Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Hazırlayan:Ö ğ r. Gör. Dr. Tuna ARIN KTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisli ğ i Bölümü Alüminyum Üretimi.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Hazırlayan:Ö ğ r. Gör. Dr. Tuna ARIN KTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisli ğ i Bölümü Alüminyum Üretimi."— Sunum transkripti:

1 Hazırlayan:Ö ğ r. Gör. Dr. Tuna ARIN KTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisli ğ i Bölümü Alüminyum Üretimi

2 Alüminyumun Önemi Bakır, çinko ve kur ş un gibi daha a ğ ır metallerle mukayese edildi ğ inde 2,70 g/cm 3 olan yo ğ unlu ğ u ile hafif metaller grubunda yer alan Alüminyum oldukça geni ş kullanım alanına sahiptir. Alüminyumun geni ş kullanım bulmasının nedeni tabiatta oldukça bol olması (Al 2 O 3 olarak %15) Yüksek elektrik ve ısıl iletkenli ğ e sahip olması Atmosferik korozyona mukavemet göstermesi İ mal kolaylı ğ ı ve di ğ er metallerle yüksek çekme mukavemetine sahip ala ş ımlar olu ş turabilmesi

3 Alüminyum Mineralleri A ş a ğ ıda belirtilen mineraller, do ğ ada de ğ i ş ik oranlarda karı ş ımlar ş eklinde bulunurlar ve toplu halde BOKS İ T olarak adlandırılırlar. Bu nedenle, alüminyum yatakları boksit yatakları olarak bilinir. Boksit, homojen bir kimyasal bile ş ime ve kristal yapıya sahip bir mineral olmayıp, bu minerallerin heterojen bir karı ş ımı ş eklindedir. Alüminyum üretebilen yegane mineral grupları, alüminyum oksitli ve hidroksitli minerallerdir; Mineral AdıKimyasal Formülü Gibsit/HidrarjilitAl(OH) 3 veya Al 2 O 3.3H 2 O Böhmit AlOOH veya Al 2 O 3.H 2 O DiyasporHAlO 2 veya Al 2 O 3.H 2 O KorundAl 2 O 3

4 Alüminyum Mineralleri Alüminyumun ticari öneme sahip cevheri olan boksit adını büyük rezervlere sahip yatakların oldu ğ u, ilk bulundu ğ u yer olan Fransa’ daki Les Baux bölgesinden almı ş tır. Böyle bir mineralin ba ş ka bir yerde varlı ğ ı tespit edilemedi ğ inden, bu mineralin sabit bir bile ş imde olmayıp yukarıdaki tabloda belirtilen monohidrat ve trihidratların bir karı ş ımı oldu ğ u sonucuna varılmı ş tır. Bu nedenden dolayı bulundu ğ u bölgeye göre de ğ i ş en yabancı madde ve minerallari içinde bulundurur. Bunlar demir oksit (Fe 2 O 3 ), titan (rutil ve ilmenit olarak) ve silis (SiO 2 ) dir. SiO 2 önemlidir, çünkü cevherin i ş lenmesi esnasında hem çözücü davranır hem de (Na 2 O.Al 2 O 3.3SiO 2 ) ş eklinde bir atık olu ş turur. Bu atık Al barındırdı ğ ından ciddi kayba yol açar. Bu yüzden SiO 2 içeren cevher ucuzdur.

5 Alüminyum Mineralleri Boksit, kayaçların dı ş etkiler sebebiyle a ş ınmasından olu ş an artık bir topraktır. Alkali, kireç ve MgO gibi kolaylıkla çözünebilen bile ş enler yüzey sularının etkisi ile liç i ş lemine u ğ rarlar. Bu i ş lem 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 (Fe 2 O 3 olarak)ve kristal suyu %14-36 dır. Boksit içerisinde yakla ş ık % 3 kadar titan oksit bulunur. Hindistan bölgesindeki boksit cevheri ise % 12 kadar titan oksit içerir. Bölgelere göre farklı içeri ğ i olan cevherler a ş a ğ ıda tablo halinde verilmi ş tir.

