آلومینیوم در زمینه های مختلفی همچون صنعت، ساخت و ساز و... به عنوان یکی از مهم ترین و پرکاربرد ترین فلز ها محسوب می شود. این نوع فلز ها در بین عموم محبوبیت و طرفداران زیادی دارد و این به دلیل قابلیت و ویژگی های منحصر به فرد آن است.
تولید فلز اولیه و یا ثانویه (بازیافتی) در صنعت آلومینیوم دو حالتی هستند که برای روش تولید آلومینیوم یا چرخه عمر محصولات نیمه ساخته آلومینیومی تعریف شده اند. فلز اولیه به فلزی گفته می شود که به طور مستقیم از راه استخراج معادن به دست می آید و فلز ثانویه یا بازیافتی به فلزی گفته می شود که از بازیافت کردن قراضه ها حاصل می شود.
قرار است در این مقاله به بررسی مراحل تولید آلومینیوم بپردازیم اما قبل از تاریخچه مختصری از آن بیان خواهیم کرد:
تاریخچه آلومینیوم
تولید آلومینیوم برای اولین بار در مقیاس تجاری توسط سنت کلردویل در سال 1850-1844 انجام شد و کار آن بر اصول مخلوطی از کلرور آلومینیوم و سدیم و احیای آن توسط سدیم بود که چندان این کار صرفه نداشت. بعد ها به دست اشخاص دیگر در یک شیوه صنعتی با خلوص بالا به روش الکترولیز اکسید آلومینیوم در کریولیت مذاب آلومینیوم صورت گرفت که تا اکنون هم شیوه ای برای تولید صنعتی آلومینیوم انجام می شود. یک دانشمند اتریشی به نام بایر در حدود یک سال بعد از آن یک تغییر بزرگی در فرایند تولید آلومینیوم به وجود آورد که تاثیر بسزایی در کاهش هزینه ها داشت.
دسته بندی روش های تولید آلومینیوم
با توجه به نوع آلومینیوم روش های تولید آن عبارت اند از:
- تولید آلومینیوم اولیه با به استعمال آلومینا.
- تولید آلومینیوم ثانویه با استعمال آلومینیوم بازیافتی.
چرخه عمر تولید این فلز طبق استاندارد اعمال شده در تهیه گزارش چرخه عمر انجمن بین المللی آلومینیوم شامل واحد های مجزایی است که در ادامه به آن ها اشاره شده است:
- معدنکاری بوکسیت
- تولید آلومینا
- تولید آند (برای فرایند ذوب پرکوسادبرگ مورد نیاز است)
- تولید آلومینیوم مذاب یا مایع
- تولید شمش آلومینیوم
طبق تعاریف زمین شناسی، بوکسیت سنگ معدن آلومینیوم است ولی تعریف اقتصادی آن کمی متفاوت است. بر اساس تعریف اقتصادی بوکسیت، در واقع به کانه ای بوکسیت گفته می شود که علاوه بر داشتن شرایط موجود در تعریف زمین شناسی، تولید آلومینا از آن در شرایط اقتصادی و جغرافیایی مورد نظر صرفه داشته باشد.
بوکسیت در کشور ها با درجه های کیفی مختلف مورد استفاده قرار می گیرد و آلومینیوم از آن تولید می شود. به همین دلیل کیفیت آن با توجه به نوع فناوری، زمان، شرایط اقتصادی و شرایط بهره برداری و حتی شرایط سیاسی مختلف، متفاوت است. بعضی از کشور ها آلومینا را از بوکسیت های با کیفیت پایین هم تهیه می کنند. از با اهمیت ترین شاخص های سنجش اقتصادی بودن تهیه آلومینا از بوکسیت، مقدار به کار بردن سود سوزآور برای تولید آن است که هزینه بالایی در مراحل روش تولید آلومینیوم دارد.
تولید آلومینیوم با استفاده از آلومینا
الکترولیز نمک مذاب در فرآیند تولید شمش آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرد. برای الکترولیز جریان برق DC نیاز است که به دست رکتیفایر ها تامین می گردد. با تاثیر گرفتن از این جریان مستقیم برق DC آلومینا به آلومینیوم خالص تبدیل خواهد شد. برای تهیه آلومینیوم از دیگ هایی به اسم دیگ الکترولیز که دارای آند و کاتد می باشد و به شکل مخصوصی روی استراکچر های فولادی گذاشته می شوند.
