آلومینیم: از تولید تا توسعه پایدار

[Peyman]

توجه : برداشت از مطالب این تاپیک تنها با ذکر منبع آن مجاز می باشد. ( [فقط کاربران عضو شده قادر به مشاهده لینک ها می باشند. برای ثبت نام کلیک کنید] )


سلام دوستان

در این تاپیک موضوعاتی از قبیل روش فراوری کانسنگ بوکسیت و تولید شمش آلومینیم، ذخایر و منابع بوکسیت در جهان، تولید و عرضه و تقاضای آلومینیم و همچنین برنامه های توسعه پایدار جهانی این صنعت مورد بررسی قرار می گیرد. مطالب ذکر شده در این تاپیک بخشی از سمینار ارشد اینجانب است. در صورت استفاده از مطالب جدیدتر، منبع آن نیز ذکر می شود.

همچنین از شما دعوت می کنم تا نظرات و دانش خودتان در این زمینه را با من و سایر دوستان به اشتراک بگذارید.


با تشکر

[Peyman]

مقدمه

آلومينيم و آلیاژهای آن‌ پس‌ از فولاد پرمصرف‎ترين‌ فلز جهان است و نقش‌ تعيين كننده‌اي در صنعت‌ معاصر دارند. حجم‌ توليد این فلز‌ بيشتر از همۀ فلزات ‌غيرآهني‌ بوده و مجموعۀ‌ خصوصیات آن، بسيار نادر و غيرقابل ‌جايگزيني‌ است‌. آلومينيم‌ با 7.3 درصد پس از اکسیژن با 49.2 درصد و سیلیسیم با 25.8 درصد، سومین عنصر متداول و رایج‎ترین فلز در پوستۀ زمین است که در اغلب‌ سنگ‎ها، گياهان‌ و حيوانات‌ وجود دارد.

آلومينيم‌ فلز جواني‌ است‌ و‌ در زمان کوتاهی، جایگاه مهمی در صنعت و فناوری پيدا كرده است. آلومینیم در سال 1845 میلادی به روش الکترولیز کلرید سدیم/کلرید آلومینیم مذاب، اولین بار توسط دویل (Devielle) در فرانسه و بونزن (Bunsen) در آلمان به صورت مستقل از یکدیگر، تولید شد. اما به علت‌ مشكلات‌ استخراج‌ اين‌ فلز از اكسيد آن، آلومينيم تنها از حدود صد سال‌ پیش به صورت تجاری در دسترس‌ قرار گرفت.

روش توليد آلومينيم‌ در حال‌ حاضر بر اساس فرايند الكتروليز مذاب است که دو دانشمند جوان به نام‏های هال در ایالات متحدۀ آمريكا و هرولت در فرانسه،‌ به صورت‌ جداگانه‌ و بدون‌ آگاهي‌ از كار يكديگر در سال‌ 1886 میلادی‌ اختراع‌ كردند و به فرايند هال/ هرولت (Hall-Heroult) معروف شد. در این روش با عبور جريان‌ الكتريكي‌ از داخل محلول الکترولیت حاوی اکسیدهای آلومینیم (آلومینا) و کریولیت، آلومینا به فلز مذاب‌ احیا و در کف سلول الکترولیز جمع می‎شود.

آلومينيم‌ مانند اغلب‌ فلزات‌ به‌ صورت‌ فلز آزاد در طبيعت‌ وجود ندارد‌ و تنها به‌ صورت‌ تركيبي‌ (كانسنگ‌ معدن‌) يافت می‎شود. آلومينيم با علامت شیمیایی Al و چگالی 2.7 گرم به ازای هر سانتیمتر مکعب، عنصري‌ سبك ،‌محكم‌، چكش‌خوار و هادي گرما و الكتريسيته است.

مهمترین کانۀ آلومينيم، بوکسيت، مخلوطي از Al2O3.H2O، Al2O3.3H2O، Fe2O3، SiO2 و TiO2 و مقداري CaO، MnO2، Cr2O3 و P2O3 است. بوکسیت باید حداقل 50 درصد Al2O3 داشته تا استخراج آن مقرون به صرفه باشد. مهم‏ترین کانه‎های آلومینیم و ترکیب شیمیایی برخی از بوکسیت‎ها، در جدول‎های زیر آمده است. سایر ناخالصی‎های همراه بوکسیت عبارت از 0.3 تا 1.5 درصد آهک، 0.1 تا 1 درصد فسفات‎ها و 0.01 تا 0.1 درصد اکسید وانادیم است.

