Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Alüminyum Üretimi Hazırlayan:Öğr. Gör. Dr. Tuna ARIN

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Alüminyum Üretimi Hazırlayan:Öğr. Gör. Dr. Tuna ARIN"— Sunum transkripti:

1 Alüminyum Üretimi Hazırlayan:Öğr. Gör. Dr. Tuna ARIN
KTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

2 Alüminyumun Önemi Bakır, çinko ve kurşun gibi daha ağır metallerle mukayese edildiğinde 2,70 g/cm 3 olan yoğunluğu ile hafif metaller grubunda yer alan Alüminyum oldukça geniş kullanım alanına sahiptir. Alüminyumun geniş kullanım bulmasının nedeni tabiatta oldukça bol olması (Al2O3 olarak %15) Yüksek elektrik ve ısıl iletkenliğe sahip olması Atmosferik korozyona mukavemet göstermesi İmal kolaylığı ve diğer metallerle yüksek çekme mukavemetine sahip alaşımlar oluşturabilmesi

3 Alüminyum Mineralleri
Aşağıda belirtilen mineraller, doğada değişik oranlarda karışımlar şeklinde bulunurlar ve toplu halde BOKSİT olarak adlandırılırlar. Bu nedenle, alüminyum yatakları boksit yatakları olarak bilinir. Boksit, homojen bir kimyasal bileşime ve kristal yapıya sahip bir mineral olmayıp, bu minerallerin heterojen bir karışımı şeklindedir. Alüminyum üretebilen yegane mineral grupları, alüminyum oksitli ve hidroksitli minerallerdir; Mineral Adı Kimyasal Formülü Gibsit/Hidrarjilit Al(OH)3 veya Al2O3.3H2O Böhmit AlOOH veya Al2O3.H2O Diyaspor HAlO2 veya Al2O3.H2O Korund Al2O3

4 Alüminyum Mineralleri
Alüminyumun ticari öneme sahip cevheri olan boksit adını büyük rezervlere sahip yatakların olduğu, ilk bulunduğu yer olan Fransa’ daki Les Baux bölgesinden almıştır. Böyle bir mineralin başka bir yerde varlığı tespit edilemediğinden, bu mineralin sabit bir bileşimde olmayıp yukarıdaki tabloda belirtilen monohidrat ve trihidratların bir karışımı olduğu sonucuna varılmıştır. Bu nedenden dolayı bulunduğu bölgeye göre değişen yabancı madde ve minerallari içinde bulundurur. Bunlar demir oksit (Fe2O3), titan (rutil ve ilmenit olarak) ve silis (SiO2) dir. SiO2 önemlidir, çünkü cevherin işlenmesi esnasında hem çözücü davranır hem de (Na2O .Al2O3.3SiO2) şeklinde bir atık oluşturur. Bu atık Al barındırdığından ciddi kayba yol açar. Bu yüzden SiO2 içeren cevher ucuzdur.

5 Alüminyum Mineralleri
Boksit, kayaçların dış etkiler sebebiyle aşınmasından oluşan artık bir topraktır. Alkali, kireç ve MgO gibi kolaylıkla çözünebilen bileşenler yüzey sularının etkisi ile liç işlemine uğrarlar. Bu işlem sonunda geriye boksit cevherini meydana getiren ve çok az çözünen maddeler olan demir oksit ve alüminyum oksitler kalır. Genellikle boksit cevherinde mevcut alüminyum muhtevası %45-65, silis %1-12, demir %2-25 (Fe2O3 olarak)ve kristal suyu %14-36 dır. Boksit içerisinde yaklaşık % 3 kadar titan oksit bulunur. Hindistan bölgesindeki boksit cevheri ise % 12 kadar titan oksit içerir. Bölgelere göre farklı içeriği olan cevherler aşağıda tablo halinde verilmiştir.

6 Alüminyum Mineralleri
İngiliz Ginesi ABD- Alabama Altın Sahil Hindistan Fransa Macaristan Al2O3 62.7 54.2 60.5 60.3 65.0 52.6 SiO2 2.2 2.9 1.4 1.0 1.9 9.0 Fe2O3 0.9 3.6 9.8 4.5 17.6 20.9 TiO2 0.6 3.0 12.0 1.5 H2O 33.0 36.0 25.6 22.2 14.0 14.4 Genellikle yüzeyde bulunan boksit yatakları açık işletme olarak işletilir, ancak eğer yüzeyde mekanik kazıcılar yardımıyla alınamayacak kadar derine inen değersiz fazlalıklar varsa yer altı metotları uygulanır. Kısacası her bölgeye göre boksit bileşimi ve dolayısıyla uygulanan metal kazanım yöntemi farklılık gösterir.

