Uploaded by sirdavut

kimyasal-metalurji-285s

advertisement
KİMYASAL METALURJİ
GİRİŞ
Demir Dışı Metaller
ve Ekstraktif Metalurji
• ÖNEMLİ METALLER : Al, Cu, Zn, Pb
• KİMYASAL METALURJİ
– ANORGANİK KİMYA
– FİZİKOKİMYA
– FİZİK
– PROSES TEKNİKLERİ
– İŞLETME VE ORGANİZASYON
– GENEL VE ÜLKE EKONOMİSİ
M t l Kaynakları
Metal
K
kl
• Primer Metal Kaynakları (cevherler)
• Sekunder Metal Kaynakları (hurdalar)
• Primer Metal Kaynakları (cevherler)
– Soy metaller ((Au
Au,, Ag,
Ag, Hg ve Cu gibi) doğada
ender olarak metalik halde bulunabilir
– Genellikle metal bileşikleri (mineral)
• Sülfür,
Sülfür oksit,
oksit hidroksit
hidroksit, klor ve silikat (ender)
– Konsantrasyonlar ve konum çok değişik
olabiliyor
• Cevherin işlenmesi
– Çıkarmak için teknik imkanlar mevcut mu
– Ekonomik olur mu
– Maliyet ne olur
– Metal
M t l talebi
t l bi hangi
h
i seviyede
i d
– İleride nasıl bir talep trendi olur
Yerkabuğunda
k b ğ d Bulunan
l
Metaller
ll
Al
3
Yerkabuğundaki
toplam rezerv
(16 km derinlik) (%)
7.3
F
Fe
4
34
3.4
Mg
8
2.5
Ti
9
0 43
0.43
Zn
26
0.006
Cu
48
0 003
0.003
Pb
53
0.002
Au
76
0.0000003
Element
Sıralama
• Cevher
– Mineral karışımları
Me--minerali + diğer mineraller=gang)
mineraller gang)
– (Me
• İçinde kazanmak istediğimiz metal var
• …. Cevheri (Cu
(Cu--cevheri,
cevheri AlAl-cevheri vv.b.)
b)
– Temelde iki tip cevher var
• Sülfürlü
Sülfü lü (S bileşikli
bil ikli me minerali)
i
li)
• Oksitli (O bileşikli me minerali)
Mi
Mineral
l Tipleri
Ti l i
C h i çıkarılması
Cevherin
k l
(Madencilik)
(M d
ilik)
• Maden işletme
– Açık ve kapalı
– Açık işletmede cevher yüzeye yakın
– Açık işletmelerin yüzeyi çok büyük
Kemi Krom Madeni (Finlandiya)
Chuquicamata Bakır Madeni (Şili)
4x2 km,900 m derinlik, 30 yıl sonra kapalı olacak
• Kapalı işletmelerde
– Pahalı, teknik olarak zor ve kaza riskli
• Buu nedenle
ede e 100100
00-1000m
000 de
deriniğe
ğe kadar
ada
• Yüksek tenörlü cevherler için
• Tenör = cevherdeki saf metal miktarı (gram/ton
veya %)
• Maden birbirine pparalel kazılmışş ggalerilerden oluşur
ş
K
Kapalı
l M
Madende
d d Kazıcı
K
2002 Yılı
Y l Dünya
Dü
Cevher
C h Üretimi
Ü ti i
Hammadde
Taş Kömürü
Petrol
Doğal Gaz
Demir Cevheri
Linyit
Boksit
Bakır
Çinko
Kurşun
Titan
Nikel
Altın
Üretim Miktarı (Milyon Ton)
3910
3609
2645 (m3)
1080
882
144.2
13.5
8.8
28
2.8
5.4
1.2
2500 t Altın Eşdeğeri
• Tabloda da görüldüğü gibi
– Demir dışı metal miktarları diğerlerine göre
daha düşük
ş
– Bunun nedeni verilen miktarlar saf metal için
– Cevher tenörü düşük olduğu için
– Çıkarılan cevher miktarı çok yüksek
C h Hazırlama
Cevher
H
l
• Cevherden metal kazanımı
– Çok ender doğrudan cevherden metal
kazanımı mümkün
– Zira tenör genelde çok düşük
– Tenör düşük gang yüksek
– Gang ile birlikte işleme
• Yüksek maliyet
• Yüksek me kayıpları
– Gang ayrılmak zorunda
• Gang ayırma=zenginleştirme=cevher hazırlama
Metal
Cevherde (%)
Konsantrede (%) Mineral Tipi
Teorik
Konsantre Oranı
(%)
Fe
65
‐
Fe2O3
69
Cu
1
30‐34
CuFeS2
34
Al
25
‐
Al2O3 H2O
45
Zn
7‐10
60‐65
ZnS
67
Pb
8‐15
65‐75
PbS
87
• Boksit ve demir cevherleri
– Temelde zengin
– Benzer mineral karışımları var
– Zenginleştirme ekonomik değil
• Cevher zenginleştirme yöntemleri
– KırmaKırma-öğütme: Kırıcılar ve öğütücüler
– Boyuta Göre Ayırma
• Eleme, siklon, merkezkaç ayırma
– Konsantre
• Flotasyon
Flotasyon,, özgül ağırlığa göre ayırma
– Su
S ayrımı
• Filtre, merkezkaç, süzme
• Kırma
Kırma--Öğütme Amaçları
– Tane boyutu (cevher boyutu) azaltma
– Boyut dağılımının değiştirilmesi
– Spesifik (oransal) yüzey alanının değiştirilmesi
– Farklı
F kl mineral
i
l tiplerinin
ti l i i serbestliği
b tliği
– Cevher hazırlama adımlarına uygunluk
(çözümlendirme v.b.)
Çeneli veya
y çekiçli
ç ç
– Kırıcılar = Ç
Çeneli Kırıcı
• Kırma
– Genellikle tana boyutu tasnifi
ör Manyetik ayırma
– Ayırma ör.
• Öğütme
– Çözümlendirme
• Otoklav çözümlendirme (Al üretimi)
– Peletleme (demir üretimi)
– Konsantrasyon
• Flotasyon (bakır üretimi)
• Flotasyon
– Köpük veya yüzdürme ayırımı
Kimyasal--fiziksel ayırma
– Kimyasal
– Prensip
• Farklı katı,
katı sıvı gaz yüzey gerilimleri
– Ayrım
• Pasif tanecikler çöküyor
• Aktif tanecikler
– Hava kabarcıklarına yapışıyor
– Yüzeye çıkıyor
– Köpük içerisinde kalıyor
• Bu yolla
– Ağır metaller
metaller, oksit ve sülfürlü bileşikleri ayrılıyor
– Oksitler, silikatler çöküyor
• Yüzey
ü ey ö
özellikleri
e e
– Öğütme gerekli (1
(1m
mm altına)
– Mineral yüzey gerilimini etkileyen kimyasal katkılar ile
k
kontrol
l edilir
dl
– Farklı mineral tipleri için farklı kimyasal katkılar kullanılır
A l
Aglomerasyon
• Aglomerasyon = Yüzey Küçültme
• =Topaklama
– Tane boyutu çok düşük
düşük, toplam yüzeyin
küçülmesi gerekli
– Yöntemler
Yö t l
• Briketleme
–
–
–
–
–
–
İ
İnce
tanelili cevher
h
Bağlayıcı katkı gerekli
Kalıba presleme ile topaklama
Plastik şekil alma yeteneği kullanılıyor
Yüksek sıcaklık kullanılabilir
Örnek briket hadde
Yumurta Briket Haddesi
a) Kömür-zift karışımı (karıştırıcıdan)
b) Dağıtıcı hazne
c) Besleyici
d) Hadde merdaneleri
e) Briket kömür
• Peletleme
– İnce taneli cevher veya konsantre
– Bağlayıcı gerekli
– Yuvarlanma ile topaklama
– Küre
Kü şeklinde
kli d pelet
l t oluşumu
l
– Cevher tanecikleri ile bağlayıcı arasındaki
kapiler kuvvetler
ş p
peletlerin p
pişirilmesi
ş
gerekli
g
– Oluşan
– Peletleme Makineleri
• Tepsi
• Tambur
Yeşil pelet üretim süreci
Islatma
Bağlayıcı
Köprü Oluşumu
Cevher
Kapilar köprüler
Yeşil pelet
• Sinterleme
– İnce ve kaba tane boyutu beraber
– Topaklanma kısmi yüzey ergimesi ile
– Tane boyutu sinter sonrası kırma ile
belirleniyor
– Basınçlı veya emme sinterleme
SO2 (% Hacim )
Ateşleme
Besleme
Band uzunluğu
Baca Gazı
Basınçlı Hava
Girişi
Gaz Dolaşımlı Basınçlı Sinter Bandı
Sinter Sonu
Sinter Başı
Baca gazlarında SO2 değişimi
Band uzunluğu 21 m
Band eni 2 m
Ateşleme Fanı
Ateşleme fırını Fırın kapağı
Gaz temizleme
Su soğutma
Ana Fan
Si
Sinter
kavurma
k
Baca gazı fanı
Ateşleme
ş
fırını
Ateşleme katmanı
Baca yyolu
Sinter katmanı
Kaba sinter
Emme ile ateşleme
Basınçlı sinterleme
Kurşun konsantreleri için sinter kavurma
İki il Metal
İkincil
M t l Kaynakları
K
kl
• İkincil metal kaynakları Hammaddeler
– Metal üretimi sırasında çıkan atıklar
• Cu
Curuf
u
• Oksit
• Tufal
– Metal işleme sırasında çıkan atıklar
• Talaş
• İşleme hurdası
–K
Kullanım
llan m ömrü
öm ü sonunda
son nda çıkan
ç kan atıklar
at kla
• Hurda (otomobil, gemi v.b.)