[Peyman]

ذخایر بوکسیت در ایران و جهان

با وجود مطالعاتی که دربارۀ معادن بوکسیت ایران انجام شده، هنوز بهره‎برداری مناسبی از این معادن صورت نگرفته است. نتیجۀ مطالعات انجام شده حاکی از وجود معادن بوکسیت غنی از نوع بوهیمیت و دیاسپور با عیار 85 درصد آلومینا در کشور است. معادن کانسنگ بوکسیت در ایران، نوع کانی، عیار آلومینا و ذخیرۀ آن در جدول اول آورده شده است. گرچه تولید آلومینا در معدن جاجرم با ظرفیت کمی در حال انجام است، اما قسمت عمدۀ آلومینای مورد نیاز دو کارخانۀ تولید آلومینیم اولیه در ایران، یعنی آلومینیم ایران در اراک (ایرالکو) و آلومینیم المهدی در بندرعباس، از خارج وارد شده و ارز قابل توجهی نیز به همین سبب از کشور خارج می‎شود. معدن بوکسیت جاجرم بزرگترین معدن بوکسیت ایران از نوع دیاسپور و کائولینیت بوده و ذخیرۀ آن حدود 20 میلیون تن است. آنالیز شیمیایی یک نوع بوکسیت معدن جاجرم، در جدول دوم نشان داده شده است.

ذخایر بوکسیت جهان 55 تا 75 میلیارد تن برآورد می‎شود که از میان 33 درصد در آفریقا، 24 درصد در اقیانوسیه، 22 درصد در آمریکای جنوبی و دریای کاراییب، 15 درصد در آسیا و 6 درصد در سایر نقاط جهان قرار دارند. عمده‎ترین کشورهای صاحب ذخایر و تولید کنندۀ کانسنگ بوکسیت در جدول سوم آورده شده‎اند.

[Peyman]

تولید، عرضه و تقاضای آلومینا در ایران و جهان

کارخانۀ تولید آلومینای جاجرم در شمال غربی استان خراسان واقع و در حال حاضر تنها کارخانۀ تولید آلومینا در کشور است. این کارخانه پس از انجام مطالعات مقدماتی، در سال 1370 شمسی وارد مرحلۀ اجرایی شد. در این کارخانه با توجه به نوع بوکسیت استخراج شده در ایران، از روش بایر برای تولید آلومینا استفاده می‏شود. این کارخانه در سال 1370 شمسی با ظرفیت 280 هزار تن آلومینا، احداث و در سال 1380 شمسی با یک سوم ظرفیت، تولید خود را آغاز کرد. عملکرد کارخانۀ تولید آلومینای جاجرم و مقدار واردات آلومینا به ایران، در فاصلۀ سال‎های 1381 تا 1387 شمسی در جدول زیر آمده است. برای تولید هر تن شمش آلومینیم اولیه به طور تقریبی 2 تن آلومینا مورد نیاز است. بنابراین با توجه به تولید داخلی آلومینا و ظرفیت تولید شمش آلومینیم در کشور، می‎توان کمیت واردات آلومینا را تخمین زد.

عمده‎ترین کشورهای صادر کنندۀ آلومینا به ایران، استرالیا و برزیل هستند. قیمت هر تن آلومینای وارداتی در سال 1387 به همراه هزینۀ حمل و نقل آن به 500 دلار به ازای هر تن رسید. این در حالی است که هزینۀ تمام شده برای هر تن آلومینای تولید داخل، 450 تا 470 دلار است. بنابراین افزایش تولید آلومینا، علاوه بر کاهش وابستگی صنایع آلومینیم ایران به خارج، مزایای اقتصادی قابل توجهی نیز در پی دارد. عمده‎ترین کشورهای تولید کنندۀ آلومینا در جدول زیر آمده است.

[Peyman]

تولید، عرضه و تقاضای آلومینیم در ایران و جهان

صنعت تولید آلومينيم‌ در ايران‌ در سال‌ 1351 شمسی، با راه‌اندازي‌ اولين‌ واحد ذوب‌ آلومينيم‌ در اراك‌ با ظرفيت‌ اسمي‌ 45 هزار تن‌، فعاليت‌ خود را آغاز کرد. در حال حاضر مهم‎ترین کارخانه‌های تولید آلومینیم در ایران، شرکت آلومینیم ایران (ایرالکو) و مجتمع آلومینیم المهدی (عج) هستند. تولید، واردات و صادرات آلومینیم در ایران در فاصلۀ سال‎هاي ‌1381 تا 1387 شمسی در جدول‌ زیر آمده است

آلومينيم‌ در بيش‌ از 40 كشور دنيا توليد مي‌شود. بیش از 50 درصد توليد جهاني‌ آلومینیم متعلق به كشورهاي ‌چین، ایالات متحدۀ آمريكا، استرالیا، كانادا و کشورهای تازه استقلال یافته به همراه روسیه‌ است. عمده‎ترین کشورهای تولید کنندۀ آلومینیم در جدول زیر آمده است

در پست های بعد به فرایندهای فراوری بوکسیت، بایر و الکترولیز آلومینیم پرداخته می شود.

