HULUSİ YILDIRIM B0605.06004 Alüminyum Üretimi. ALÜMİNYUM Yerkabuğundaki yaklaşık olarak %7,5 civarındaki içeriğiyle alüminyum, oksijen ve silisyumdan.

... konulu sunumlar: "HULUSİ YILDIRIM B0605.06004 Alüminyum Üretimi. ALÜMİNYUM Yerkabuğundaki yaklaşık olarak %7,5 civarındaki içeriğiyle alüminyum, oksijen ve silisyumdan."— Sunum transkripti:

1 HULUSİ YILDIRIM B0605.06004 Alüminyum Üretimi

2 ALÜMİNYUM Yerkabuğundaki yaklaşık olarak %7,5 civarındaki içeriğiyle alüminyum, oksijen ve silisyumdan sonra en çok bulunan üçüncü elementtir. Bu kadar çok bulunmasına rağmen varlığı henüz 200 yıl önce keşfedilen alüminyum bugün, insanoğlunun binlerce yıldan beri tanıdığı ve kullandığı bakır, kurşun ve kalay gibi diğer demirdışı metallerin toplamından daha fazla üretilen “genç” bir metaldir. 1808 yılında fark edilen bu metal, ancak uzun yıllar sonra üretilmeye başlamıştır.

3 ALÜMİNYUMA İLİŞKİN ÖNEMLİ BAZI TARİHLER AŞAĞIDAKİ GİBİ SIRALANABİLİR 1808, Sir Humpry Davy (İngiltere), alüminyumun varlığını keşfetti ve onu ilk kez adlandırdı. 1821, P. Berthier (Fransa), ülkesinin güneyindeki Les Baux köyünde %52 oranında alüminyum oksit içeren kızıl renkli, sert ve kile benzeyen bir mineral buldu. Bugün alüminyum üretiminin en çok kullanılan hammaddesi olan bu minerale “Boksit” adını verdi. 1855, çok değerli bir metal olarak, Paris’te alüminyum bir çubuk halinde sergilendi.

4 1827, Friedrich Wöhler (Almanya), potasyumla susuz alüminyum klorürü tepkimeye sokarak toz halinde alüminyum üretimi sağlayan bir tekniği tanımladı. 1845, Wöhler alüminyumun özgül ağırlığını bularak bu metalin en belirgin özelliği olan hafifliğini ortaya koydu.

5 1886, o güne kadar pek tanınmayan iki genç bilim adamı, Paul Louis Toussaint Héroult (Fransa) ve Charles Martin Hall (A.B.D.), birbirlerinden habersiz şekilde ayrı ayrı çalışarak, günümüzde Hall-Héroult yöntemi olarak bilinen ve bugün alüminyum üretiminde genel anlamda kullanılan yeni bir elektrolitik üretim teknolojisi keşfettiler. Bu iki bilim adamı, alüminyum oksitin (alüminanın) ergimiş kriyolitin içinde çözündürülerek üzerinden güçlü bir elektrik akım geçirildiğinde, alüminyumun elektrolitin altında sıvı halde biriktiğini fark etmişlerdir.

6 P AUL L OUIS T OUSSAINT HÉROULT C HARLES M ARTIN HALL

7 Bu iki gencin buluşlarına ilişkin patentlerini almalarından sadece iki yıl sonra, 1888’de İsviçre’nin Neuhausen kentinde Schweizerische Metallurgische Gesellschaft (günümüzdeki AIAG ve Alusuisse’nin atası) tarafından Hėroult patentiyle, yine aynı yıl A.B.D.’deki Pittsburgh kentinde Pittsburgh Reduction Company (bugünkü ALCOA’nın atası) tarafından Hall patentiyle ilk alüminyum elektrolizhaneleri kurulmuştur. Bu tarihten itibaren bu konuda çok hızlı teknik ve ekonomik gelişmeler yaşanmaya başladı. 1900 yılına gelindiğinde İsviçre ve Amerika ile birlikte Fransa (1889), İngiltere (1896), Almanya (1898) ve Avusturya da (1899) alüminyum üreten ülkeler arasındaki yerlerini almışlardı