6 Alüminyum Mineralleri İ ngiliz Ginesi ABD- Alabama Altın Sahil HindistanFransaMacaristan Al 2 O SiO Fe 2 O TiO H2OH2O Genellikle yüzeyde bulunan boksit yatakları açık i ş letme olarak i ş letilir, ancak e ğ er yüzeyde mekanik kazıcılar yardımıyla alınamayacak kadar derine inen de ğ ersiz fazlalıklar varsa yer altı metotları uygulanır. Kısacası her bölgeye göre boksit bile ş imi 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 ke ş fedilen Bayer metodu, yüksek tenörlü cevherlerin i ş lenmesinde dünya çapında kullanılan en önemli metoddur. Bu metodun yaygın olarak kullanılmasının sebebi uygulanmasının nispeten basit ve ürünlerinin saf olmasından ileri gelmektedir. Bayer metodu, hidratların çözünürlü ğ ü ş eklinde özetlenebilir. Alüminyum trihidratın (Al 2 O 3.3H 2 O) kostik soda içindeki çözünürlü ğ ü, monohidratınkinden (Al 2 O 3.H 2 O) daha fazladır. Bu sebeple, bünyesinde fazla alüminyum trihidratı (Al 2 O 3.3H 2 O) bulunduran boksit üretim için daha uygundur.

8 Bayer Metodu ile Al 2 O 3 Üretimi

9

10 Cevherin İşlenmesi Amerikan boksidinde mevcut olan alüminin büyük bir kısmı trihidrat ş eklinde oldu ğ undan, Amerika’ da boksit cevherinin i ş lenme ş ekli, az çözünen monohidratlı boksitlerin i ş lenmesi için hazırlanmı ş olan Avrupa metodundan biraz farklıdır. Avrupa’ da genel olarak, organik maddeleri yok etmek ve böylece sonraki çöktürme ve filtre i ş lemlerini 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 sa ğ layabilmek için kırılmı ş cevher çok katlı veya döner bir fırında 600 °C’ de kalsine edilir ve ardından

11 Cevherin İşlenmesi Bilyalı de ğ irmende 100 mesh’ e kadar ö ğ ütülür.

12 Cevherin İşlenmesi Ö ğ ütülmü ş boksit cevheri 30% luk sud kostik ile çalkalanır ve buharla çalı ş an otoklava gönderilerek 4-5 saat 8 atm basınç altında °C a ısıtılır. Alümin, sıcaklık ve basınç etkisi altında Al 2 O 3 +2NaOH=Na 2 O. Al 2 O 3 + H 2 O Denklemine göre sodyum tuzu olu ş turarak çözeltiye geçer. Demir oksit, titan oksit ve di ğ er safsızlıklar reaksiyona geçmeyerek eski hallerinde kalırlar. Ayrıca, silisin bir kısmı sud kostik tarafından açı ğ a çıkar ve alümin ile reaksiyona geçerek, çözünmeyen sodyum alüminyum silikatı olu ş turur. Bu durum sonunda %10 silis içeren bokit cevherinden olu ş an alüminin %20 si ve Na 2 O nun %15 i uygulanan i ş lem sırasında kayba u ğ rayabilir.

13 Cevherin İşlenmesi Yo ğ un hale gelmi ş olan pülp yo ğ unlu ğ u 1.2 (130 gr/l Na 2 O ve 112 g/l Al 2 O 3 içerene kadar) olana kadar seyreltilir. Malzeme çözünmeyen kırmızı çamur kalıntısının ayrı ş ması için seyreltme tanklarından koyula ş tırıcılara ve filtrelere geçer. Bol miktarda demir oksitten olu ş an kırmızı çamur, demir üretimi yapan yüksek fırınlara ş arj malzemesi olarak ya da kükürdü ayrı ş tırılarak gaz temizleme maddesi olarak kullanılır. Dinlendirme ve filtreleme i ş lemlerinin uygulanması ile elde edilen berrak ta ş ıyıcı çözelti, karı ş tırma tanklarına alınır. Daha önceki karı ş ımn elde edilen alüminyum hidratın çöktürülmesinde maya görevi görür. Karı ş tırma 4-5 gün sürer. Bu karı ş tırma sonunda çözeltinin içerdi ğ i alüminin yakla ş ık 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 ( Al 2 O 3.3H 2 O= Al 2 O 3 +3H 2 O) içeren bir ürüne dönü ş mesi için döner fırında 1150 °C’ de kalsine edilir. Filtreden geçen ve 125 gr/l Na 2 O ve 50 g/l Al 2 O 3 içeren bir çözelti vakumlu buharla ş tırıcıdan geçirilerek 300 gr/l Na 2 O içerene kadar buharla ş tırılır.Yo ğ unla ş tırılan bu çözelti taze boksit ile tekrar kullanılmak üzere devreye sokulur. Kırmızı çamurla birlikte sistemden ayrılan çözünmeyen sodyum alüminyum silikatın olu ş umundan dolayı sud kostik kayıplar meydana gelir. Bu kayıpların taze reaktif ilavesi ile giderilmesi gerekir. Bu kayıp soda külü ile kirecin kostikle ş tirilmesi ile giderilmeye çalı ş ılır. Bu i ş lem sonunda 75 gr/l sud kostik