[Peyman]

فرایندهای تولید آلومینیم

فلز آلومینیم به روش‎های آلومینیم اولیه و آلومینیم ثانویه تولید می‎شود. در صنایع تولید آلومینیم اولیه، کانسنگ بوکسیت پس از فراوری به آلومینا تبدیل، سپس آلومینا، الکترولیز و در مرحلۀ پایانی آلومینیم مذاب ریخته‎گری می‎شود. در روش آلومینیم ثانویه، قراضه‎های آلومینیم مانند قوطی‎های کنسرو، قطعات و بدنۀ اتومبیل، ضایعات آلومینیم‎دار، پس از آماده‎سازی و تمیزکاری، ذوب، پالایش و پس از ریخته‎گری به شمش آلومینیم تبدیل می‎شوند.

تولید آلومینیم ثانویه طی دهۀ 1980 میلادی به نسبت ثابت بود. رشد تقاضای صنعت اتومبیل سازی در جهان برای مصرف آلومینیم در پایان دهۀ 80 میلادی، که ناشی از افزایش میانگین مصرف قطعات آلومینیمی به 78.5 کیلوگرم در هر اتومبیل بود، سبب افزایش تولید آلومینیم ثانویه به بیش از 2 برابر شد. در فاصلۀ سال‎های 1986 تا 1989 میلادی، بازیابی آلومینیم از قوطی‎های کنسرو، با افزایش 26 درصدی به 1.3 تا 1.4 میلیون تن رسید. در سال 1989 میلادی، سهم آلومینیم ثانویه از تولید شمش آلومینیم در جهان بیش از 27.5 درصد بود و این مقدار در سال 2005 میلادی به بیش از 50 درصد رسید.


فرایند تولید آلومینیم اولیه

آلومينيم‌ اوليه‌ طی يك‌ فرايند دو مرحله‌اي‌ تولید می‎شود. در مرحلۀ اول آلومينا از كاني‌ بوكسيت‌ به روش باير استخراج‌ مي‌شود. فرایند بایر در سال 1888 میلادی توسط یک دانشمند آلمانی کشف شد و از آن زمان تا کنون متداول‎ترین روش تولید اکسید آلومینیم (Al2O3) محسوب می‎شود. فرایند بایر با انحلال بوکسیت در هیدروکسید سدیم آغاز می‏شود. محصول این فرایند آلومینات سدیم و سپس هیدروکسید آلومینیم است. در پایان با کلسینه سازی هیدروکسید آلومینیم، اکسید آلومینیم به دست می‎آید. مراحل فرایند تولید آلومینا از بوکسیت به روش بایر، در شکل زیر نشان داده شده است.

در مرحله‌ دوم‌، اكسيد آلومينيم‌ (آلومینا) به روش هال/ هرولت به آلومینیم خالص مذاب احیا می‎شود. مواد اوليۀ مصرفي در روش ‌هال/ هرولت برای تولید آلومینیم به روش الکترولیز، آلومينا و کريوليت (Na3AlF6)، هستند. کریولیت دمای ذوب آلومینا را کاهش می‌دهد. دمای ذوب آلومینا، 2046 درجۀ سانتیگراد و دمای ذوب کریولیت، 1000 درجۀ سانتیگراد و دمای ذوب مخلوط این دو، 960 تا 970 درجۀ سانتیگراد است. آند و کاتد مصرفی در سلول الکترولیز از جنس گرافیت‎اند، که از مخلوط کک نفتی و قیر، ساخته می‏شوند. در این فرایند، آلومينيم در کاتد رسوب کرده و به علت آزاد شدن اکسیژن در آند، کربن الکترودها مي‌سوزد.

روش الکترولیز هال/ هرولت برای تولید آلومینیم مذاب، بر اساس نوع آند مصرفی و نوع تغذیۀ آلومینا به چهار دسته تقسیم می‎شود. سهم بهره‎برداری از این چهار روش در جدول زیر آورده شده است.

فناوری الکترولیز با آندهای سودربرگ (افقی و عمودی) بر اساس آندهای پیوسته بوده که در آن خمیر آند پس از انتقال به سلول الکترولیز، بر اثر عبور جریان الکتریکی، گرم و پخت می‎شود. در فناوری الکترولیز با آندهای پیش پخت (تغذیۀ مرکزی و جانبی)، ابتدا آندها در کارگاه آندسازی تولید و پس از میله‎گذاری به کارگاه احیا و سلول الکترولیز منتقل می‎شوند. استفاده از آندهای پیش پخت نسبت به آندهای سودربرگ اقتصادی‎تر بوده، و در 10 سال گذشته تنها یک کارخانه با فناوری سودربرگ ساخته شده و بقیه بر اساس روش پیش پخت توسعه یافته‎اند. طرح کلی یک سلول الکترولیز با آندهای پیش پخت در شکل زیر نشان داده شده است.

پست بعد : فرایند تولید آلومينيم‌ ثانويه ....

[Peyman]

فرایند تولید آلومينيم‌ ثانويه

‌فرایند تولید آلومینیم ثانویه در مجموع شامل آماده‎ سازی قراضه، ذوب و پالایش است. آماده سازی شامل دسته‎بندی، شست و شو و تمیزکاری قراضه‎ها است. فرایند ذوب و پالایش نیز شامل ذوب، آلیاژسازی و خالص سازی آلومینیم بازیابی شده است. در توليد آلومينيم ‌ثانويه، قراضه‎ها‌ اغلب در داخل‌ كوره‌ هاي‌ ارتعاشي ‌ گازسوز يا روغن‌سوز با ظرفيت ‌30 تا 100 هزار پوند ذوب‌ مي‌شوند‌


آماده‎سازی قراضه آلومینیم

منابع تامین قراضه ‎های آلومینیم بسیار متنوع‎ اند. قراضه‎ها به دو دسته تقسیم می‎شود:

1) قراضه‎های نو مانند براده‎های ماشین کاری، دریل کاری و سوراخ کاری شمش‎های آلومینیمی که توسط کارخانه‎های سازنده و شکل دهندۀ قطعات آلومینیمی تولید شده، ضایعات حامل آلومینیم مانند لجن، پسماند و سربارۀ مذاب و ضایعات تولید شمش در کارگاه‎های ذوب و ریخته‎گری؛

2) قراضه‎های کهنه شامل محصولات مستهلک شده یا اسقاطی مانند بدنه و اجزای موتور اتومبیل و هواپیما، فویل‎های آلومینیمی، قوطی کنسرو. مرحلۀ آماده‎سازی قراضه‎های آلومینیمی شامل دسته‎بندی و شست و شوی قراضه‎ها برای حذف آلودگی‎هایی مانند روغن، پلاستیک و رنگ و آماده‎سازی مواد برای مرحله ذوب و پالایش است. مراحل آماده‎سازی قراضه‎های آلومینیمی در شکل زیر نشان داده شده است.

فرایند تمیزکاری قراضه به شکل مکانیکی، پیرومتالورژیکی و هیدرومتالورژیکی انجام می‎شود. در تمیزکاری مکانیکی ابتدا با استفاده از سنگ شکن‎ های چکشی، گلوله‎ ای و میله‎ ای، یا سایر عملیات‎ های مکانیکی خرد کردن، قراضه‎ های حامل آلومینیم به قطعات ریز تبدیل و سپس سرند می‎شوند تا محصولی با 60 تا 70 درصد آلومینیم به دست آید. از سنگ شکن‎ ها به ویژه برای کاهش اندازه اکسیدها و ذرات غیرفلزی به ذرات ریز و پودری شکل استفاده می ‎کنند تا در حین غربال به راحتی جدا شوند. در این مرحله برای افزایش بازده جداسازی، از جداکننده‎ های مغناطیسی برای تفکیک قطعات آهنی استفاده می‎شود