• Akü,
k pill
• İkincil metal kaynakları
– İşletme içi
• Bileşimi
eş
tamamen
ta
a e be
belli
– İşletme dışı
• Parça hurdalar
• Kompozit hurdalar
– Ayrım gerekli
™ Kırma (kırıcı, öğütücü, kesici)
™ Ayırma (elek, siklon, merkezkaç, el ile ayırma,
manyetik ayırma
™ Temizleme (yıkama, toz arıtma)
Çinko
Ç
o Cu
Curuf
u
Hurda
u da Bakır
a
Hurda Pil ve Akü
Çelik Hurda
M t l ji
Metalurji
• Amaç metal kazanımı
– Yöntem Metalurji
• Hammaddeden
a
addede metale
eta e g
giden
de p
proses
oses ve
e ad
adımları
a
1. Cevher (hammadde) hazırlama
2. Saf Metal Kazanımı
1. Cevher için redüksiyon
2. Hurda için ergitme
3 Rafinasyon
3.
4. Şekillendirme
– Hammadde cevher veya hurda
• Her ikisi için de metal üretim adımları aynı veya
benzer
H mma dd
Ha
dde (Cevher
(C h Çıkarma
Çk
)
Toplama ve Hazırlama
Metal Kaza nımı (Meta lurji)
Meta l Şekillendirme
• Metalurji
– Cevher, hurda, atıklar genel hammadde
• Metal
eta kazanımı
a a
• Saflaştırma
• Şekillendirme
– Bu anlamda Metalurji 3’e ayrılır
1 Metal kazanımı ve rafinasyon
1.
2. Döküm (ilk şekillendirme)
3 Şekillendirme (katı şekillendirme
3.
şekillendirme, ikincil
şekillendirme)
Metal üretimi ((Elektrik ark fırını))
Döküm (çelik döküm)
Şekillendirme (sıcak haddeleme)
• Günümüz gelişmeleri
– Enerji tasarrufu sağlamak
• Daha
a a düşük
düşü elektrik
ee t e
enerjisi
e js
• Daha düşük miktarda redüktant kullanmak
– Ayrı proses adımlarını birleştirerek üretmek
• Ör: rafinasyon ve döküm adımlarını birleştirmek
– Döküm sırasında argon üflemek
• Döküm ve şekillendirme adımlarını birleştirmek
– Döküm
ö ü Hadde
adde
– Son ürün boyutlarını hedefleyerek üretmek
• Thixoforming
• İnce döküm
• Yaklaşık 100 yıl önce Metalurji
– Demir
Dışı
Metaller
Metalurjisi
ve
Demir Ç
Çelik Metalurjisi
j olarak ayrılmış
y
ş
• Aslında böyle bir ayrıma bilimsel olarak gerek yok
• Ayrım nedenleri
– Üretim miktarlarındaki
– Proses adımlarındaki farklılık
• Metal Kazanım Prosesi
– Hammadde Hazırlama
– Redüksiyon ile Metal Kazanımı
– Rafinasyon ile saflık arttırma
• Metal üretimi sırasında Yan ürünler Oluşur
– Gazlar
– Tozlar
– Curuf
– Atık
At k S
Su
– Çamur gibi
• Bu ürünler
– Atık (çevre emisyon faktörleri)
• Aluminyum
u
yu ü
üretiminde
et
de kırmızı ça
çamur
u
– Yan ürün
• SO2 içeren gazlardan H2SO4 üretimi
• Curuf yol dolgu malzemesi
• Metalurji
– Hidrometalurji
• Su
Sulu
u bir
b ortamda
o ta da düşük
düşü ile
eo
orta
ta ssıcaklık
ca
a
aralığında
a ğ da
–
–
–
–
–
–
–
Liç (çözümlendirme)
Solvent Ekstrasyon
Elektroliz
Selektif Kristalizasyon
Filtrasyon
Çöktürme ((sedimentasyon
sedimentasyon))
Yoğunluk
oğu u ayrımı
ay
• Pirometalurji
– Sıvı (ergiyik
(ergiyik)) bir ortam ile
200--300 °C-2000 °C ve üzeri sıcaklıklarda
– 200
• Vakum – Destilasyon
• Kalıntıların selektif oksidasyonu
• Selektif kristalizasyon
• Selektif oksidasyon
• Segregasyon
• Fiziksel ayrım (filtrasyon
(filtrasyon,
filtrasyon, merkezkaç)
• Gaz giderme
• Pirometalurji
– Curuflar
• Sıvı
S h
halde
ld (Ergitilmiş)
(E itil i ) Ok
Oksit
it karışımları
k
l
– Büyük oranda silikatlar
– Halojenler
– Fosfat
– Sülfür veya sülfat
– Bor bileşikleri
• Sıvı halde yoğunluğu 33-4 g/cm3
• Önemli
Ö
li özelliklerinden
ö llikl i d viskosite
i k it (akışkanlık)
( k k l k)
• Elektrik iletkenliği (10-4 m/
m/Ω
Ωmm2)
• Görevleri
– Metal gang ayırımı
– Metalden istenmeyen elementleri ayırmak (S, P, As
v.b.)
– Metal yüzeyini örtmek
™ Gaz çözünmesini engellemek
™ İzolasyon
ALÜMİNYUM
Ü İ
• Alüminyum %8 yer kabuğunda en fazla
rastlanan 3. element
• Demir Çelik Malzemelerinden sonra en
fazla kullanılan Metal
• Dünya üretimi 1998’de 22,7 Milyon ton
• İlk kez Alüminyum Saf Me.
Me. Wöhler
1827’de saf olarak üretmiş
• 1825’de
1825 de ise Örsted düşük saflıkta üretmiş
(ilk Al)
• 1854’de ise Deville kg. civarında üretmiş,
• 1855 Dünya fuarında sergilenmiş
• 1886’da Alüminyum Elektrolizi Amerika’lı
Hall
H ll ve Fransız
F
Herolt
H lt eş zamanlıl olarak
l k
geliştirmiş. Bu yüzden günümüzde HallHallHeroult işlemi olarak bilinir
• 1888’de Bayer yöntemi geliştirilmiş
• Bu şekilde kitle üretimi mümkün olmuş
• 1885’de 200 t.
t dan başlayarak 1930’a
537.000 t.’a ve 2003 itibarı ile 28 Milyon
ton’a çıkmıştır.
• Alüminyum Oksijene çok afin bir element
• Buna rağmen korozif ortamlara çok
dayanıklı
• Korozyona karşı direnci
–
–
–
–
Birkaç molekül kalınlığında
Sert ve sık örgülü
Saydam oksit tabakası
Saniyenin 1/10 kadar zamanda oluşuyor ve
yavaş büyüyor
– Ayrıca
A
bu
b oksit
k i elektrokimyasal
l k ki
l olarak
l k da
d
oluşturulabilir ((eloksal
eloksal kaplama yöntemi)
• İnsan Sağlığına etkisi yok.
Alüminyum
y
fiziksel özellikler
Koordinasyon Sayısı
13
Atom Ağırlığı
26,98g/mol
Yoğunluk
2 699g/cm3
2,699g/cm3
Ergime Sıcaklığı
Buharlaşma Sıcaklığı
660°C
2493°C
Elektriksel İletkenlik (20 °C)
Isıl İletkenlik
38MS/m
237W/mK
Hafif Metal
Düşük sıcaklık
Buharlaşması zor
Yüksek elek.iletkenlik
yüksek ısıl iletkenlik
Sertlik (HB)
15HB
Yumuşak
Çekme Mukavemeti
45kg/m2
Yüksek şekil
ğş
değiştirilebilirlik
Renk
gümüşi
Yansıtma özelliği
• Alaşımsız Alüminyum
– Ham Al Yarı ürün (parça döküm, extrüzyon ile
profil üretimi))
p
– Saf Alüminyum ve çok Saf Alüminyum
Elektrik Elektronik
Elektrik,
Aluminyumun
y
kullanım alanları
• Yoğunluk ↓ (Çeliğin Yaklaşık 1/3’ü)
– Taşınabilir konstrüksiyonlar (sahneler)
– Uçak Sanayi
– Denizcilik
– Araçlar
A l (Yakıt
(Y k t T
Tas. % 40)
• Saf Alüminyum
y
ççok ↓ Rel
Rel,, Rm.
Rm. ama
alaşımlama ile ↑
• ergime sıcaklığı ↓ bu nedenle kullanım
sıcaklığı sınırlı
• kullanım örnekleri
– Düşük yoğunluk
• Deniz
e
taş
taşıtları,
t a , Taşınabilir
aş ab sahneler,
sa e e , Araba
aba karoseri
a ose
ve motor (% 40 yakıt tasarrufu)
– Yüksek ısıl iletkenlik
• Arabalarda radyatör
– Yüksek elektrik iletkenliği
• Yüksek gerilim hatları (Cu
(Cu yüksek yoğunluklu)
– Kimyasal
Kim asal İnert
İne t yapı
ap
• Mutfak gereçleri (Al. folyo, içeçek kutuları)
– Yüksek oksijen afinitesi
• Çelik üretiminde desoksidant,
desoksidant, aluminotermi (Ti, Cr,
Cr,
V, Nb Al ile redükleniyor)
redükleniyor)
Dünyanın en büyük
b
k taşınabilir
b l sahnesi
h
Aluminyum
l
Basınçlıl Döküm
k
Aluminyum
l
Döküm
k
Motor
Ambalajlarda
b l l d Aluminyum
l
Aluminotermik yyöntemle redüksiyon
y
• ↑ şekil değiştirme yeteneği
• Sıcak, soğuk haddeleme, dövme,
ekstrüzyon, presleme
ekstrüzyon,
• Döküm yöntemlerinin tümüne yatkın
• Hemen hemen tüm alaşımlarında ergime
sıcaklığı 630 °C altında (pres döküm )
• Yüksek katılaşma aralığı
– Döküm hadde, Thixocasting
Aluminyum thixoforming
Yıllara g
göre Dünya
y aluminyum
y
üretimi
Dünya
y Aluminyum
y
Üretimi
• Cevherden alüminyum üretimi için önce
rafinasyon sonra redüksiyon
– Rafinasyon (gangın ayrılması için)
• Ürün rafine Al2O3
– Ergimiş tuz elektrolizi ile redüksiyon
• Ürün sıvı Al
Proses Şemaları
• Alüminyum üretimi için ergimiş tuz
elektrolizi kullanılıyor
– Fe veya Cu
Cu’a
a göre daha fazla enerji
– Enerji elektrik enerjisi
• Bu nedenle tesis ucuz elektrik kaynaklarına yakın
olmalı (baraj, nüklüer santral v.b.)
• Primer Al üretimi için hammadde boksit
• Boksit = alüminyum silikat mineral karışımı
• Büyük
y rezervler tropik
p bölgede
g
ve yüzeye
y
y
çok yakın
• Dünya Boksit rezervleri yaklaşık 200 yıl
• Boksit ismi Fransadaki Les Baux şehrinden
geliyor
• Boksit =Alüminyum Hidroksit +
korund (α-Al2O3) + Fe2O3 + TiO2 +SiO2)
• Boksitin Üç Tipi var
– Hidrarjillit (γ-Al(OH)3
– Böhmit (γ−AlOOH
AlOOH))
– Diasporit (χ-AlOOH
AlOOH))
– Ayrıca
A
korund
k
d (α-Al2O3)
Al2O3
SiO2
Fe2O3
TiO2
Uçucu
Bileşenler
Weipa (AUS)
55
1,5
13
2,6
25
Svertlowsk (RUS)
55
5
24
2,5
‐
Helicon (YUN)
53
3,5
25
2,5
‐
Gong Xian (ÇİN)
Los Pijiguosos
(VEN)
66
13
2
2
13
51
7
14
2
26
Kwakwaki (GUY)
59
6,5
6
3
26
Trelaway (JAM)
46
1
18
2,6
25
Jari (BRE)
59
7,5
2
1,8
31
Buke (GUI)
53
2,2
13,9
3,4
27,5
• Daha çok tropik iklimlere ait rezervler var.
• Yeryüzüne çok yakın 66--8 metrelik kalın
katmanlar şeklinde
• Pas kırmızısı renginde ((Fe
Fe içerinden dolayı)
• Üretim hedefi Fe içeriğini ayırmak
• Boksit konsantre gerektirmiyor
• Kırma ile önce 2020-50 mm küçültülüyor
– kaba kırma çekiçli veya çeneli kırıcılar kullanılıyor
• Öğütme
ğ
– bilyalı veya çubuklu değirmen ile son tane boyutu
için kullanılıyor
• Tane boyutu ve dağılımı
– Boksit çözünürlüğünü
– Kırmızı ççamurun ççökelme durumunu
– Çözümlendirme tanklarındaki erozyonu belirliyor
• Çok ince tane boyutu olmamalı
– Enerji artıyor
– Çok ince SiO2 çözeltiye geçiyor
• Öğütme sonrası yıkama ince kil
minerallerini
i
ll i i ayırmakk iiçin
i
• Boksit hazırlama ve çözümlendirme
– Al2O3 fabrikasında
– Güçlü gemiler ile boksit taşınabiliyor
– Ama maliyetli
– Diğ
Diğer yandan
d
• Hammaddenin boksit değeri ile me değeri farklı
• Me değeri kazanmak lazım
Dünya Al2O3 Üretimi (2002, %)
• Döngü çözücü ile yaş öğütme
• Tane boyutu boksit çözünme kapasitesine
bağlı
• Öğütülen boksit süspansiyonu depolanıyor
– SiO2 için çöktürme için gerekli
– SiO2 oranı yüksek boksit için SiO2 ayırma var
• SiO2↑ →Al2O3↓ →NaOH
NaOH↑
↑
• SiO2 içeren boksit eşanjör ve otoklav
içerisinde kabuk oluşumu
• Ön SiO2 giderme ile reaktör çalışma ömrü
iki kat artıyor
• Boksit ççamuru buhar ile ısıtılıyor
y
– 6-10 h karıştırma
– Burada SiO2 Na
Na--Al
Al--Silikat olarak çözünüyor
• Max
Max.. Çözünürlük sonrası çöküyor
• Bundan sonra çözünmüyor
• Kırmızı çamur ile birlikte ayrılıyor
• Artan T, ince çözelti, artan Boksit miktarı
ile daha fazla SiO2 ayrılab²耀
ayrılab²耀ir
• Çözeltide son SiO2 en fazla 0.25
0 25 g/l olmalı
• SiO2 %6
%6--8’i geçiyorsa işlenmiyor (↑
(↑Al2O3
kaybı)
• Eğer SiO2 kristalin kuvars ise hiç çözeltiye
girmiyor (İnert
(İnert)) (çok avantajlı)
Bayer Yöntemi ile Boksit
Çö ü l di
Çözümlendirme
• Üç proses aşaması
– çözümlendirme
– kırmızı çamur çöktürme
– AlOH çöktürme
• Çözümlendirme sırasında (reaks
(reaks 3-3 ve 33-4)
– SiO2 giderilmiş boksit
– sıcak NaOH + CaO ile
• Alüminyum hidroksit oluyor.
– Proses değişkenleri T,
T NaOH – konsantrasyonu,
konsantrasyonu
basınç, mol oranı (K)
• K için Na2O şeklinde bulanan Na belirleyici
• K, çözümlendirme sırasında sürekli
düşüyor zira
düşüyor,
– organik mineraller ve boksitteki karbonatlar
• Boksit
B k i sodası
d
(N 2CO3) veya Sodalit
(Na
S d li
(Na4Al3Si3O12Cl) oluşuyor Na2O kayıpları
• Çözünme Hızı
– boksit tipi
– tane boyutu
– Çözümlendirme T
– Çözümlendirme
Çö ü l di
t
– Boksit yüzeyi
– Na2O konsantrasyonu
– Al2O3 konsantrasyonu
– Otoklavdaki karıştırma
Element
Fe
TiO2
Ga
Gittiği Yer
Sediment
Sediment/Prosesreaksiy
onu
CaO ile birlikte Bileşik
Çözelti içerisinde
V2 O 5
CaO ile birlikte Bileşik
SiO2
P2O5
Ç
Kırmızı Çamur
Kırmızı Çamur
Kırmızı Çamur
Kazanılıyor
Kırmızı Çamur
CaO ile birlikte Bileşik
Kırmızı Çamur
%25 Oxalat,
Oxalat karbonat olarak Kırmızı
çamurda
C (Organik)
%25 Gaz oluşumu (CO2,
(CO2 alkan vv.b.)
b)
% 50 çözeltide
• Boksitte
– emprüteler var
• çö
çözeltiye
e t ye geç
geçiyor
yo
– özel bir temizleme ile alınır
•Ç
Çöküyor
y
– Çöken katı çözelti (kırmızı çamur)
™ büyük bir atık sorunu
• Tam ayrım için çözelti bir döngü ile çalışıyor.
• Boru Reaktörü
– Tüm reaktör bir boru
– Isıtma için mantolanmış
– Çözelti
• 140 Na2O g/l
• membran pompalar ile
–
–
–
–
Turbulentli akış
Verimli ısı değişimi
Yüksek
ü se reaksiyon
ea s yo hızı
Tek yönde akış
• Membran pompa ile
• reaktöre 80 bar’a kadar basılıyor
• Sadece pompa çözeltinin hareketine izin veriyor.
• Giriş
– 8080-360 m3/h
– max.
max. 230 bar basınç var (pratikte max
max.. 100 bar)
• Basınç giderme ile kademeli olarak 1 bar
atmosfer basıncına kadar kadar ↓,
• Burada çözelti kaynamaya başlıyor ve
sıcak çözelti buharı reaktörün ısıtılmasında
kullanılıyor
kullanılıyor.
• Halen Dünyada Almanya, Çin ve
Avustralya’da boru reaktörü var
Boru Reaktörü Çözümlendirme
B
Boru
reaktörü
ktö ü
• Otoklav Reaktör
– Prensip boru reaktörüne benzer
– Süspansiyon boksit ve çözücü 80 °C de
• Otoklava pompalanıyor
• Seri bağlı reaktörlerde
– Önce gerekli basınç
– Sonra da sıcaklık sağlanıyor
ğ
y
• Basınç alma sonucu açığa çıkan ısı ısıtma için
kullanılıyor
Ot kl Çözümlendirme
Otoklav
Çö ü l di
• Bir çok reaktör ard arda birbirine bağlanmış
– Geçmişte küçük otoklavlar (karıştırma ve
ısıtmalı)) 25 adet
– Günümüzde genellikle büyük (karıştırmasız ve
ısıtmasız) iki adet
– Boru reaktörü ile karşılaştırıldığında
• Daha hantal
• Verim düşük
• Uzun
U
çözümlendirme
ö ü l di
süreleri
ü l i
• Tıkanmalar v.b. hatalar
Seri bağlanmış otoklav
Boksit
B k it çözümlendirme
ö ü l di
süreleri
ü l i
• Otoklavda çözümlendirme
– 3-5 saat
– 2 m3/t Al2O3 hacim gerekli
• Boru reaktörü ile çözümlendirme
– 5 dak
gerekli
– 0.1 m3//t Al2O3 g
Boru Reaktörü ve Otoklav Karşılaştırma
Boru Reaktörü
B ğ
Bağımsız
Reaktör
R ktö Sayısı
S
4
Toplam Uzunluk/Yükseklik
4 km
Çap
p
120 mm
İçç Ç
Toplam Hacim
45 m3
Proses Sıcaklığında Reaksiyon Süresi
5 dak.
Çözümlendirme Hızı
300‐340 m3/h
Kapasite
150000 t Al2O3
En Yüksek
k k Basınç
60 bar
b
Giriş Sıcaklığı
80 °C
Çözümlendirme Sıcaklığı
280 °C
C
Na2O/Al2O3 Mol Oranı
1.25‐1.3
y
Na2O Konsantrasyonu
135 g/
g/l
Otoklav
58
5‐8
<5 m
<3 m
250 m3
3 saat
80 m3/h
45000 t Al2O3
55 bar
b
80 °C
250 °C
C
1.25‐1.3
150 g/
g/l
• 10 K sıcaklık artışı ile
– Reaksiyon hızı 2.5 kat arttırılabilir
C de 40 dak
dak.. Çözünme
– 240 °C’de
– 275 °C’de 1.6 dak.
dak.
– Sıcaklık
S kl k artışı
t için
i i basınç
b
gerekli
kli
• Çözeltide Al2O3 değil [Al(OH)4]- iyonları var
• Atmosfer basıncına geri dönüldüğünde
– Yüksek [Al(OH)4]- konsantrasyonlarında
• Al
Al--hidroksit çökebilir
• Tıkanmalara neden olabilir
• Kırmızı Çamur Ayırma
– Çözümlendirme sonrası
• Sed
SedimentasyonSedimentasyon
e tasyo -yyıkama
a a prosesi
p oses
– Kırmızı çamur
• Bu ayrıma
y
–
–
–
–
K=1.35’lik çözelti geliyor
Zayıf çözelti (yıkamadan gelen) ile seyreltiliyor
K=1.6K=1.6-1.8 oluyor (Al
(Al--OH çökelmesini önlemek için)
Katı konsantrasyonu 50 g/l olarak ayarlanıyor
Kırımızı Çamur Yıkama
• Yıkamada
– Önce sıcak çözelti tikener’e veriliyor
• Filtre
t e so
sonrası
as te
temiz çö
çözelti
et e
en fazla
a a 40
0 mg/l
g/ katı
at
• Ayrılan ise 500500-700 g/l katı
• Ayrılan kırmızı çamur çözeltinin % 44--8
• Ayırma süreleri 1010-15 h
– İki kademe yıkama daha var
• En son vakum tambur filtreler ile ayrılıyor
• Filtre sonrası 11--2 t nemli k.
k Çamur
• Depolara yığılıyor
– Depolar tabandan izole
– Depo kapasiteyi doldurduğunda
– Nötr yyapılıp
p p yeşillendiriliyor
y ş
y
Boksit--Kırmızı Çamur Karşılaştırma
Boksit
Boksit
%
Ağırlık
Kırmızı Çamur
kg
%
1000
kg
400
Al2O3
56‐60
560‐600
15‐28
60‐112
SiO2
3‐6
30‐60
6‐15
24‐60
Fe2O3
2‐8
20‐80
5‐20
20‐80
TiO2
3
30
7.5
30
CaO
01
0.1
1
‐
‐
Na2O
‐
‐
4‐9
16‐36
Uçucular
30
300
10
40
K
Kırmızı
Ç
Çamur Toplama
T l
Alanı
Al
• Al
Al--Hidroksit Kristalizasyonu
y
– Kristalleşme için doymuş çözelti
• 90 °C
C’dan
dan 55
55--75 °C sıcaklığa soğuma ile
– Böylece AlAl-OH metastabil bölgeye geliyor
– Burada [Al(OH)
( )4]- iyonları
y
– %10%10-16 H2O içeren Al(OH)3. xH2O (katı) haline geliyor
• Kristalizasyon karıştırmalı
– Çökme olmasın ve
– En fazla kristalizasyon yüzeyi ile çalışmak için
– Kristalizasyonu hızlandırmak için % 80 Al(OH)3 geri gidiyor
™ Çekirdek oluşturucu
• Çok dikkat edilmesi gereken husus
– Çözelti hep instabil bölgede kalmalı
Kristalleşen
K i t ll
Al-Hidroksit
AlHid k it
Al--Hidroksit
Al
Hid k it Metastabil
M t t bil Bölgesi
Böl
i
• Karıştırmalı Kristalizasyon Tankları
• Kristalizasyon
– 2000
2000--4500 m3 hacimli çok büyük tanklarda
• İnce AlAl-OH disk filtrelerde ayrılıyor ve
çekirdek oluşturucu olarak kristalizasyona
geri gidiyor
• Kaba AlAl-OH tambur filtrelerde ayrılıyor,
kalsine veya depo
• Bayer yönteminin temelinde döngü prosesi
olması var
– Na2O
• Çözümlendirme
– Öğütme ile başlıyor
– K. Çamur yıkama ile sona eriyor
– Al(OH)3
• Kristalizasyon
• Çekirdek oluşturucu
B
Bayer
Yö t i d Çözücü
Yönteminde
Çö ü ü Döngüsü
Dö ü ü
• Al2O3 Kalsinasyonu
– AlAl-OH
• % 66-16
6 nem
e içeriyor
çe yo
• Bu nem ayrıca kristal suyunda (hidrat)
– Bu hali ile elektroliz mümkün değil
• HF
HF--gaz oluşturabiliyor (zehirli)
– Bu nedenle kalsinasyon
• Nem uzaklaştırılıyor
• Ürün
Ü ü saff Al2O3 oluyor
l
• 1000
1000--1300 °C aralığında kalsinasyon
• 2Al(OH)
l( )3+xH2O = All2O3 + (2+x)
(
) H2O
• Kalsinasyon için iki yöntem var
– Döner fırın (eski )
• İçi
ç refrakter
e a te kaplı
ap eğ
eğimli ve
eu
uzunluk
u u boyunca
boyu ca dönen
dö e
boru tipinde fırın
• Fırına üst bölgeden
g
AlAl-OH veriliyor
y
– Rotasyon ve eğim ile yavaş fırının alt bölgesinde kalsine
• Isıtma alt tarafta bulunan fuel oil veya LPG (NLP)
ile sağlanıyor
• Kalsine akışkan yatak bir başka döner fırında
soğutuluyor
ğ t l
Dö
Döner
F
Fırın Kalsinasyonu
K l i
• Döner fırında tozlaşma ve refrakter
aşınmaları var
• Döner fırın ekonomik değil ve sorunlu
– Fırın verimi düşük
– Refrakterlere termik yük geliyor
y
p
pahalı
– Bakım ve revizyonu
– Çok yer kaplıyor
– Al2O3 refrakterden gelen SiO2 ile kirleniyor
• Akışkan yatak (yeni)
• Enerji kullanımı daha düşük
• Daha da düşürmek ısı değiştiriciler ile mümkün
Akışkan Yatakta Kalsinasyon
• Akışkan yatak
– Bir taraftan verilen Al(OH)3 fırında akışkan
– Diğer tarafa ulaşıyor
– Burada siklon ile gazlarda ayrılıyor
• Siklon tarafından dışarı alınan sadece %3
• Diğeri akışkan yatakta dolaşıyor
• Dolaşımın
D l
nedeni
d i
– % 100 kalsinasyonun sağlanması
• Akışkan yatak özellikleri
– İnce taneli oksit
• Büyük
üyü reaksiyon
ea s yo yüzeyi
yü ey
• Düşük difüzyon mesafeleri
– Yüksek gaz ve katı hızları
• Yüksek ısı ve madde geçişleri
– Homojen sıcaklık
– Katı iyi karışıyor
• Alüminyumoksit (Al2O3)
– Kalsine Al2O3 (tonerde)
• Kuru
u u ve
e toz
to halde
a de
• %99 üzerinde saf
• Al üretimi için elektroliz
• Zımpara ve aşındırıcı
• Kimya sanayinde
• Refrakter üretiminde
• 33.98
98 g/cm3 yoğunluk
• 2053 °C ergime sıcaklığı
Kristalleştirme
Kalsinasyon
Kırmızı Çamur Ayırma
Elektroliz
Ga Kazanımı
Hazır Boksit
Liman
Boru Reaktörü
Sıvı Tuz Elektrolizi
ile Al Kazanımı
• Alüminyum Elektrolizi
• Kalsine ve saf Al2O3 den Me Al üretiliyor.
• Alternatif yöntem var ama uygulanmıyor.
uygulanmıyor
o NEDENLERİ
• Yüksek O2 afinitesi
• Oksidasyon reaksiyonu Ellingham diyagramında en
altlarda
• Karbon
K b il
ile redüksiyon
dük i
mümkün
ü kü değil,
d ğil zira
i AlAl-karbür
k bü
oluşuyor.
• Al3+ -Al için sulu çöz. Red
Red.. İçin standart pot.pot.-1,67 V
• Ayrıca Al2O3 suda çözünmüyor.
• Tek yyöntem Hall ve Heroult’un bulduğu
ğ yüksek
y
sıcaklıkta tuz çözeltileri ile uygulanan elektroliz.
• Hammaddeler
• Al2O3 (kalsine
kalsine))
• Elektrolit + Karbon AnotBloklar
• Elektrik Enerjisi
• Ürünler
Ü l
• Sıvı %99,6
, lık Al
• CO, CO2 ve F
F-- içeren gazlar
• Kullanılmış Elektrolit
• Sıvı alüminyum
• fiziksel (ve sıcaklık olmakla birlikte kimyasal)
yyöntemler ile rafine ediliyor
y
• alaşımlandıktan sonra levha, külçe veya bilet
şeklinde dökülüyor.
dökülüyor
• Kullanılan hurda Alüminyum
sınıflandırıldıktan
fl d ld k sonra tekrar
k ergitilip
i ili
kullanılabiliyor.
• Dünya Primer Al Üretimi
Orta ve Batı Avrupa (Almanya
%2 5 Norveç %4
%2,5,
%4,3)
3)
• Elektrolit
• Al’nin elektro kimyasal redüksiyonu için
• Al2O3 bileşiğinin
şğ
elektrolit içerisinde
ç
iyonik
y
hale
gelerek çözünmesi gerekli
• Kriyolit
yo t tuzu
tu u (Na3AlF6 ) sıvı
s v halde
a de elektrolit
e e t o t olarak
oaa
kullanılıyor.
• Yüksek İyonik iletkenliği var ve yüksek miktarda
Al2O3 çözebiliyor.
• 950
950--990 °C arasında (optimal 960 °C) sıvı
sı ı kriyolit
kri olit
• Kriyolit NF
NF--AlF3 sisteminde bir faz
• Elektrolizde AlF3 %10 fazla, düşük likidüs
sıcaklığı için
• NaF
NaF--AlF3 denge diyagramı
• İstenilen proses sıcaklığında çalışmak için
elektrolitteki Al2O3 miktarı %1%1-4 olmalı
• düşük Al2O3 oranlarında
•
•
•
•
•
istenmeyen anot reaksiyonları
anot efekti
F içerikli gazlar oluşuyor
yalıtkan bir tabaka oluşturuyor
ani akım yoğunluğu artışları meydana gliyor
gliyor,,
verimi düşürüyor.
• yüksek Al2O3 oranlarında
– Al2O3 hızlı çözünmüyor
– gerçi likidüs sıcaklığı düşüyor
– elektrolit kıvamı artıyor.
• Kriyolit
Kriyolit--Al2O3 denge diyagramı
Çalışma Bölgesi
• Elektrolite ilaveler var
• bunlar iletkenliği arttırıyor
• Ergime sıcaklığını ayarlamak için katılıyor
• İlavelerde dikkat edilmesi gereken
• istenmeyen
it
elementlerin
l
tl i redüklenmemesi
dükl
i
• İdeal İlaveler İçin
o Elektrolit yoğunluğu düşük olmalı (Sıvı
Alüminyum
Alüminyumy - Elektrolit Ayırımı
y
için)
ç )
o Metal Al çözünürlüğü düşük olmalı
o Tliq düşük olmalı
o Mümkün olduğu kadar Al2O3 çözünürlüğünü
etkilememesi
kil
i
o Elektrolitin Elektriksel İletkenliğini yükseltmesi
o Buharlaşma basıncını azaltması
• varolan ve halen kullanılan ilavelerde
• tüm koşullar sağlanmıyor
• problem Al2O3 çözünürlüğünü düşürmeleri
• En çok kullanılan ilave
• AlF3
• Tliqq ↓
•ρ ↓
• ilet
ilet.. ↓
• Al2O3 çöz. ↓
• CaF2
• ρ yükseltiyor
• Elektrolit için pozitif etki sağlıyor.
sağlıyor
• LiF
•
•
•
•
•
•
spesifik akımı düşürüyor
İletkenliği
ğ yyükseltiyor
y
Tliq düşürüyor
ama alüminyuma geçiyor
pahalı
alüminyuma geçmesi ile folyo için kullanılamaz
hale getiriliyor.
• Rafinasyonu çok zor. Bu nedenle kullanımı sınırlı.
• MgF2
• CaF2’den daha uygun özelliklere sahip
• ama bir miktar Alüminyuma geçiyor
geçiyor.
• NaCl
•
•
•
•
•
•
ρ düşürüyor
iletkenliği
ğ yyükseltiyor
y
ama elektrolit üzerinde oluşan kabuk daha sert
Ve HCL ve Cl2 oluşturuyor
oluşturuyor..
Problem arıtma ve korozyon.
korozyon.
Çok az kullanımı var.
• İlavelerin Elektrolit Özelliklerine Etkisi
Ergime Sıcaklığı
Yoğunluk
Elektriksel İlet.
Metal Çözünürlüğü
Buharlaşma Basıncı
• İlavelerin Etkileri
Al2O3
Çözünürlüğü
(Ağ. %)
Dinamik
Viskosite
İlave (Ağ. %)
İlave (Ağ. %)
İİletkenlik
(1/Ω cm)
Yoğunluk
(g/cm3)
(g/
İlave (Ağ. %)
İlave (Ağ. %)
• Elektrolit Bileşimi
• Tuz elektrolizi 4 Reaksiyon var
– Elektrolizin iyonlara ayrılışı
ün çözünmesi
– Al2O3’ün
– Katot reaksiyonu
– Anot
A
reaksiyonu
ki
• Temel Reaksiyonlar
Elektrolitin Ayrışması
Al2O3’ün elektrolitte Ayrışması
Katot Reaksiyonu
A tR
Anot
Reaksiyonu
k i
• Toplam Reaksiyon
Al2O3
(Elektrolit)
+ xC = 2Al + m CO2 +n CO
• Gerçekte bu kadar basit değil.
– Örneğin; elektrolitte Al3+ iyonları yok.
yok
– Aslında Al2O3’ün sıvı tuz içinde çözünmesi ile yük
ve madde
dd transferi
f i yapan iyonlar
i
l var.
– Tam olarak reaksiyon mekanizması bugün dahi
anlaşılmış değil
• Şematik hücre kesiti
C-Anot
Kriyolit Kabuk
Al2O3 feeding
Al2O3 kabuk
Elektrolit
SiC Tuğlalar
R f kt
Refrakter
Akım Barası (Dökme dem
C Manto
Çelik Banyo
• Akım karbon anot (Elektrolit içine giren )
•
•
•
üzerinden hücreye giriyor.
Hücre tabanı karbon ve katot görevini görüyor
, tabanda sıvı Alüminyum birikiyor.
Akım sıvı Alüminyumdan geçip C katota
ulaşıyor
ş y ve buradan hücreden ççıkıyor.
y
Doğru akım geçtiği sürece çözünen Al2O3’den
katotta sıvı alüminyum , anotta oksijen çıkışı
oluyor
• Bu O2 anottaki C ile CO2 oluşturuyor bu
•
•
şekilde anot harcanıyor.
Elektrolitteki F
F’dan
dan ise flor gazları çıkıyor
arıtma gerekli.
Elektrolit 950950-970 °C arasında sıvı olduğu için
bu aralıkta ççalışmak
ş
gerekli
g
• Burada elektrolit ρ=2,19/cm3 , Alüminyum ise
•
•
•
2,3 g/ cm3
Sıvı Alüminyum yüksekliği 1212-23 cm
cm,
elektrolit İse 18
18--25 cm
Katotta akım dökme demir baralar üzerinden
dışarı
ş çıkıyor
ç y
Dökme demir baralar C-taban altından çelik
temelin içerisine yerleştirilmiş.
yerleştirilmiş
• Al
Al--Elektroliz Hücreleri
• Katot için en uygun malzeme C
– iletkenliği yeterli
– Alüminyum ile reaksiyona girmiyor
– Buna rağmen 2000 günden sonra (5,5 yıl)
değiştirilmesi gerekiyor.
gerekiyor
– Zira zamanla Al4C3 oluşuyor veya erozyon ile
aşınıyor.
• Anot
– Al2O3
– katılaşmış elektrolit ile kapatılıyor
– böylece sert bir kabuk oluşuyor
–b
bu kabuk
k b k ısı iizolasyonu
l
sağlıyor.
ğl
• 750
750--1 ton ön sinterlenmişş anot bloklar
kullanılır.
• Her hücrede 20
20--30 ikili sırada anot blok
var.
• Anot %75%75-80 kullanıldıktan sonra
değişmesi gerekiyor.
– (20(20-30 gün sonra değişim)
• Anot artıkları yeni anot üretiminde
kullanılıyor.
• Çıkan O2 gazı
– anot gazını %10 CO+%90 CO2 oluşturuyor
• Al2O3’ün periyodik olarak ilave edilmesi
gerekiyor
g
y
• Kriyolit çalışma sıcaklığında
– %10’a kadar Al2O3 çözelebiliyor.
• %2
%2--5 arası hedefleniyor.
hedefleniyor
– Düşük Al2O3 aralarında anot efekti (ani gerilim
artışı)
t ) oluşabiliyor.
l
bili
• Nedeni CxFy gazların anot yüzeyini izole etmesi.
– ↑ Al2O3 aralarında ise elek. direnci ↑, ve Al2O3
çözünürlüğü ↓
• En iyi çözüm Al2O3’ü hücre gerilimine göre
gerekli miktarda
– otomatik beslemek
• Hücre tabanında toplanan Alüminyumun
– 1-2 günde boşaltılması gerekiyor.
• Buu şe
şekilde
de gü
günlük
ü 180
80 kA’lik hücreden
üc ede
– 1300 kg. Alüminyum kazanılıyor.
• Genelde
G
ld bir
bi çokk hücre
hü
serii bağlanıyor
b ğl
– akım baralar ile hücrelere seri veriliyor.