15 Cevherin İşlenmesi İ çeren kostik bir çözelti ( Na 2 CO 3 +Ca(OH) 2 =CaCO 3 +2NaOH) elde edilir. Bu çözelti, filtreden geçen zayıf soda eriyi ğ i ile birle ş ir ve vakumlu buharla ş tırıcıda yo ğ unla ş tırılarak zenginle ş tirilir. Tablo:Alümin, Boksit ve Kırmızı Çamurun Bile ş imleri %BoksitKırmızı Çamur Kalsine Al 2 O 3 Al 2 O SiO Fe 2 O TiO Na 2 O Ynma Kaybı

16 Elektrik Yardımı ile Redükleme Metalik alüminyum üretiminde uygulanan Heroult-Hall redükleme i ş lemi (Bir alümin çözeltisinin ergimi ş kriyolit içinde elektroliz i ş lemine tabi tutulması) Standard bir metod halini almı ş ve dünyada ufak de ğ i ş imlerle kullanılır duruma gelmi ş tir. Bu metodun uygulanması, büyük miktarda elektrik sarfiyatına sebep oldu ğ undan, ekonomik bir i ş letme için ucuz ve uygun elektrik gücü kayna ğ ına ihtiyaç vardır. Genellikle yüksek voltajlı alternatif akım, transformatörler yardımı ile daha dü ş ük potansiyellere indirilir ve bir sıra elektrolit hücresine elektrik verecek ş ekilde düzenlenmi ş redresörler tarafından do ğ ru akıma çevrilir. Bu hücreler, çalı ş ma kolaylı ğ ını sa ğ lamak amacı ile zemin seviyesine yerle ş tirilir. Hücreler refrakter tu ğ lalar ile astarlanmı ş dikdörtgen ş eklinde olan çelik bir hazneden olu ş ur.

17 Elektrik Yardımı ile Redükleme

18 Tu ğ lalar ba ğ layıcı olarak kullanılan katran ve karbon karı ş ımı ile sıvanmı ş tır. Katot olarak kullanılan demir plaka ve çubuklar bu sıvanın içine yerle ş tirilmi ş tir. Metalin elde edilmesi için fırının tabanına bir bo ş altma a ğ zı bırakılmı ş tır. Anodlar ba ş lıca iki ş ekilde olabilir. Bunlardan ilki petrol, kok, kömür ve katrandan olu ş an preslenmi ş ve birkaç saat pi ş irilmi ş, yakla ş ık kilo a ğ ırlı ğ ında, yan kesiti yuvarlak veya kare olan küçük bloklar halindedir. Anodun içinde, hücrenin iletken kısmı ile teması sa ğ lamak üzere, bakır bir çubuk gömülüdür. Bu anaodlardan 24 tanesi (hücre büyüklü ğ üne göre de ğ i ş ebilir) bir hücre takımını olu ş tururlar. Bu anodların ortalama ömrü 8-10 gündür. İ kinci anod tipi olan Söderberg sürekli anot, Norveçli bir mühendis tarafından 1. Dünya sava ş ı sırasında geli ş tirilmi ş tir. Hücre üzerinde dikey olarak tutulan ve %70 petrol

19 Elektrik Yardımı ile Redükleme veya katran koku ve %30 ba ğ layıcı katrandan olu ş an sıcak bir karı ş ım ile doldurulmu ş dikdörtgen ş eklinde bir alüminyum kapsülden ibarettir. Kütle, elektroliz esnasında elektrik akımına geçmesine kar ş ı gösterilen rezistanstan olu ş an ısı ile iyice pi ş mi ş olur. Elektrik teması, elektrodun a ğ ırlı ğ ını ta ş ımaya yardım eden dizi halindeki demir miller yardımı ile olur. Elektrot, elektrolit ile temas halinde bulundu ğ u zaman erimeye ba ş lar. Bu sebepten ötürü bir mekanizma ile, elektrodu sürekli alçaltmak gerekir. Hücre üst kısmındaki bir açıklıktan dı ş arı do ğ ru uzanan kapsüle, elektrod karı ş ımı ile dolu yeni parçalar ilave edilerek çalı ş manın süreklili ğ i sa ğ lanır. İş lem sırasında banyo Sodyum Alüminyum Florür (Kriyolit) ile doldurulur, Anod alçaltılır ve kriyolit ergiyene kadar (ergime sıcaklı ğ ı 990 °C) sisteme akım verilir.