در روش تمیزکاری پیرو متالورژیکی که در صنعت به روش خشک موسوم است، از حرارت برای جداسازی آلومینیم از مواد همراه و سایر فلزات استفاده می‎شود. روش پیرومتالورژیکی شامل دو مرحلۀ تشویه و تعریق است. در مرحلۀ تشویه، قراضه آلومینیم در کورۀ خشک کن تا دمایی کمتر از دمای ذوب آلومینیم، (660 درجۀ سانتیگراد) حرارت داده شده تا ترکیبات آلی آن تبخیر شوند. فرایند تعریق نیز شامل گرمایش قراضۀ محتوی فلزات همراه در کورۀ Sweat تا بالاتر از دمای ذوب آلومینیم و زیر دمای ذوب فلزات همراه آن نظیر آهن است. چنین شرایطی سبب می‎شود تا آلومینیم و سایر عناصر همراه آن که دمای ذوب پایین دارند ذوب شده و به داخل بوته سرازیر شوند. مذاب به دست آمده Sweated Pig نامیده می‎ شود. از طرفی مواد دیگر مانند آهن و برنج که نقطه ذوب بیشتری دارند، پس از جداسازی به طور مرتب از کوره تخلیه می‎ شوند. برای افزایش بهره‎وری در پالایش آلومینیم، تفاله و پسماندهای هر دو فرایند تشویه و تعریق، دوباره بازیابی می‎ شوند.

در روش تمیزکاری هیدرومتالورژیکی از آب برای تمیز کردن قراضه آلومینیم استفاده می‎شود. مراحل روش هیدرومتالورژی شامل شست و شو و جداسازی فلزات سنگین است. در ابتدا قراضۀ آلومینیم وارد یک آسیای استوانه‎ای شکل شده تا آلودگی‏ های آن با آب شسته و حذف شود. سپس قراضۀ آلومینیم را غربال کرده تا مواد ریز و نمک‎های حل نشده در آب از آن حذف شوند. سپس مواد غربال شده را خشک کرده و مواد آهنی همراه آن توسط یک جدا کنندۀ مغناطیسی حذف می‎ شوند. در مرحلۀ بعد، فلزات سنگین همراه قراضه مانند مس و آهن که چگالی بیشتر از آلومینیم دارند، از آن جدا می ‎شوند.


ادامه دارد ....

[Peyman]

مرحلۀ ذوب و پالایش

پس از آماده‏ سازی قراضه، عملیات ذوب و پالایش آن در کوره ارتعاشی انجام می ‎شود. این کوره ‎ها با آستر نسوز پوشیده شده و سقفی خمیده و منحنی شکل دارد تا حرارت خارج شده از مذاب پس از برخورد به آن، دوباره به داخل مذاب بر گردانده شود. بیشتر تجهیزات بازیابی و ذوب قراضۀ آلومینیم مربوط به بخش ذوب و پالایش ‎اند. ذوب و پالایش شامل مراحل بارکردن قراضه، تزریق کمک ذوب، ذوب بار، منیزیم زدایی، گاز زدایی، آلیاژسازی، سرباره‎ گیری و خالص‏ سازی است. برخی از روش‎ های ذوب و پالایش در شکل زیر نشان داده شده است.

بار کوره حامل قراضۀ پیشگرم شده است. پس از تخلیه مذاب آلومینیم، مقداری مذاب داخل کوره باقی می‎ ماند که به آن ته مانده بار می ‎گویند. قراضه در ته ماندۀ بار کوره بار می ‏شود. مواد کمک ذوب که همراه با بار وارد کوره می‎ شوند، در ترکیب با ناخالصی‎ های قراضه، آنها را بر سطح مذاب غوطه ‎ور می‎ کنند. اصلي ‎ترین مرحلۀ ذوب مجدد‌ قراضه‎ های‌ آلومينيمي، حذف‌ منيزيم‌ به وسیلۀ‌ کلر يا ترکیبات آن مانند كلريد آلومينيم‌، فلوريد آلومينيم‌ يا مخلوطي‌ از كلريدها و فلوريدهاي‌ سديم‌ و پتاسيم‌ است. در این مرحله، درصد منیزیم بار از 0.5 به 0.1 درصد کاهش پیدا می‎ کند. در مرحلۀ گاززدایی، گاز با فشار زیاد به سطح مذاب دمیده می‎ شود تا آن را متلاطم کند. این آشفتگی باعث می‎ شود تا گازهای محبوس شده در مذاب به سطح آمده و توسط کمک ذوب‎ های شناور در سطح مذاب جذب شوند. در برخی از واحدها، گاز زدایی و منیزیم زدایی به صورت همزمان انجام می ‎شود.

عملیات آلیاژسازی آلومینیم برای افزایش استحکام و انعطاف پذیری آن انجام می‎ شود. برای آلیاژسازی از فلزاتی مانند روی، مس، منگنز، منیزیم و سیلسیم استفاده می‎ کنند. در مرحلۀ سرباره‎ گیری، آلودگی‎ ها و کمک ذوب‎‎ های نیمه جامد معلق بر روی سطح مذاب به صورت فیزیکی حذف می ‎شوند.