8 YILLAR İTİBARİYLE ALÜMİNYUMUN DÜNYADAKİ GELİŞİMİ ŞU ŞEKİLDE OLMUŞTUR: 1900 yılında toplam yıllık üretim 8.000 ton, 1913 yılında toplam yıllık üretim 65.000 ton, 1920 yılında toplam yıllık üretim 128.000 ton, 1938 yılında toplam yıllık üretim 537.000 ton, 1946 yılında toplam yıllık üretim 681.000 ton, 2000 yılında toplam yıllık üretim 24,5 milyon ton.

9 ÖZELLİKLERİ VE KULLANILDIĞI YERLER Periyodik cetvelin III A gurubunda bulunan ve atom numarası 13, atom ağırlığı 26.89 olan +3 değerlikli metalik bir elementtir. Alüminyumun yoğunluğu 2.7 gr/cm³, ergime noktası 659.8 °C ve kaynama noktası 2450 °C dir. Alüminyumun kullanım alanı günümüzde gerçekten de çok genişlemiştir. Gerek çeşitli alaşımları olarak ve gerekse çeşitli bileşikleriyle, yaşamımızın her anında alüminyuma bir şekilde rastlamak mümkündür.

10 KULLANILDIĞI YERLER Ulaşım; otomotiv, havacılık ve uzay, deniz yolları ve demiryolları. Elektrik; enerji nakil hatları, elektrik enerjisi dağıtımı ve iletimi, endüstriyel amaçlı elektrik kabloları. İnşaat; çatı ve duvar kaplama, pencereler, kapılar, çeşitli oluklar, gölgelikler, ince profiller, çatı kiremitleri, sızdırmazlık elemanları vb..

11 KULLANILDIĞI YERLER Tıp; çeşitli mide rahatsızlıklarında alüminyum hidroksit, terlemeyi önleyici olarak alüminyum klorür. Su; birikinti suların içindeki çeşitli maddeleri çöktürmek için alüminyum sülfat. Ambalaj; folyo, teneke kutulama ve hazır gıda.

12 ÜRETİM TEKNOLOJİSİ Alüminyum, “hücre” olarak adlandırılan elektrolitik sistemlerde alüminanın (Al2O3) elektroliz yoluyla metalik alüminyuma indirgenmesi sonucunda elde edilir. Hücreler elektriksel olarak birbirlerine seri bağlanarak “elektroliz serileri” ni, bu serilerde bir arada “elektrolizhane” leri meydana getirirler.

13 ELEKTROLİZHANELER VE SIVI ALÜMİNYUMÜRETİMİ Mevcut 4 adet Elektrolizhanenin toplam kurulu kapasitesi 60.000 ton.Al/yıldır. Bir elektrolizhane 402m. uzunluğunda, 27m. eninde ve 27m. yüksekliğindedir. Elektrolizhaneler iki katlı olarak inşa edilmiştir ve hücreler +4 m. kotundadır. İyi havalandırma için hücrelerin yanları ızgaralı, elektrolizhane üzeri açılır kapanır pencerelidir. İki elektrolizhane bir seri teşkil eder ve elektrik enerjisi silikon redresör istasyonunda doğru akıma çevrilerek 100 kA ve 600 V olarak seriye verilir. Toplam iki seri mevcuttur.

14 Bir elektrolizhanede 62 hücre vardır (toplam 248 hücre) ve elektrolizhaneye iki sıra halinde yerleştirilmiştir. Birbirleriyle uç uca (end to end) bağlıdır. Hücreler üstten pimli kendi kendine pişen (düşey pimli söderberg) anotlu hücre tipindedir. Yüksek akım şiddeti ve gerilim nedeniyle, hücre ve elektrolizhaneler birkaç kademeli olarak yalıtılmıştır. Bir seride 2 gaz temizleme ünitesi ve 2 alümina silosu bulunur.

15 Her elektrolizhanede 2 adet 10 tonluk ve bir adet 125 tonluk köprü vinci vardır. Elektrolizhane içinde araç olarak ayrıca kabuk kırıcılar, alümina ve anot pasta şarj arabaları, forkliftler, elektrokarlar ve traktörler de kullanılmaktadır. Her elektrolizhanenin ortasında vakum hattı, kenarlarında basınçlı hava hattı vardır. Elektrolizhaneler birbirlerine ve Dökümhaneye geniş bir koridorla bağlıdır.

16 ELEKTROLİZ SERİSİ Serilerde hücreler birbirlerine, ya uç uca ya da uzun kenarları boyunca yan yana yerleştirilerek bağlanırlar. Günümüzde yeni kurulan elektrolizhanelerde yan yana yerleştirilmiş hücre tasarımları tercih edilmektedir. Elektroliz serilerinde kabuk kırma, hammadde besleme, pim veya anot değiştirme, metal çekme, katot büyük onarımı vb.. gibi temel hücre hizmetlerini yerine getirmek amacıyla çok amaçlı köprü vinçleri, özel olarak tasarlanmış kabuk kırma ve hammadde besleme araçları, forkliftler, traktörler ve çeşitli el aletleri kullanılır.

17 HÜCRE Bir hücre esas olarak iki kısımdan oluşur: 1) Kok ve zift karışımından oluşmuş ve elektrolitin içine dalmış durumdaki karbon kütle. Bu kütle elektroliz sisteminde “anot” (veya pozitif elektrot) olarak görev yapar. 2) Anodun altında bulunan ve çelikten yapılmış dikdörtgen kesitli büyük bir kasanın içine yerleştirilen, metalurjik kok ile ziftin pişirilmesiyle üretilmiş karbon kütle. Bu kütle de sistemde “katot” (veya negatif elektrot) olarak görev yapar.

18 Anot ile katot arasında kalan boşluk “elektrolit” olarak adlandırılan bir karışım ile doldurulur. Normal koşullarda katı halde olan bu karışımın alüminayı çözebilmesi için sıvı çözücü halinde bulunabileceği yaklaşık 980 °C ye ısıtılması gerekmektedir. Bu ergiyiğe saf alümina beslenerek iyonlarına ayrıştırılır. İçinde çözünmüş alümina bulunan hücre sistemine 4-5 volt gibi düşük bir gerilim ve ancak 80.000-350.000 amper gibi çok yüksek akım şiddeti uygulanarak elektroliz olayının meydana gelmesi sağlanır.

19 Bu işlem sonucunda alüminyum iyonları katottan elektron alarak metalik sıvı alüminyuma dönüşür ve katot haznesinde birikir. Oksijen iyonları ise anotta elektron bırakarak elementel oksijen haline gelirse de, ortamın sıcaklığı ve ortamda bulunan karbon nedeniyle bu halini koruyamaz. Anot karbonunu tüketerek CO2 haline dönüşür ve hücreyi terk eder.

20 ELEKTROLİZ İŞLEMİNİN TOPLU REAKSİYON DENKLEMİ ŞU ŞEKİLDE İFADE EDİLİR: 2Al2O3 + 3C  4Al + 3CO2 Reaksiyon mekanizmasının böyle olmasına karşın, metalik hale dönüşen alüminyumun bir kısmı katot haznesinde birikmek yerine anotta oluşan CO2 ile tepkimeye girebilir: 2Al + CO2  Al2O3 + CO Elbette ki bu reaksiyon hücrenin verimini düşürürken anot karbonunun da aşırı tüketilmesine sebep olan istenmeyen bir tepkimedir.

21 ELEKROLİT Elektrolit olarak kullanılan kriyolit (Na3AlF6) bilinen en iyi alümina çözücü maddedir. Hücrelerin performansını artırmak ve elektrolitin ergime sıcaklığını düşürmek için alüminyum florür ve kalsiyum florür gibi diğer bazı maddeler de elektrolite ilave edilir. Elektrolit aynı zamanda, katot haznesindeki elementel alüminyum ile anotta oluşan CO2 ve CO in arasında yer alarak bu maddeleri birbirlerinden ayırmaktadır.

22 A NOT Önceden de bahsedildiği gibi, Hall-Héroult prosesinde anot malzemesi olarak karbon kullanılır. Elektroliz işlemi süresince anot karbonu tükenir. Oluşturma biçimlerine göre iki ayrı tip anot vardır: Prebaked (önceden pişmiş) ve Söderberg (kendi kendine pişen) anotlar. Önceden pişmiş anotlar, elektrolizhanelerden ayrı bir tesiste, zift ve kok karışımının blok halinde şekillendirilmelerinin ardından bir fırında pişirilmeleriyle elde edilir. Hücre boyutlarına bağlı olarak değişen sayılarda anot bloğu bir araya getirilerek bir mekanizmalar gurubu yardımıyla hücrelerin üzerine bağlanır. Bir blok tükenince özel araçlarla yerinden sökülür ve yerine yenisi bağlanır.

23 Söderberg anotlar ise daha farklıdır. Elektrolizhanelerden ayrı bir tesiste, belirli oranlarda zift ve kok içeren bir karışım hazırlanır. Peletler halinde üretilen bu karışıma “anot pasta” denir. Elektroliz işlemi süresince söderberg anot alttan tükendikçe, üstten taze anot pasta beslemesi yapılır. Hücrenin ürettiği sıcaklık yardımıyla pasta içindeki zift önce ergimeye, daha sonra belli bir sıcaklığa erişince, kok taneciklerini birbirlerine bağlayarak koklaşmaya başlar. Sonuçta tek parça bütün bir anot karbonu haline gelir.

24 Hem önceden pişmiş hem de söderberg tipi anotların temel hammaddesi olarak zift (genel olarak taş kömürü zifti) ve petrol koku kullanılır. Bunlardan zift bağlayıcı, petrol koku ise dolgu malzemesi olarak görev yapmaktadır. Günümüzde tercih edilen hücre tipi, sağladığı ekonomik, çevresel ve teknolojik avantajlar yüzünden önceden pişmiş (prebaked) anotlu hücrelerdir.

25 K ATOT Hücrenin katodu biraz karmaşık bir yapıya sahiptir. Dikdörtgen kesitli çelik bir kasanın içine önce çeşitli refrakter ve izolasyon malzemeleri döşenir. Bunların üzerine özel olarak şekillendirilip pişirilmiş karbon refrakterler yerleştirilir. Bu karbonlar birbirleriyle ya yapıştırma pastaları ya da aralarına, yine asıl olarak zift ve kok karışımından hazırlanmış olan oldukça viskoz bir dolgu pastası dövülerek doldurulur.

26 Elektrik akımını diğer hücrelere iletmek üzere, taban karbon blokların içlerine, bir uçları katot kasasının dışında kalacak şekilde çelik kütükler gömülüdür. Elektroliz işlemi sırasında üretilerek hazne içerisinde biriken sıvı alüminyumun bizzat kendisi katot işlevini görür. Çalışılan çok yüksek akım şiddetlerinin (80.000-350.000 amper) oluşturduğu manyetik alanlar yüzünden katot haznesinde yer alan alüminyum sürekli olarak hareket halindedir. Bu hareketliliğin çalkalanmaya dönüşmeden kontrol altında tutulabilmesi için katot tasarımları ve manyetik alan hesaplamalarının büyük bir titizlikle yapılması gerekir.

27 Ayrıca elektroliz işlemi sırasında akım şiddeti, hücre gerilimleri ve metal/elektrolit seviyeleriyle sıcaklıkları sürekli olarak denetim altında tutulur ve bunlarda ince ayarlamalar yapılır. Normal koşullarda bir katodun ömrü 1.000-2.000 gün arasında değişmektedir. Günümüzde geliştirilmiş malzemeler ve katot tasarımları sayesinde özellikle yeni kurulan tesislerde bu sürenin 3.000 günü aşması sağlanmış durumdadır.

28 P REBAKED (Ö NCEDEN P IŞMIŞ A NOTLU ) H ÜCRE

29 S ÖDERBERG (K ENDI K ENDINE P IŞEN ) A NOTLU H ÜCRE