در این مراحل مواد کربنی به عنوان الکترود و آلومینیوم فلوراید، کریولیت، کلسیم فلوراید و آلومینا به عنوان الکترولیت عمل می کنند. آلومینیوم مذاب با رسوب در کاتد گاز آندی که غالبا CO2 می باشد در آند تولید می شود. در طی مراحل گاز های هیدروژن فلوراید و غبار تولید می گردد که همراه گاز آندی در مجموع بخارات احیا را شکل می دهد. در دماهای کمتر از بازه 400 – 600 درجه سانتی گراد امکان دارد آلومینا دارای 0.2 – 0.5 درصد رطوبت باشد که در درجه حرارت های بالا با فلوراید های جامد واکنش نشان می دهد.
بخارات احیا با پخش شدن در سالن احیا باعث نامطلوب شدن شرایط و گذاشتن اثرات جدی روی سلامت کارگران می شود. بنابراین یکی از ضروری ترین امور در این فرایند پیشگیری هرچه بیشتر از انتشار یافتن این بخارات و جمع آوری آن ها می باشد تا افزون بر حذف این بخارات مضر و گاز ها، آلومینا و فلوراید بازیابی شوند.
آلومینای مورد نیاز پس از منتقل شدن به کارگاه احیا با فلوراید ها به داخل مخزن های ثابت ریخته می شوند. برای جذب گاز های دیگ در سیستم کنترل آلودگی باید آلومینای تازه به کار گرفت که این هم به شیوه خود به عنوان آلومینای غنی شده به داخل اوربین های دیگ وارد می شود و آلومینای داخل اوربین به شکل اتوماتیک و مداوم به داخل حوضچه مذاب منتقل می شود.
در کارگاه میله گذاری بلوک های کربن آندی تکمیل می شوند و با آند های کارکرده در کارگاه احیا معاوضه و بار دیگر این آند ها به کارگاه میله گذاری منتقل می شوند. جریان برق DC به دست آمده از رکتیفایر ها به دست خطوط انتقال بأس بار برای الکترولیز وارد کارگاه احیا می شود. از طریق سیستم مکش آلومینیوم مذاب موجود در دیگ تخلیه شده و به کارگاه ریخته گری فرستاده می شود. در آن مکان به کوره های نگهدارنده وارد می شوند و با زیاد شدن عمل اختلاط بر حسب نیاز محصولات مختلف و متنوعی از آن تولید می شود.
پیوسته مقداری از آلومینیوم مذاب کارگاه احیا داخل پیگ ریخته می شود تا برای ذوب مجدد مورد استفاده قرار گیرد و پیش از انجام فرایند و همزمان با آن آزمایش هایی حاوی کنترل و آنالیز مواد خام مصرفی و تولیدی انجام می شود تا محصول حاصل شده بر طبق استاندارد های قابل قبول تولید شود در نهایت فرایند شمش های آلومینیوم تهیه شده مورد ارزیابی و کنترل نهایی قرار می گیرند و پس از بسته بندی و توزین برای توزیع به انبار انتقال می یابند.
بازیافت آلومینیوم
به فرآیند استفاده از آلیاژ آلومینیوم در محصولات جدید فرایند بازیافت آلومینیوم می گویند. بازیافت آلومینیوم نسبت به استخراج آن به دفعات به صرفه تر و ارزان تر است. در حقیقت در بازیافت ضایعات ما فقط به 5 درصد از انرژی تولید آلومینیوم جدید احتیاج خواهیم داشت.
در ادامه به مراحل بازیافت آلومینیوم خواهیم پرداخت:
- گرد آوری ضایعات: فویل های سینی، قوطی های آئروسل و قوطی های نوشیدنی را از خانه ها گرد آوری می کنند. البته بعضی اوقات فویل ها جداگانه جمع آوری می شوند.
- مرتب کردن ضایعات: در این قسمت از فرایند فلزات با یکدیگر مخلوط و به ایستگاه انتقال زباله می روند و فشرده می شوند.
- فرآوری دوباره ضایعات: در این مرحله آلومینیوم فشرده شده را به یک کارخانه بازفرآوری انتقال می دهند تا در آن مکان خرد، تمیز، ذوب و در آخر ریخته گری انجام شود. در نهایت فلز ذوب می شود و به شمش بزرگ تبدیل می گردد.
- نورد کردن ضایعات: در مرحله چهارم از مراحل بازیافت آلومینیوم شمش های بزرگ را به کارخانه نورد انتقال می دهند و در آنجا جهت بسته بندی نورد و تبدیل به ورق آلومینیوم می شوند.
- تبدیل ضایعات: در انتهای فرایند ورق های آلومینیوم به طیف گسترده ای از اقلام بسته بندی مبدل خواهند شد.