7 Cevherin İşlenmesi Cevherden saf alüminyum elde edilmesi için uygulanan yöntemler arasında, 1887 yılında Carl Bayer tarafından keşfedilen Bayer metodu, yüksek tenörlü cevherlerin işlenmesinde dünya çapında kullanılan en önemli metoddur. Bu metodun yaygın olarak kullanılmasının sebebi uygulanmasının nispeten basit ve ürünlerinin saf olmasından ileri gelmektedir. Bayer metodu, hidratların çözünürlüğü şeklinde özetlenebilir. Alüminyum trihidratın (Al2O3.3H2O) kostik soda içindeki çözünürlüğü, monohidratınkinden (Al2O3.H2O) daha fazladır. Bu sebeple, bünyesinde fazla alüminyum trihidratı (Al2O3.3H2O) bulunduran boksit üretim için daha uygundur.

8 Bayer Metodu ile Al2O3 Üretimi

9 Bayer Metodu ile Al2O3 Üretimi

10 Cevherin İşlenmesi Amerikan boksidinde mevcut olan alüminin büyük bir kısmı trihidrat şeklinde olduğundan, Amerika’ da boksit cevherinin işlenme şekli, az çözünen monohidratlı boksitlerin işlenmesi için hazırlanmış olan Avrupa metodundan biraz farklıdır. Avrupa’ da genel olarak, organik maddeleri yok etmek ve böylece sonraki çöktürme ve filtre işlemlerini daha iyi bir hale sokmak için cevher bir ön kavurmaya alınır. Avrupa da alümin eldesinde ise, cevherde bulunan organik maddeleri ortadan kaldırabilmek ve malzemenin dehidrasyonunu sağlayabilmek için kırılmış cevher çok katlı veya döner bir fırında 600 °C’ de kalsine edilir ve ardından

11 Cevherin İşlenmesi Bilyalı değirmende 100 mesh’ e kadar öğütülür.

12 Cevherin İşlenmesi Öğütülmüş boksit cevheri 30% luk sud kostik ile çalkalanır ve buharla çalışan otoklava gönderilerek 4-5 saat 8 atm basınç altında °C a ısıtılır. Alümin, sıcaklık ve basınç etkisi altında Al2O3+2NaOH=Na2O. Al2O3+ H2O Denklemine göre sodyum tuzu oluşturarak çözeltiye geçer. Demir oksit, titan oksit ve diğer safsızlıklar reaksiyona geçmeyerek eski hallerinde kalırlar. Ayrıca, silisin bir kısmı sud kostik tarafından açığa çıkar ve alümin ile reaksiyona geçerek, çözünmeyen sodyum alüminyum silikatı oluşturur. Bu durum sonunda %10 silis içeren bokit cevherinden oluşan alüminin %20 si ve Na2O nun %15 i uygulanan işlem sırasında kayba uğrayabilir.

13 Cevherin İşlenmesi Yoğun hale gelmiş olan pülp yoğunluğu 1.2 (130 gr/l Na2O ve 112 g/l Al2O3 içerene kadar) olana kadar seyreltilir. Malzeme çözünmeyen kırmızı çamur kalıntısının ayrışması için seyreltme tanklarından koyulaştırıcılara ve filtrelere geçer. Bol miktarda demir oksitten oluşan kırmızı çamur, demir üretimi yapan yüksek fırınlara şarj malzemesi olarak ya da kükürdü ayrıştırılarak gaz temizleme maddesi olarak kullanılır. Dinlendirme ve filtreleme işlemlerinin uygulanması ile elde edilen berrak taşıyıcı çözelti, karıştırma tanklarına alınır. Daha önceki karışımn elde edilen alüminyum hidratın çöktürülmesinde maya görevi görür. Karıştırma 4-5 gün sürer. Bu karıştırma sonunda çözeltinin içerdiği alüminin yaklaşık olarak yarısı çökeltilir.

14 Cevherin İşlenmesi Bu çökelti döner vakum fırında filtre edilir, sud kostikten tamamen temizlenmesi için yıkanır ve % 99 dan daha fazla alümin (Al2O3.3H2O= Al2O3+3H2O) içeren bir ürüne dönüşmesi için döner fırında 1150 °C’ de kalsine edilir. Filtreden geçen ve 125 gr/l Na2O ve 50 g/l Al2O3 içeren bir çözelti vakumlu buharlaştırıcıdan geçirilerek 300 gr/l Na2O içerene kadar buharlaştırılır .Yoğunlaştırılan bu çözelti taze boksit ile tekrar kullanılmak üzere devreye sokulur. Kırmızı çamurla birlikte sistemden ayrılan çözünmeyen sodyum alüminyum silikatın oluşumundan dolayı sud kostik kayıplar meydana gelir. Bu kayıpların taze reaktif ilavesi ile giderilmesi gerekir. Bu kayıp soda külü ile kirecin kostikleştirilmesi ile giderilmeye çalışılır. Bu işlem sonunda 75 gr/l sud kostik

15 Cevherin İşlenmesi İçeren kostik bir çözelti (Na2CO3+Ca(OH) 2=CaCO3+2NaOH) elde edilir. Bu çözelti, filtreden geçen zayıf soda eriyiği ile birleşir ve vakumlu buharlaştırıcıda yoğunlaştırılarak zenginleştirilir. Tablo:Alümin, Boksit ve Kırmızı Çamurun Bileşimleri % Boksit Kırmızı Çamur Kalsine Al2O3 Al2O3 52 23 99.29 SiO2 9 13 0.03 Fe2O3 20 39.5 0.06 TiO2 3 4.5 0.015 Na2O - 0.35 Ynma Kaybı 15 10 0.25

16 Elektrik Yardımı ile Redükleme
Metalik alüminyum üretiminde uygulanan Heroult-Hall redükleme işlemi (Bir alümin çözeltisinin ergimiş kriyolit içinde elektroliz işlemine tabi tutulması) Standard bir metod halini almış ve dünyada ufak değişimlerle kullanılır duruma gelmiştir. Bu metodun uygulanması, büyük miktarda elektrik sarfiyatına sebep olduğundan, ekonomik bir işletme için ucuz ve uygun elektrik gücü kaynağına ihtiyaç vardır. Genellikle yüksek voltajlı alternatif akım, transformatörler yardımı ile daha düşük potansiyellere indirilir ve bir sıra elektrolit hücresine elektrik verecek şekilde düzenlenmiş redresörler tarafından doğru akıma çevrilir. Bu hücreler, çalışma kolaylığını sağlamak amacı ile zemin seviyesine yerleştirilir. Hücreler refrakter tuğlalar ile astarlanmış dikdörtgen şeklinde olan çelik bir hazneden oluşur.

17 Elektrik Yardımı ile Redükleme

18 Elektrik Yardımı ile Redükleme
Tuğlalar bağlayıcı olarak kullanılan katran ve karbon karışımı ile sıvanmıştır. Katot olarak kullanılan demir plaka ve çubuklar bu sıvanın içine yerleştirilmiştir. Metalin elde edilmesi için fırının tabanına bir boşaltma ağzı bırakılmıştır. Anodlar başlıca iki şekilde olabilir. Bunlardan ilki petrol, kok, kömür ve katrandan oluşan preslenmiş ve birkaç saat pişirilmiş, yaklaşık kilo ağırlığında, yan kesiti yuvarlak veya kare olan küçük bloklar halindedir. Anodun içinde, hücrenin iletken kısmı ile teması sağlamak üzere, bakır bir çubuk gömülüdür. Bu anaodlardan 24 tanesi (hücre büyüklüğüne göre değişebilir) bir hücre takımını oluştururlar. Bu anodların ortalama ömrü 8-10 gündür. İkinci anod tipi olan Söderberg sürekli anot, Norveçli bir mühendis tarafından 1. Dünya savaşı sırasında geliştirilmiştir. Hücre üzerinde dikey olarak tutulan ve %70 petrol

19 Elektrik Yardımı ile Redükleme
veya katran koku ve %30 bağlayıcı katrandan oluşan sıcak bir karışım ile doldurulmuş dikdörtgen şeklinde bir alüminyum kapsülden ibarettir. Kütle, elektroliz esnasında elektrik akımına geçmesine karşı gösterilen rezistanstan oluşan ısı ile iyice pişmiş olur. Elektrik teması, elektrodun ağırlığını taşımaya yardım eden dizi halindeki demir miller yardımı ile olur. Elektrot, elektrolit ile temas halinde bulunduğu zaman erimeye başlar. Bu sebepten ötürü bir mekanizma ile, elektrodu sürekli alçaltmak gerekir. Hücre üst kısmındaki bir açıklıktan dışarı doğru uzanan kapsüle, elektrod karışımı ile dolu yeni parçalar ilave edilerek çalışmanın sürekliliği sağlanır.İşlem sırasında banyo Sodyum Alüminyum Florür (Kriyolit) ile doldurulur, Anod alçaltılır ve kriyolit ergiyene kadar (ergime sıcaklığı 990 °C) sisteme akım verilir.

20 Elektrik Yardımı ile Redükleme
Kriyolit ergidikten sonra banyoya alümin ilavesine başlanır. Alüminin ayrışma reaksiyonu meydana gelir. 2 Al2O3=4Al+6O Bu işlem için gereken ısı elektrod ve elektrolitin uygulanan akıma gösterdiği direnç tarafından sağlanır. Alüminden açığa çıkan oksijen elektrodun karbonu ile birleşip karbonmonoksit ve dioksit oluşturarak harcanmış olur. Serbest kalan alüminyum batmak (çökmek) suretiyle hücrenin tabanında toplanır ve belirli aralıklarında boşaltma ağzından alınır.Banyonun içerdiği alümin miktarı %5 civarında azaldığı zaman anod ile banyo arasındaki normal temas, voltajın normal olan 5-6 volt dan volt a yükselmesine sebep olan bir gaz film tabakası oluşturur. Uyarı sisteminin işareti ile taze alümin ilave edilir.

21 Elektrik Yardımı ile Redükleme

22 Elektrik Yardımı ile Redükleme
Banyonun bileşimi çok önemlidir. Kriyolit 990 °C’ da erir ve bu sıcaklıkta ağırlığının %10 u kadar Al2O3 içerir. Banyonun yoğunluğu sıvı alüminyumunkinden daha az olmalıdır, aksi halde serbest kalan metal yüzeye çıkarak hücre işlemini bozar. Sıvı haldeki kriyolit’ in yoğunluğu 2.1, aluminyumunki 2.3 ve katı haldeki alümininki (Al2O3) ise 4 civarındadır.yoğunluklar arasındaki bu farkı önleyecek herhangi bir şey olamasaydı alümin, daha büyük bir yoğunluğa sahip olması sebebiyle, hücrenin tabanına çökecekti. Bu sebepten ötürü, anodta açığa çıkan gazın hareketi ve aynı zamanda hücrenin anodundan katoduna doğru akan elektrikten oluşan manyetik karıştırma etkisinden oluşan çalkalanma önemlidir. Bu karıştırma olayı alümini, elektrolit içinde çözünebilmesi için gerekli zaman kadar süspansiyon halinde tutar. Elektrolit derinliği ≈25 cm. dir.

23 Elektrik Yardımı ile Redükleme
Flux bileşimleri genellikle % Na3Al2F6 , % 5 AlF3, ve %5-10 CaF2 olarak muhafaza edilir. Flux’ da mevcut Al2O3 miktarı elektrolizin derecesine göre % 5 den 0.5 e kadar değişir. Kriyolit’ in erime sıcaklığı kalsiyum ve alüminyum florürlerin ilavesiyle düşürülür. Sistemde kalsiyum florürün mevcudiyeti, sodyumun katodda açığa çıkmasını önler ve bu sebepten ötürü akım randımanını arttırır. Reaksiyon süresi boyunca karbonmonoksit, karbondioksit, hidrojen ve alüminyum florürleri içeren gaz ve dumanlar açığa çıkar. Tesislerden bazıları hücreleri davlumbaz içine yerleştirerek ve açığa çıkan gazı yıkama kulelerine göndererek florür değerlerini yeniden kazanırlar. Burada gazlar, flüoru sodyum florür halinde çözen seyreltik sodyum karbonat çözeltisi ile yıkanır. Sodyum karbonat çözeltisi, içerdiği sodyum florür miktarı 25 veya 30 g/l’ ye

24 Elektrik Yardımı ile Redükleme
Ulaşıncaya kadar yeniden devreye verilir. Sonra florür çözeltisi sodyum alüminat ile karıştırılır. Sodyum alüminyum florür (kriyolit) çökeltileceği zaman karbon dioksit köpükleri sisteme dahil edilir. 12NaF+Al2O3.Na2O+8CO2+4H2O=2Na3AlF6+8NaHCO3 Bu şekilde elde edilen kriyolit filtre edilir ve 300°C’ de kalsine edildikten sonra elektrolit olarak kullanılmak üzere hücreye iade edilir. Tabii halde kriyolit Grönland’ da bulunur. Fakat kriyolit, flüorspar ile sülfürik asidin bir arada ısıtılması neticesi açığa çıkan flüoridik asidi sodyum alüminat çözeltisi ile absorbe etmek suretiyle suni olarak da elde edilebilir. 3Na2O+Al2O3+12HF→2Na3AlF6+6H2O

25 Alüminyumun Tasfiyesi
Elektrolitik redükleme sonunda istihsal edilen alüminyum metalinin safiyeti nadiren %99.5’ in üstüne çıkar. Alaşımlandırma için uygun olmasına rağmen endüstrilerden bir çoğu (özellikle elektrik, kblo ve gıda sanayii) % 99’ luk veya daha üstün kalitede alüminyum metali talep ederler. Üç tabaka işlemi: Elektrik ile tasfiye, anodun tabanda bulunduğu bir hücre içerisinde oluşur. Banyo içinden yukarı doğru hareket eden akım, grafit elektrodlar yardımıyla sistemin üst kısmına toplanır. Redükleme işlemi ile mukayese edildiğinde kutuplar arasında oluşan bu ters hareket, hücre yapısı ve işlem bakımından birçok farkların oluşmasına sebep olur. Bu yöntemin uygulanması, elektrolit yoğunluğunun ayarlanmasına bağlıdır.

26 Alüminyumun Tasfiyesi
Yoğunluğu tespit edilen bu elektrolit tabanda oluşacak bakır- alüminyum alaşımından daha hafif, fakat arı alüminyumdan daha ağır olmalıdır. Böylece alüminyumun tasfiye işlemi, farklı hücre yoğunluğuna sahip üç tabakadan ilerler. Bu tabakanın Bileşimi, yoğunluk 2.8 olacak Şekilde tayin edilmiştir. Bu durumda elektrolitin yoğunluğu, tabanda oluşan alaşımın ve arı Al’un Yoğunlukları arasında bulunur.

27 Alüminyumun Tasfiyesi
Yoğunluğu 4.5 olan, anodla temas halinde bulunan ve % bakır içeren bir Al alaşımından oluşan bir alt tabaka. İsim ve yüzdeleri aşağıda verilmiş olan florürlerden oluşan bir orta tabaka (yoğunluğu 2.8 olacak şekilde, yani tabandaki 4.5 yoğunluklu alaşım ve arı alüminyumun (2.3) arasında hazırlanır) Elektrolit yüzeyinde bulunan ve arı alüminyumdan oluşan üçüncü tabaka Bileşim % Alüminyum Florür 36 Kriyolit 30 Baryum Florür 18 Kalsiyum Florür 16

28 Alüminyumun Tasfiyesi
Hücreler dikdörtgen şeklindeki çelik bölmelerden oluşur.Bu hücrelerin ısı izolasyonları diyatomit tuğlalar yardımıyla temin edilmiş olup tabanları karbon tuğla ve yan duvarları manyezit tuğla ile astarlanmıştır.Karbon tuğlalar içine akım sirkülasyonunu temin edecek demir çubuklar yerleştirilmiştir. Hücrenin bir tarafında, tasfiye edilecek metalin sisteme beslenmesini sağlayacak bir ön hazne bulunur. Üç adet grafit elektrod metal yüzeyinden 5 cm. derinliğe dalar. Ticari Al, hücrenin alt tarafını kaplayan ve alaşım metali ile temasta olan ön hazneye erimiş şekilde boşaltılır. Alt tabakada oluşan akıntı, arı Al’ un elektrolit içinden geçmesine ve üst tabakada toplanmasına sebep olur. Üst tabakada biriken alüminyum, zaman zaman yabancı maddelerin karışmaması için alınır.

29 Alüminyumun Tasfiyesi
Tabandaki alaşım tabakası tarafından yakalanan ve ayrıca toplanan safsızlıklar düşük çözünürlüklerinden ötürü, soğuk olan ön haznede kristalleşirler. Bu safsızlıklar alüminyumla karışmış halde bulunan demir, silisyum, çinko ve bakırdan oluşur. Bu safsızlıklar belirli zaman aralıklarında ön hazneden alınır ve bir fırında 800 °C’ ye ısıtıldıktan sonra 600 °C’ da soğutma işlemine tabi tutulur. Bu işlem sonunda yüksek miktarda demir, manganez ve alüminyum içeren bir alaşım kristalleşir. Sıvı haldeki bakır-alüminyum-çinko alaşımı dışarı alınarak ingot halinde dökülür. Bu alaşım tasfiye işlemi için yeterince saf olmadığından bir Al alaşımı olarak satılır. Her bir tasfiye hücresinden günde, % saflıkta 100 kg. alüminyum üretilir.


"Alüminyum Üretimi Hazırlayan:Öğr. Gör. Dr. Tuna ARIN" indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları