ی قلب سلول واکنش

• پخت کربن

o توسعه ی آگاهی در مورد روشی که اجزای عایق کاری به صورت فیزیکی و شیمیایی تحت تأثیر بارهایی قرار گرفته در کوره می شوند. انجام مطالعه هایی بر روی مکانیزم هایی کار می کنند که برای مهیا شدن پاسخ های این سوالات و سوالات مرتبط ضروری می باشند.
o توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته و طراحی مناسب کوره ها برای کاهش میزان مصرف انرژی در کوره های ذوب کربن از طریق مدل سازی فرایند و انتخاب دیرگدازهای با سطح گرم (نه تنها در دیواره های دودکش، بلکه در سایر اجزای کوره).

• کوره های ذوب

o توسعه ی شبیه سازی های دقیق تر در مورد فرایند ذوب
o توسعه ی یک روش که در حقیقت موجب توسعه ی گریدهای مونولیتیکی از آسترهای عایق می شود. این آسترها می تواند پیش ریخته گری شوند و یا به صورت درجا ریخته گری شده و دارای نواحی سطحی با دانسیته ی بیشتر می باشند و همچنین می توانند دارای افزودنی هایی باشند که نفوذ مذاب را متوقف می کنند. همچنین تعیین فاکتورهایی که بر روی نفوذ و اتصال مؤثر است مانند نفوذپذیری در ناحیه ی سطحی در فلزها.
o توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته برای ذوب آلومینیوم و عملیات های ریخته گری شامل دیرگدازهای پیشرفته برای کوره های ذوب بازتابشی و تیوب های بالابر دیرگدازهای پیش پخت شده برای ریخته گری قالب ها در فشار پایین. این روش ها در واقع اقتصادی هستند و موجب افزایش مقاومت به شوک حرارتی، افزایش عدم ترشوندگی مذاب بر روی دیرگداز و کاهش نفوذ گاز می شوند.
o توسعه ی اجزای با عمر مفید بالا برای تولید آلیاژهای آلومینیوم
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Refractories for industrial processing: opportunities for improved energy efficiency/ prepared by DOE- EERE industrial technologies program