(yukarıdan)
• Side by side hücreler ile
– düşük AnotAnot-katot mesafesi
– Düşük çalışma gerilimi
• Gelişmeler
– hücreleri büyütmek
ğ
ğ
yyükseltmek
– akım yyoğunluğunu
– emisyonları düşürmek
Baca gazı yönü ve flor absorbsiyonu
Al2O3 İlavesi
İ
Elektrostatik Ayrım
y
Baca Gazı
Siklon filtre
Elektrostatik filtre
Toz
Baca Gazı
Elektroliz Hücresi
Toplam Kapasite [t/yıl]
Hü
Hücre
dü
düzenii
Hücre Sayısı
ücre Boyutları
y
Hücrede anot Sayısı
Akım (kA)
Hücre gerilimi
• 4 birim boksit
– 2 birim Al2O3
• 1 bbirim alüminyum
aü
yu
• Birimler ağırlık
• Sıvı Al işlenmesi
– Hangi yöne gideceği alaşıma bağlı
• (dö
(dövme(dövme
e-dö
döküm)
ü )
– Alaşımlama
– İkincil Metalurji
– Döküm
• Kriter alaşım elementleri özellikle Si
• Döküm alaşımları
– Yüksek miktarda alaşım elementleri
• (S
(Si,, Cu, Mg,
g, Zn))
– AlSi7Mg, AlSi12, AlSi6Cu, AlZn5Mg
– Motor parçaları
parçaları, kapı kasaları,
kasaları tavalar mutfak
aletleri, jantlar
• Dövme ve hadde alaşımları
– Düşük Al elementleri (Mn, Mg, Cu, Ni, Zn, Si,
Fe))
– AlMn2Mg1, AlSi1Mg, AlCuMg, AlZnMgCu
– İçecek kutuları
kutuları, ambalaj,
ambalaj folyo,
folyo extruzyon,
extruzyon
profil, iletkenler v.b.
Sıvı Al emprüteler içerir
•Ç
Çözünmüşş halde
– genelde H
• Nem
• Ortam
• Nemli alaşımlar
– Na, Li, Ca da olabilir
• Katı halde
– Endogen (sıvıda Al2O3 oksiti veya MgO)
– Exogen
• Karbürler (elektrolizden)
• Aşınma ile gelen refrakter parçaları
• Kalıntı boyutları
– Birkaç μm ile birkaç mm arasında
– Genellikle birleşiyor (aglomere)
• İstenilen malzeme özellikleri için
giderilmeli
– Gaz için vakum
– İnert gaz ile
• H inert gaz kabarcığına gidiyor
• İçinde molekül oluyor
– İnert
İ t gaza Cl ilavesi
il
i ile
il
• Çözünmüş alkaliler için (Na, K)
• Sıvı Alüminyuma (döküm veya tutma fırınında)
– Yüzeydeki Al2O3 karışmamalı
• Ziraa ρ Al2O3 ~ ρ Al oolduğu
duğu için
ç çö
çökmüyor,
üyo , Al ile
e
katılaşıyor
• Dökümöncesi filtre gerekli
g
– Köpük seramik filtreler
• Çelik kesintisiz (sonsuz boy) sürekli
dökülür
• Al ise sürekli değişen alaşım bileşimi
nedeniyle kesintili dökülür
• Hadde veya ekstrüzyon kütükleri için dikey
sürekli döküm kullanılır
– Kokil (primer soğutma)
– Su soğutmalı AlAl-ring
– Katılaşma
K tl
kokil
k kil içinde
i i d ve döküm
dökü tablasında
t bl
d
– Tabla dikey aşağıya hareketli
– Kalıpta indirekt soğutma var
– Direkt soğutma kalıptan akan su ile
• Üretim hurdası ve kullanılmış Al
hammadde
– İkincil Al kaynakları
– Artan Al üretimi ile artuyor
– Primer
Pi
üretime
ü ti
göre
ö daha
d h ekonomik
k
ik üretim
ü ti
– Enerji (1 ton primer Al ) = Enerji (20 ton
recycling Al)
R
Recycling
li
• Recycling en çok AB, Japonya ve ABD +
Kanada
– Zira kullanım ve hurda kaynakları en fazla
• Recycling hammaddeleri
– Hurdalar
– Al içeren endüstriyel yan ürünler
• Hurda üretim ve tüketim sırasında oluşuyor
– İlk tasnif
™ Yeni hurda
™ Eski hurda
• Döküm Alaşımları
– Yüksek alaşım oranları
Si, Cu
Cu, Mg,
Mg Zn
– Alaşım elementleri Si
– Çok farklı katkılar var (örneğin Fe)
– AlSi7Mg,
AlSi7M AlSi12,
AlSi12 AlSi6Cu,
AlSi6C AlZn5Mg
AlZ 5M
– Kalıp veya basınçlı döküm
• Motor parçaları, jant, kapı kasaları, tavalar
– En fazla Si var
• Gidermek ekonomik dağil
– Döküm hurda döküm alaşımı olarak
• Hadde ve dövme alaşımlar
– Yüksek alaşımlı değil
Mn Mg,
Mg Si,
Si Cu,
Cu Zn
– Mn,
• Ayrıca Fe ve Li da var
– Yine hadde ve dövme alaşımlar olarak
• Üretim Hurdaları
– Üretim sırasında % 30 hurda çıkıyor
• pa
parça
ça dö
döküm
ü
• Hammade işlerken
– Genellikle iç hurda olarak değerlendiriliyor
– Büyük parça hurda ve analizi belli
–P
Primer
i
Al üretiminde
ü ti i d soğutucu
ğ t
olarak
l k
– Extern hurdalar
• Üretim artıkları
• talaşlar
• Eski hurdalar
– Al içeren malzemeler
• Yapılar
ap a
• Konstrüksiyonlar v.b.
– Toplama hurdalardan paket hurdalara kadar
çeşitli
– Kablolar ve tel hurdalar
• Kablo tel işlemeden gelen
• İnce
İ
kkesilmiş
il i granül
ül hurda
h d
– Paketleme
• En büyük problem çok farklı alaşım tipleri var
• Kirlenme çok fazla
• Tasnif için farklı yöntemler var
• Elle veya akışkan yatakta ayrım
– Ergitilen Hurda Al primer Al ile seyreltilebiliyor
• Talaş huradalar
– Kesme ve işleme sırasında çıkan hurda
– Çok farklı bileşimde
– Genellikle çok kirli
• Curuflar
C fl (Al içerikli)
i ikli)
– Ergitme,
g
, döküm,, alaşımlama
ş
sırasında açığa
çğ
çıkıyor
• Toplama ve ergitilmiş hurda
• Rafinasyon fırınında AlAl-recycling
– Döküm ve çok farklı Al alaşımların yüksek
kalitede Al döküm alaşımlarına
ş
dönüşümü
ş
için
ç
– Al hurda kırma ile ufalamadan sonra
• Organik (boya,
(boya vernik,
vernik plastik ve yağ)
komponentlerden arındırılıyor
• Bu yönteme Pirolüz adı veriliyor
• Pirolüz= Oksijen atmosferinde kontrollü termik
ayrışma
y ş
• Organik komp kurum oluyor
• Buu sıcaklıkta
s a
a metalde
e a de herhangi
e a g değ
değişim
ş yo
yok
• Remelter
• Daha temiz, düşük alaşımlı, dövme veya
hadde hurda kullanılıyor
• Genellikle büyük miktarda tasnifli hurda
– Benzer veya aynı kim. Bil.
– Hurda tasnifi ekstra maliyet
• Hurda kırılıyor
• Ergitmeye uygun paketleme
• Genellikle çok kamaralı fırınlar var
– Ön ısıtma ile pirolüz
• Döner fırın
• Potalı induksiyon fırınları
• Yolluklu induksiyon fırınları
– Rafinasyon için
• Sıcak tutma fırınlarına
• Döküme
• Rafinasyon inert gaz ve filtreler ile
• Yatay fırın
• En önemli özelliği baca gazlarının hurdayı
ön ısıtması
– Ergitme
– Sıcak tutma
– Ve
V öküm
ökü fırını
f
ile
il kombine
k bi edilmiş
dil i
– Bu nedenle devrilebiliyor
– Sabit ama metal yolluklu olanları da var
• Fırına şarj bacadan
• Ön taraftan da şarj mümkün
– Kuru talaş hurda
– Büyük parça hurda v.b.
• Fırın devrilerek boşaltılıyor
• Isıtma iki brülör yardımı ile
• Fırına şarj edilen hurda ergitiliyor
– Ergime sonrası tutma havuzuna
• Gaz çıkışı 500 ºC
– Bacadan şarj edilen hurda ön ısıtılıyor
• Organik komp. Yanıyor
• Fırının ısıl verimi % 50
• 2 t/ht/h-3 t/h verim var
• Çift Hazneli Fırın
•Ç
Çok hazneli fırın tiplerinden
p
• Az alaşımlı veya az kirli hurdalar için
• Çift Hazneli Fırın
1- Şarj Kapağı
2- Şarj Haznesi
3456-
Ana hazne
Sıvı Al
Sirkulasyon fanı
Brülör
7- O2 girişi
8- Yakıt girişi
g ş
9- Yanma haznesi
10- O2 ölçüm sondası
11- İşlem
ş
kapağı
p ğ
12- Sıcaklık Ölçümü
13- Kirli baca gazı
14- Temiz baca gazı
14
• Döner Tambur Fırın
• Çok karışık ve kirli hurdalar için
– Tuz ile ergitme
– Fırının dış tarafı silindir çelik kaplama
– Döner ve yatay pozisyonda
• Dönme iki büyük yatakta
– İçi refrakter tuğla ile örülü
dev /dak ile dönüyor
– 1-8 dev./dak
– Tek şarj yapılıyor (10(10-60 ton)
– 6-7 ton/h
t /h
Döner Tambur Fırın
• Isıtma alın yüzeyden
– Brülör (d. Gaz, fuel oil, hava)
• Şarj brülör kapağından
– Brülör kapağı yerine karşı alın yüzeyden
• Verim artışı için
• Oksidasyonu
y
düşürmek
ş
için
ç alev endirekt
– Isı dönerken tuğlalardan alınıyor
• Isıl verim % 35
• İzolasyon+hava yerine saf O2 ile verim % 70
• Baca gazları 950 °C
• Fırın gazları çok tozlu ve kirli
– Kullanılmıyor
– Me partikülleri
– Bileşimi Cl, HF, F, C (organiklerden)
– Yanda
Y d çıkış
k yolluğu
ll ğ
• Önce Al
• Sonra curuf
• Devrilebilir Döner Fırın
– Isıtma oksijen alevi ile
– Çok düşük miktarda tuz ile izabe
• Düşük tuz ile curuf kek şeklinde ve katı
• Dibe çöküyor
• Fırından almak için devirmeli
– Çok kirli Al için
• Örneğin Al’ca zengin curuf atıkları v.b.
– Kapasite yaklaşık
kl k 2 ton
Devrilebilir Döner Fırın
Devrilebilir Döner Fırında şarj
• Tuz Curuf
• Al hurdaların ergitme işleminde
– curuflaştırıcı
• Fırın atmosferinin sıvı Al’yi oksitlemesini önlüyor
• Kalıntıları çözüyor
• Sıvı Al’yi temizliyor
– Bileşimi
ş
: % 70 NaCl+
NaCl+ % 30 KCl
• Katkı olarak
–%3
3--5 CaF2 ((Fluşpat
Fluşpat)) ((kriyolit
kriyolit de olur)
• TF= Tuz Faktörü
– TF 0,50,5-1,5
300--500 kg tuz/t Al
– 300
TuzMiktarı
TF =
Al Hurda − AlErgitmesonrası
– TF=f(kalıntılar
TF f(kalıntılar, spesifik yüzey alanı)
– Pratikte kalıntı ağırlığının 0,8
0,8--1,2 katı tuz gerekli
– Hurda
H d ne kkadar
d küçük
kü ük ve ne kadar
k d oksitli
k itli ise
i tuz
t
o kadar önemli
mTuzCuruf
100 − η Al
= m AlHurda
⋅ TF
100
• Al’nin yüksek oksijen afinitesi
– Yüzeyde oksit tabakası
– Tuzun görevleri arasında
• Yüzeye yapışık kirlilikleri çözmek
• Al sıvı damlaların koagulasyonunu sağlamak
• Sıvı üzerini örtmek (oksidasyonu önlemek)
• Tuzun özellikleri
– Fırın refrakterleri ile reak. Olmamalı
– Kolay bulunmalı
– Ucuz olmalı
– Termokimyasal
T
ki
l stabilite
t bilit
– Yüksek termik stabilite
– Düşük parçalanma gazlaşma
– Yoğunluk farkı yüksek olmalı
– Düşük vizkozite
– Optimum
O ti
yüzey
ü
gerilimi
ili i
– Yüksek kalıntı çözünürlüğü
• Al kayıpları
– Tuz curufta Al çözünürlüğü
• Ço
Çok düşük
düşü ihmal
a edilebilir
ed eb
• Al NaCl veya KCl’de çok az çözünüyor
– Kimyasal dönüşümler ile
• Termodinamik olarak Cl tuzları ile yok
• Flor tuzları ve Mg içeren hurdada kayıplar var
– Çok kirli curuflarda Me kayıpları
• Özellikle
Ö llikl nemlili malzemede
l
d
– Alaşım elementleri Al kayıplarını etkiliyor
• Zn dışında hepsi
• Cu, Sn ve Fe
– Al ile tuz arasındaki yüzey gerilimini azaltıyor
• Mg ile kayıplar kimyasal dönüşümler ile
• Sıvı Al
• İkincil kaynaklardan kazanılan Al
– Sürekli döküme
– İngot döküme
– Bunlar için taşıma mümkün (100(100-500 km)
potalara 800800-900 °C
– Sıvı Al p
• 10
10--15 °C/h ile soğuyor
• Soğuma
ğ
hızı ççok düşük
ş
Al Problemleri
• Al elektrolizi için kullanılan akım şiddeti
15 kA/hücre
• Hücre gerilimi 6,5
65V
• Hücre tabanında sıvı Al yüzeyi 150x250 cm
max sıvı yüksekliği
ğ 2 cm
• Fabrika gücü 10 MW
• Bir hücreden günlük bir kez döküm
alınıyor.
l
• Böyle bir işletmenin günlük üretim
kapasitesini hesaplayınız
• Alüminyum elektrolizinde açığa çıkan O2
anotta C ile reaksiyona girerek %85’i CO
ve % 15’i
15 i de CO2 oluşturuyor.
• Günlük Al üretimi 181,4 kg/ hücre’dir.
• (Al: 27, O:16, C:12 g/mol
g/mol))
• Reaksiyonları yazınız
• Günde kullanılan Al2O3 miktarını
p y
hesaplayınız
• Günde açığa çıkan CO ve CO2 miktarlarını
Nm3 cinsinden hesaplayınız
• Al üretimi için aşağıda analizi verilen boksit
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
kullanılmaktadır
Cevher otoklavda NaOH ile çözümlendirilerek
Sodyumalüminat çözeltisi oluşturulmaktadır.
Ç
Çıkan
kan kırmızı
k m çam
çamurun
n anali
analizii verilmiştir.
e ilmişti
Boksitteki tüm Fe2O3 ve SiO2 kırmızı çamura
geçmektedir.
g
ç
SiO2 ise Al2O3.Na2O.3SiO2.9H2O şeklinde bağlıdır
Çözeltinin K değeri 1.5’dur
SORULAR
Kırmızı çamur miktarını (kg/ton boksit)
SiO2) bileşiği ile meydana gelen Al2O3 kayıplarını
(boksit içerisindeki Al2O3 %’si olarak)
Kırmızı çamurdaki toplam Al2O3 kaybı ve boksit
içerisindeki
i i i d ki All2O3 %’si
%’ i
1 kg SiO2 ile kayıp NaOH ağırlığı
Toplam NaOH kaybını hesaplayınız
Boksit
analizi
%
Al2O3
58
Fe2O3
6
SiO2
4
TiO2
2
H2O
30
Kır.
Çamur
analizi
%
Al2O3
26
Fe2O3
21
Na2O
4
Download
Random flashcards
canlılar ve enrji ilişkileri

2 Cards oauth2_google_d3979ca9-59f8-451c-9cf7-08c5056d5753

Merhaba

2 Cards oauth2_google_861773e1-0890-4522-834a-6a5babb58e76

qweeqwqwe

5 Cards oauth2_google_78146396-8b44-4532-a806-7e25cc078908

321işletme

2 Cards oldcity

KALPTE İLETİM NOKTALARI

3 Cards oauth2_google_cfd2531f-f18a-45fd-9d97-afe31596ce7b

Create flashcards