20 Elektrik Yardımı ile Redükleme Kriyolit ergidikten sonra banyoya alümin ilavesine ba ş lanır. Alüminin ayrı ş ma reaksiyonu meydana gelir. 2 Al 2 O 3 =4Al+6O Bu i ş lem için gereken ısı elektrod ve elektrolitin uygulanan akıma gösterdi ğ i direnç tarafından sa ğ lanır. Alüminden açı ğ a çıkan oksijen elektrodun karbonu ile birle ş ip karbonmonoksit ve dioksit olu ş turarak harcanmı ş olur. Serbest kalan alüminyum batmak (çökmek) suretiyle hücrenin tabanında toplanır ve belirli aralıklarında bo ş altma a ğ zından alınır.Banyonun içerdi ğ i alümin miktarı %5 civarında azaldı ğ ı zaman anod ile banyo arasındaki normal temas, voltajın normal olan 5-6 volt dan volt a yükselmesine sebep olan bir gaz film tabakası olu ş turur. Uyarı sisteminin i ş areti ile taze alümin ilave edilir.

21 Elektrik Yardımı ile Redükleme

22 Banyonun bile ş imi çok önemlidir. Kriyolit 990 °C’ da erir ve bu sıcaklıkta a ğ ırlı ğ ının %10 u kadar Al 2 O 3 içerir. Banyonun yo ğ unlu ğ u sıvı alüminyumunkinden daha az olmalıdır, aksi halde serbest kalan metal yüzeye çıkarak hücre i ş lemini bozar. Sıvı haldeki kriyolit’ in yo ğ unlu ğ u 2.1, aluminyumunki 2.3 ve katı haldeki alümininki (Al 2 O 3 ) ise 4 civarındadır.yo ğ unluklar arasındaki bu farkı önleyecek herhangi bir ş ey olamasaydı alümin, daha büyük bir yo ğ unlu ğ a sahip olması sebebiyle, hücrenin tabanına çökecekti. Bu sebepten ötürü, anodta açı ğ a çıkan gazın hareketi ve aynı zamanda hücrenin anodundan katoduna do ğ ru akan elektrikten olu ş an manyetik karı ş tırma etkisinden olu ş an çalkalanma önemlidir. Bu karı ş tırma olayı alümini, elektrolit içinde çözünebilmesi için gerekli zaman kadar süspansiyon halinde tutar. Elektrolit derinli ğ i ≈25 cm. dir.

23 Elektrik Yardımı ile Redükleme Flux bile ş imleri genellikle % Na 3 Al 2 F 6, % 5 AlF 3, ve %5-10 CaF 2 olarak muhafaza edilir. Flux’ da mevcut Al 2 O 3 miktarı elektrolizin derecesine göre % 5 den 0.5 e kadar de ğ i ş ir. Kriyolit’ in erime sıcaklı ğ ı kalsiyum ve alüminyum florürlerin ilavesiyle dü ş ürülür. Sistemde kalsiyum florürün mevcudiyeti, sodyumun katodda açı ğ a çıkmasını önler ve bu sebepten ötürü akım randımanını arttırır. Reaksiyon süresi boyunca karbonmonoksit, karbondioksit, hidrojen ve alüminyum florürleri içeren gaz ve dumanlar açı ğ a çıkar. Tesislerden bazıları hücreleri davlumbaz içine yerle ş tirerek ve açı ğ a çıkan gazı yıkama kulelerine göndererek florür de ğ erlerini yeniden kazanırlar. Burada gazlar, flüoru sodyum florür halinde çözen seyreltik sodyum karbonat çözeltisi ile yıkanır. Sodyum karbonat çözeltisi, içerdi ğ i sodyum florür miktarı 25 veya 30 g/l’ ye

24 Elektrik Yardımı ile Redükleme Ula ş ıncaya kadar yeniden devreye verilir. Sonra florür çözeltisi sodyum alüminat ile karı ş tırılır. Sodyum alüminyum florür (kriyolit) çökeltilece ğ i zaman karbon dioksit köpükleri sisteme dahil edilir. 12NaF+Al 2 O 3.Na 2 O+8CO 2 +4H 2 O=2Na 3 AlF 6 +8NaHCO 3 Bu ş ekilde 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 açı ğ a çıkan flüoridik asidi sodyum alüminat çözeltisi ile absorbe etmek suretiyle suni olarak da elde edilebilir. 3Na 2 O+Al 2 O 3 +12HF → 2Na 3 AlF 6 +6H 2 O

