알루미늄 제련

Aluminium smelting
Point Henry smelter in Australia
호주의 Alcoa World Alumina and Chemicals가 운영하는 Point Henry 제련소 개요
Straumsvik aluminum smelter in Iceland
아이슬란드의 리오 틴토 알칸이 운영하는 스트라움스비크 알루미늄 제련소.

알루미늄 제련은 산화물인 알루미나에서 알루미늄을 추출하는 과정으로, 일반적으로 Hall-Héroult 공정을 통해 이루어집니다.알루미나는 알루미나 정제소에서 바이엘 공정을 통해 광석 보크사이트에서 추출된다.

이것은 전해 과정이기 때문에 알루미늄 제련소는 엄청난 양의 전력을 사용합니다. 제련소는 비용을 절감하고 전체 탄소 배출량을 줄이기 위해 대형 발전소(종종 수력 발전소) 근처에 위치하는 경향이 있습니다.많은 제련소들이 수입 알루미나를 사용하기 때문에 제련소는 종종 항구 근처에 있습니다.

알루미늄 제련소 배치

Hall-Héroult 전기 분해 공정은 1차 알루미늄의 주요 생산 경로입니다.전해전지는 내화재의 절연 라이닝이 일련의 강철 쉘로 구성되어 있다.셀은 용기 및 지지대로 벽돌로 된 외부 강철 쉘로 구성됩니다.셸 내부에는 캐소드 블록이 페이스트에 의해 접합되어 있다.상부 라이닝은 용융된 금속과 접촉하여 음극 역할을 합니다.용융 전해질은 셀 내부에서 고온으로 유지됩니다.또한 미리 구워진 양극은 전해액에 매달린 큰 소결 블록의 형태로 탄소로 만들어집니다.양극으로서 단일 Soderberg 전극 또는 다수의 프리베이크 카본 블록을 사용하며, 그 표면에서 발생하는 주요 제제와 기본 반응은 동일하다.

알루미늄 제련소는 전기 분해가 이루어지는 셀(포트)의 수가 많습니다.일반적인 제련소는 300 - 720개의 항아리를 포함하고 있으며, 각 항아리는 하루에 약 1톤의 알루미늄을 생산하지만, 가장 큰 제련소는 그 용량의 최대 5배에 달합니다.제련은 배치 프로세스로 실행되며, 알루미늄 금속은 항아리 바닥에 퇴적되어 주기적으로 흡입됩니다.특히 호주에서는 이러한 제련소가 전기 네트워크 수요를 제어하기 위해 사용되며, 그 결과 전력은 매우 저렴한 가격에 제련소에 공급됩니다.그러나 액체 금속이 응고될 경우 상당한 비용을 들여 수리해야 하므로 4-5시간 이상 전원을 차단해서는 안 됩니다.

원칙

알루미늄은 녹은 빙정석에 용해된 산화 알루미늄의 전해 환원 작용을 통해 생산됩니다.

동시에 탄소 전극이 산화되어 처음에는 일산화탄소로 전환됩니다.

일산화탄소(CO)의 형성은 반응온도에서 열역학적으로 바람직하지만 상당한 과전압(가역전위와 편파전위의 차이)이 있으면 열역학적 평형이 변화하고 CO와2 CO의 혼합물이 생성된다.[1][2]따라서 이상화된 전체 반응은 다음과 같이 기록될 수 있다.

전류밀도를 1A/cm까지2 높임으로써 CO의 비중이 높아지고2 탄소소비가 [3][4]감소한다.

알루미늄 원자 1개당 3개의 전자가 필요하기 때문에 이 공정은 많은 양의 전기를 소비합니다.이러한 이유로 알루미늄 제련소는 수력 전기와 같은 저렴한 전기 공급원 근처에 위치하고 있습니다.

셀 성분

전해질:전해질은 동결석(NaAlF36)과 용해 알루미나의 용융욕입니다.크라이올라이트는 낮은 녹는점, 만족스러운 점도와 낮은 증기압을 가진 알루미나에게 좋은 용제입니다.또한 밀도가 액체 알루미늄(2 vs 2.3 g3/cm)보다 낮아 셀 하단에 있는 소금으로부터 제품을 자연스럽게 분리할 수 있습니다.순수 크라이올라이트의 크라이올라이트비(NaF3/AlF)는 3이며, 용해온도는 1010°C이며, 960°C에서 알루미나 11%로 공정물질을 형성한다.산업용 셀에서는 빙정석 비율을 2와 3 사이로 유지하여 용해 온도를 940–980°[5][6]C로 낮춥니다.

음극: 탄소 음극은 기본적으로 무연탄, 흑연 및 석유 코크스로 만들어지며, 약 1200°C에서 소성되고 음극 제조에 사용하기 전에 분쇄 및 체에 걸러집니다.골재는 콜타르 피치와 혼합되어 형성 및 소성됩니다.음극에 의한 금속 오염이 크지 않기 때문에 탄소 순도는 양극만큼 엄격하지 않습니다.탄소 음극은 적절한 강도, 양호한 전기 전도성 및 높은 마모 저항 및 나트륨 침투성을 가져야 합니다.무연탄 캐소드는 그래파이트 및 흑연화석 코크스 캐소드보다 높은 내마모성과[7] 낮은 진폭[15]의 느린 크리프를 가진다.대신 흑연질 순서가 높은 고밀도 음극은 전기 전도율이 높고 에너지 소비량이 낮으며 [14] 나트륨 침투로 인한 [8]부기가 낮습니다.팽창하면 음극 블록의 품질이 조기에 균일하지 않게 저하됩니다.

양극: 카본 양극은 알루미늄 제련에서 특정한 상황이 발생하며, 양극의 유형에 따라 알루미늄 제련은 "소더버그"와 "사전 소성"이라는 두 가지 다른 기술로 나뉩니다.양극은 또한 콜타르 피치와 혼합된 석유 코크스로 만들어지며, 그 후 고온에서 형성 및 소성됩니다.양극의 품질은 알루미늄 생산의 기술적, 경제적 및 환경적 측면에 영향을 미칩니다.에너지 효율은 양극 재료의 특성과 구운 양극의 다공성과 관련이 있습니다.셀 전력의 약 10%가 사전 소성 양극의 전기 저항(50~60μΩm)[5]을 극복하기 위해 소비됩니다.낮은 전류 효율과 비전기 소비로 인해 탄소는 이론적인 값보다 더 많이 소비됩니다.원료와 생산 파라미터의 변동으로 인한 불균일한 양극 품질 또한 성능 및 셀 안정성에 영향을 미칩니다.

사전 소성된 소모성 탄소 양극은 흑연화 및 코크스 유형으로 구분됩니다.흑연화 양극의 제조를 위해 무연탄 및 석유코크스를 소성, 분류한다.그런 다음 콜타르 피치와 혼합하여 압착합니다.그런 다음 압착된 녹색 양극을 1200°C에서 구워 흑연화한다.코크스 양극은 소성된 석유 코크스, 재활용 양극 버트 및 콜타르 피치(바인더)로 만들어집니다.양극은 골재와 콜타르 피치를 혼합하여 반죽 같은 농도의 페이스트를 형성하여 제조됩니다.이 재료는 대부분 진동 압축되지만 일부 공장에서는 압착됩니다.녹색 양극은 1100~1200°C에서 흑연화 없이 300~400시간 동안 소결되어 바인더 분해 및 탄화를 통해 강도를 증가시킨다.베이킹 온도가 높을수록 기계적 특성과 열전도율이 증가하고 공기와 CO2 반응도가 [9]감소합니다.코크스형 양극의 비전기저항은 흑연화 양극보다 높지만 압축강도와 다공성이 [10]낮다.

1923년 노르웨이에서 처음 사용된 소더버그 전극(in-situ baking)은 강철 껍질과 전기분해 셀에서 방출되는 열에 의해 소성되는 탄소질 덩어리로 구성되어 있다.Soderberg 코크스 및 무연탄과 같은 탄소계 물질을 분쇄, 열처리 및 분류한다.이러한 골재는 바인더로서 피치 또는 오일과 혼합되어 연탄으로 처리되고 쉘에 적재됩니다.온도가 기둥의 맨 위까지 상승하고, 아노드가 욕조 안으로 내려감에 따라 현장 베이킹이 이루어집니다.베이킹 중에 상당한 양의 탄화수소가 방출되는데, 이는 이런 유형의 전극의 단점입니다.Soderberg 양극에 비해 공정 제어가 쉽고 에너지 효율이 약간 향상되었기 때문에 대부분의 현대 제련소는 미리 구운 양극을 사용합니다.

알루미늄 제련소 환경문제

이 공정에서는 과불화탄소 및 불화수소를 기체로, 나트륨 및 불화알루미늄과 미사용 빙정석 등의 불소 폐기물을 미립자로 생산합니다.이는 2007년 최고의 공장에서 알루미늄 톤당 0.5kg, 1974년 이전 설계에서는 알루미늄 톤당 4kg까지 작을 수 있습니다.신중하게 통제하지 않는 한, 불화수소는 식물 주변의 식물에 매우 독성이 강한 경향이 있다.과불화탄소 가스는 수명이 긴 강한 온실 가스이다.

양극이 소비될 때 무연탄/피치 혼합물을 굽는 Soderberg 공정은 제련소에서 피치가 소비될 때 다환 방향족 탄화수소를 상당히 많이 배출합니다.

포트의 라이닝은 시안화물 생성 물질로 오염됩니다. Alcoa는 사용이 끝난 라이닝을 재사용을 위해 불화알루미늄으로 변환하는 프로세스와 건축 용도로 사용할 수 있는 합성 모래 및 불활성 폐기물로 변환하는 프로세스를 가지고 있습니다.

알루미늄 [11]제련이 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 불활성 양극을 개발하기 위한 연구가 진행 중입니다.Alcoa와 Rio Tinto는 Alcoa가 [12]개발한 불활성 양극 기술을 상용화하기 위해 Elexi라는 합작회사를 설립했습니다.불활성 양극은 니켈 페라이트 [11]세라믹 매트릭스에 구리 합금의 금속 분산인 서멧 재료입니다.

에너지 사용

알루미늄 제련은 에너지 집약도가 높으며, 일부 국가에서는 저렴한 전기 [13][14]공급원이 있는 경우에만 경제적입니다.일부 국가에서는 제련소가 재생 에너지 [15][16]목표와 같은 에너지 정책에 대한 면제를 받고 있습니다.

알루미늄 제련소 예시

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ K. Grjotheim과 C.Krohn, 알루미늄 전기 분해:Hall-Heroult 프로세스의 화학성분:알루미늄-Verlag GmbH, 1977.
  2. ^ F. 하바시, 추출 야금 핸드북 vol.2: Wiley-VCH, 1997.
  3. ^ Kuang, Z.; Thonstad, J.; Rolseth, S.; Sørlie, M. (April 1996). "Effect of baking temperature and anode current density on anode carbon consumption". Metallurgical and Materials Transactions B. 27 (2): 177–183. doi:10.1007/BF02915043. S2CID 97620903.
  4. ^ Farr-Wharton, R.; Welch, B.J.; Hannah, R.C.; Dorin, R.; Gardner, H.J. (February 1980). "Chemical and electrochemical oxidation of heterogeneous carbon anodes". Electrochimica Acta. 25 (2): 217–221. doi:10.1016/0013-4686(80)80046-6.
  5. ^ a b F. Habashi, 알루미늄 핸드북의 "알루미늄 추출 야금":제2권: 합금 생산 및 재료 제조. 제2권, G.E. Totten 및 D.S. MacKenzie, Eds, 초판: Marcel Dekker, 2003, 페이지 1~45
  6. ^ P. A. 포스터, "계통 NaAlF-AlF-AlO의36323 일부 위상도", 미국도자기학회지 제58권, 페이지 288–291, 1975
  7. ^ Welch, B. J.; Hyland, M. M.; James, B. J. (February 2001). "Future materials requirements for the high-energy-intensity production of aluminum". JOM. 53 (2): 13–18. Bibcode:2001JOM....53b..13W. doi:10.1007/s11837-001-0114-8. S2CID 136787092.
  8. ^ Brisson, P.-Y.; Darmstadt, H.; Fafard, M.; Adnot, A.; Servant, G.; Soucy, G. (July 2006). "X-ray photoelectron spectroscopy study of sodium reactions in carbon cathode blocks of aluminium oxide reduction cells". Carbon. 44 (8): 1438–1447. doi:10.1016/j.carbon.2005.11.030.
  9. ^ 미국 덴버, 덴버, 1993년 TMS 연차총회에서 W. K. Fischer, et al., "제빵 매개변수와 그에 따른 양극 품질"
  10. ^ M. M. Gasik과 M. L. Gasik, 알루미늄 핸드북에서 "알루미늄의 용융":제2권: 합금 생산 및 재료 제조. 제2권, G.E. Totten 및 D.S. MacKenzie, Ed., Marcel Dekker, 2003, 47-79페이지
  11. ^ a b Sadoway, Donald (May 2001). "Inert Anodes for the Hall-Héroult Cell: The Ultimate Materials Challenge" (PDF). Retrieved 29 April 2022.
  12. ^ "Rio Tinto and Alcoa announce world's first carbon-free aluminum smelting process; Apple assist; Elysis JV to commercialize". Green Car Congress. Retrieved 2022-04-30.
  13. ^ "World Aluminium — Primary Aluminium Smelting Energy Intensity".
  14. ^ "Aluminium Fact Sheet". Geoscience Australia. Archived from the original on 2015-09-23. Retrieved 2015-09-02. A great amount of energy is consumed during the smelting process; from 14 – 16 MWh of electrical energy is needed to produce one tonne of aluminium from about two tonnes of alumina. The availability of cheap electricity is therefore essential for economic production.
  15. ^ "Energy efficiency best practice in the Australian aluminium industry" (PDF). Department of Industry, Science and Resources – Australian Government. July 2000. Archived from the original (PDF) on 2015-09-24. Retrieved 2015-09-02.
  16. ^ "Australian Aluminium Council – Submission to the Productivity Commission Inquiry into Energy Efficiency" (PDF).