25 Alüminyumun Tasfiyesi Elektrolitik redükleme sonunda istihsal edilen alüminyum metalinin safiyeti nadiren %99.5’ in üstüne çıkar. Ala ş ımlandırma için uygun olmasına ra ğ men endüstrilerden bir ço ğ u (özellikle elektrik, kblo ve gıda sanayii) % 99’ luk veya daha üstün kalitede alüminyum metali talep ederler. Üç tabaka i ş lemi: Elektrik ile tasfiye, anodun tabanda bulundu ğ u bir hücre içerisinde olu ş ur. Banyo içinden yukarı do ğ ru hareket eden akım, grafit elektrodlar yardımıyla sistemin üst kısmına toplanır. Redükleme i ş lemi ile mukayese edildi ğ inde kutuplar arasında olu ş an bu ters hareket, hücre yapısı ve i ş lem bakımından birçok farkların olu ş masına sebep olur. Bu yöntemin uygulanması, elektrolit yo ğ unlu ğ unun ayarlanmasına ba ğ lıdır.

26 Alüminyumun Tasfiyesi Yo ğ unlu ğ u tespit edilen bu elektrolit tabanda olu ş acak bakır- alüminyum ala ş ımından daha hafif, fakat arı alüminyumdan daha a ğ ır olmalıdır. Böylece alüminyumun tasfiye i ş lemi, farklı hücre yo ğ unlu ğ una sahip üç tabakadan ilerler. Bu tabakanın Bile ş imi, yo ğ unluk 2.8 olacak Ş ekilde tayin edilmi ş tir. Bu durumda elektrolitin yo ğ unlu ğ u, tabanda olu ş an ala ş ımın ve arı Al’un Yo ğ unlukları arasında bulunur.

27 Alüminyumun Tasfiyesi a) Yo ğ unlu ğ u 4.5 olan, anodla temas halinde bulunan ve %28-30 bakır içeren bir Al ala ş ımından olu ş an bir alt tabaka. b) İ sim ve yüzdeleri a ş a ğ ıda verilmi ş olan florürlerden olu ş an bir orta tabaka (yo ğ unlu ğ u 2.8 olacak ş ekilde, yani tabandaki 4.5 yo ğ unluklu ala ş ım ve arı alüminyumun (2.3) arasında hazırlanır) c) Elektrolit yüzeyinde bulunan ve arı alüminyumdan olu ş an üçüncü tabaka Bile ş im% Alüminyum Florür36 Kriyolit30 Baryum Florür18 Kalsiyum Florür16

28 Alüminyumun Tasfiyesi Hücreler dikdörtgen ş eklindeki çelik bölmelerden olu ş ur.Bu hücrelerin ısı izolasyonları diyatomit tu ğ lalar yardımıyla temin edilmi ş olup tabanları karbon tu ğ la ve yan duvarları manyezit tu ğ la ile astarlanmı ş tır.Karbon tu ğ lalar içine akım sirkülasyonunu temin edecek demir çubuklar yerle ş tirilmi ş tir. Hücrenin bir tarafında, tasfiye edilecek metalin sisteme beslenmesini sa ğ layacak bir ön hazne bulunur. Üç adet grafit elektrod metal yüzeyinden 5 cm. derinli ğ e dalar. Ticari Al, hücrenin alt tarafını kaplayan ve ala ş ım metali ile temasta olan ön hazneye erimi ş ş ekilde bo ş altılır. Alt tabakada olu ş an akıntı, arı Al’ un elektrolit içinden geçmesine ve üst tabakada toplanmasına sebep olur. Üst tabakada biriken alüminyum, zaman zaman yabancı maddelerin karı ş maması için alınır.

29 Alüminyumun Tasfiyesi Tabandaki ala ş ım tabakası tarafından yakalanan ve ayrıca toplanan safsızlıklar dü ş ük çözünürlüklerinden ötürü, so ğ uk olan ön haznede kristalle ş irler. Bu safsızlıklar alüminyumla karı ş mı ş halde bulunan demir, silisyum, çinko ve bakırdan olu ş ur. Bu safsızlıklar belirli zaman aralıklarında ön hazneden alınır ve bir fırında 800 °C’ ye ısıtıldıktan sonra 600 °C’ da so ğ utma i ş lemine tabi tutulur. Bu i ş lem sonunda yüksek miktarda demir, manganez ve alüminyum içeren bir ala ş ım kristalle ş ir. Sıvı haldeki bakır-alüminyum-çinko ala ş ımı dı ş arı alınarak ingot halinde dökülür. Bu ala ş ım tasfiye i ş lemi için yeterince saf olmadı ğ ından bir Al ala ş ımı olarak satılır. Her bir tasfiye hücresinden günde, % saflıkta 100 kg. alüminyum üretilir.


"Hazırlayan:Ö ğ r. Gör. Dr. Tuna ARIN KTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisli ğ i Bölümü Alüminyum Üretimi." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları