ابداع در فناوری تولید آلومینیوم

[XMEHRDADX 7514]

نخستين فناوري كه براي توليد آلومينيوم اوليه استفاده مي‌شد، فرآيند Hall-Heroult نام داشت كه در سال 1886 ابداع شد، اما اين روش بتدريج تكامل يافته و كارآمدي آن افزايش پيدا كرد. اين تغيير و تحول امروزه ادامه دارد و در حقيقت گام‌هاي راسخي ظرف چند سال آينده برداشته خواهد شد تا پيشرفت‌هاي بيشتري حاصل شود.

 

فناوري شركت ريوتينتو آلكان نشان‌دهنده پيشرفتي است كه در فناوري ذوب آلومينيوم از نظر افزايش ميزان بهره‌برداري و بهبود كارآمدي آن به‌دست آمده و «باتري يا بوته‌هاي سري AP18» و AP30 اين شركت با 180 كيلوآمپر تا 380 كيلوآمپر قابل بهره‌برداري است و بيش از 6 ميليون تن در سال ظرفيت جهاني توليد آلومينيوم از تكنولوژي AP استفاده مي‌كند.

 

سال گذشته 4554 بوته سري AP30، حدودا 4/4 ميليون تن توليد آلومينيوم اوليه يا 10 درصد توليد جهاني آن را به خود اختصاص داده است.

 

شركت ريوتينتو آلكان هم‌اكنون مشغول آماده‌سازي و به‌كارگيري آخرين تكنولوژي از اين سري، يعني AP60 در يكي از واحدهاي ذوب آلومينيوم خود در ايالت كبك كانادا است.

 

مجوز براي فاز اول بازسازي در دسامبر اخذ شده كه تا سال 2013 قرار است، 38 باتري AP60 با 60 هزار تن ظرفيت در سال ساخته شود. فاز اوليه، شامل ايجاد زيرساختار لازم براي فازهاي بعدي خواهد بود كه كل ظرفيت ذوب را به 460 هزار تن در سال خواهد رساند.

 

AP60 نتيجه دو دهه تحقيق و مطالعه است كه در وهله اول نشان داد كه بهره‌برداري از باتري با بيش از 500 كيلوآمپر ميسر بوده كه به‌دنبال آن به AP50 به‌عنوان يك فناوري اقتصادي براي بهره‌برداري از 500KA تكامل پيدا كرد. در حال حاضر به اين فناوري با تكامل بيشتر به AP60 تبديل شده و هدف نهايي اين است كه در «اولين نسل بوته‌ها» جريان برق به 570 كيلوآمپر رسيده و در نسل دوم به 600 كيلوآمپر افزايش پيدا كند. اين سيستم سكويي براي پرتاب نسل‌هاي آتي فناوري AP خواهد بود.

 

گفته مي‌شود كه فناوري AP60 براي بهبود عملكرد در صنعت توليد آلومينيوم گام جديدي خواهد بود كه اين تغيير و تحولات در زمينه‌هاي زير هستند: هزينه‌هاي پايين‌تر سرمايه‌گذاري به ازاي هر تن توليد، بهبود بهره‌وري كار و كاهش هزينه‌هاي بهره‌برداري، كوتاه‌تر شدن زمان ساخت، راه‌اندازي و برنامه شروع كار براي يك ظرفيت مشخص.

 

توليد فلزات آلومينيوم در هر بوته (pot) در سيستم‌هاي AP30 حدود 40 درصد (3/4 تن در هر روز) در اولين نسل بالاتر خواهد بود كه در نسل دوم به بيش از 5/4 تن در روز خواهد رسيد.

 

مصرف خاص انرژي به ازاي هر تن آلومينيوم توليدي در نسل اول 3/13 مگاوات در هر ساعت خواهد بود كه انتظار مي‌رود در نسل دوم به زير 13 مگاوات ساعت تنزل پيدا كند.

 

سرمايه‌گذاري در واحد ذوب كبك كانادا، بخشي از پروژه طرح توسعه و مدرنيزاسيون وسيع واحدهاي ذوب ريوتينتو آلكان در كانادا است. حدود 758 ميليون دلار در فاز اول كارخانه AP60 در كانادا (كبك) سرمايه‌گذاري خواهد شد. علاوه بر اين، شركت 300 ميليون دلار براي توسعه بيشتر جهت آماده‌سازي يك واحد ذوب پيشرفته 5/2 ميليارد دلاري در ايالت British Columbia كانادا سرمايه‌گذاري خواهد كرد. قرار است امسال مجوز نهايي براي آن صادر شود. اين سرمايه‌گذاري ميزان ظرفيت آن را با 48 درصد افزايش به حدود 420 هزار تن در سال افزايش داده و ميزان توليد سالانه گازهاي گلخانه‌اي آن را بيش از 50 درصد كاهش خواهد داد.

در راستاي توسعه فناوري يك بوته ذوب جديد نمونه تحت عنوان APXe در ماه دسامبر سال گذشته در مركز تحقيقات ريوتينتو آلكان در فرانسه (سنت جين دمورين) راه‌اندازي شد.

 

اين فناوري كه براساس AP60 است، حتي با وجود مصرف انرژي كمتر، بهره‌وري آن بالاتر است. هدف رسيدن به اثرات صفر آند و مصرف خاص انرژي به ميزان كمتر از 12kwh/kg فلز است كه تحقيق براي ذوب نهايي ادامه داد.

 

 

كاهش مصرفي انرژي در واحدهاي تكليس براي آلومينا

 

شركت Outotec، روشي را ابداع كرده كه جداسازي ذرات و واسطه گازي در سيكلون‌ها در كوره تكليس Alunorte برزيل را كارآمدتر مي‌كند. اين روش از طريق شبيه‌سازي به‌دست آمده و در مرحله تكليس در جهت مخالف جريان رطوبت هيدرواكسيد آلومينيوم Al(OH)3 گرفته شده و آلومينا (Al2O3) به‌دست مي‌آيد. هيدرات آلومينيوم مرطوب در دو مرحله پيش‌گرمايي با گاز باطله گرم حاصل از مرحله تكليس تركيب شده و سپس پيشاپيش خشك شده و تكليس جزيي مي‌شود.

 

براي تركيب گاز و جامدات قبل از اين‌كه اين دو را در جهت جريان در يك سيكلون از يكديگر جدا كنند، از يك خشك‌كن Venturi استفاده مي‌شود. تكليس نهايي در 970 درجه سانتيگراد در يك رآكتور بستر روان (CFB) به‌دست مي‌آيد.

 

آلوميناي مذاب از CFB تخليه شده و در يك بستر سيال خنك‌كننده از طريق پيش‌گرمايي هوايي احتراق استفاده شده براي تكليس، خنك مي‌شود. در جريان مخالف خنك‌كننده بستر روان، دو مرحله خنك‌كنندگي صورت مي‌پذيرد. در هر مرحله آلومينا با هواي احتراق تركيب شده و سپس در يك سيكلون جدا مي‌شود، اما هرگز جداسازي در سيكلون‌ها تكميل نمي‌شود و اين بدين معني است كه گردوغبار از يك مرحله به داخل مرحله ديگر در درون كوره تكليس با هواي باطله انتقال مي‌يابد. اين امر منتهي به كاهش بازيافت حرارت شده و در كارخانه افت فشار افزايش پيدا مي‌كند.

 

فرآيند بهينه شده حاصل از شبيه‌سازي Outotec نشان مي‌دهد در حال حاضر ذرات جامد بسيار كمتري در واسطه گازي نسبت به گذشته باقي مي‌ماند. در نتيجه انتقال حرارتي بهبود يافته و افت فشار در فرآيند كاهش مي‌يابد. كاهش مصرف انرژي قابل توجه بوده و بهره‌داري پايدارتر مانع نوسانات حرارتي نسبتا زياد شده كه كيفيت محصول نهايي را بهبود مي‌بخشد.

 

Alunorte توانسته، انرژي مصرفي براي بخش تكليس خود را از kj/kg3000 به kj/kg2790 با استفاده از اين روش كاهش دهد. براي توليد سالانه ميزان كاهش مصرف انرژي به حدود 56 ميليون كيلووات ساعت رسيده است.

 

يكي از مديران Outotec از گروه فلزات سبك مي‌گويد كه در اصل سيكلون را مي‌توان براي انواع كارخانه‌هاي آلومينا و غيره ساخت. سرپرست فناوري‌هاي تكليس توضيح مي‌دهد: ابزار شبيه‌سازي را كه ابداع كرده و به كار گرفته‌ايم، مي‌توان نه تنها براي تكليس (قديم يا جديد) به‌كار برد، بلكه براي هر فرآيند ديگري كه از سيكلون‌هاي گازي و يا بسترهاي سيال در اشكال و تركيبات مختلف استفاده مي‌كند، به‌كار گرفت.

 

مدير مذكور اضافه مي‌كند، در اصل اين كنترل‌ها را مي‌توان در مورد سيستم‌هاي مشابهي نيز كه از سيكلون‌هاي گازي و بسترهاي سيال با طرح بازيافت حرارت و انرژي در جهت عكس جريان استفاده مي‌شوند، به‌كار گرفت. اين تجهيزات مي‌تواند هر سيستم مشابهي را بهبود بخشد، اما بخصوص براي سيستم‌هايي كه از CFB به‌عنوان رآكتور اصلي خود استفاده مي‌كنند، موثر است. پروژه Alunorte جايزه بين‌المللي كارآمدي انرژي را از نهاد آلماني «مبتكران كاهش مصرف انرژي» اخذ كرده است.

 

 

ورق آلياژي با خاصيت شكل‌پذيري بالا براي خودرو

 

با توجه به اين‌كه وزن مخصوص آلومينيوم پايين است، امتيازي را به اين فلز داده تا آن را در ساخت قطعات خودروهاي سبك استفاده كنند، اما ضعف ورق آلومينيومي نيز اين است كه نسبت به فولادهاي معمولي كم كربن از خاصيت شكل‌پذيري پايين‌تري برخوردار است. ضرورت شكل‌پذيري آلياژهاي معمولي 6xxx كنوني از طريق كاربرد مرسوم آلياژهاي سري 5xxx براي قيمت‌هاي نامرئي (داخلي) و نياز شديد براي شكل‌پذيري (براي پانل‌هاي داخلي) در تركيب با آلياژ 6xxx براي قسمت‌هاي مرئي (بيروني) نشان داده مي‌شود (با وجود تصور عمومي از مزيت‌هاي مشخص يك تك‌آلياژي)، بنابراين چالش ورق‌هاي آلومينيومي نسل آينده رفع محدوديت‌هاي شكل‌پذيري آن بدون از دست دادن استحكام كاري آن است. در همين راستا شركت هيدرو يك نوع ورق جديد 6/30+ توليد كرده است.

 

اين آلياژ به‌راحتي شكل‌پذير است و به آساني مي‌توان روي آن طراحي لازم را انجام داده و قطعات نهايي ارزان‌تري را با كاهش تعداد قطعات توليد كرد. اين مزيت‌ها از فرآيند ترمومكانيكي ابداعي ورق‌هاي بدنه خودرو سرچشمه مي‌گيرد.

 

مهندسان مواد شركت هيدرو موفق شدند كه نسبت انبساط طولي به سطح گسست را بيش از 30 درصد افزايش دهند كه بالاتر از ورق‌هاي آلومينيوم تكنيكي قبلي با نسبت ازدياد طول به سطح گسست 24 تا 27 درصد است. در نتيجه ورق 6/30+ شكل‌پذيري بسيار بهتري دارد.

 

اين آلياژ جديد كه به آلياژ سري 6xxx معروف است، ازدياد طول به سطح گسست 30 درصد يا بالاتر در تمام جهات در شرايط T4 دارد.

 

اين ورق همان سختي آلياژهاي سري 6xxx قبلي در سيكل پخت رنگ (paint-bake) بوده و تركيب شيميايي آن در محدوده مشخصات آلياژ AA6016 (الياژ قديمي كه در بدنه خودروها كاربرد دارد) قرار دارد.

 

مشتريان خودرو در حال حاضر مي‌توانند قطعات بسيار پيچيده‌تري را توليد كنند كه با جايگزين كردن يك گروه كاربردي قطعات آلومينيومي بدنه خودرو با يك قطعه فرآيند يك مرحله‌اي مي‌توان هزينه‌هاي آن را كاهش داد. اين كار را مي‌توان با روش كشش عميق يك قطعه آلومينيوم خام كاملا شكل‌پذير به‌جاي اتصال تعدادي قطعات جداگانه (همان‌گونه كه امروزه عمل مي‌كنند) انجام داد.

 

اين روش موجب كاهش هزينه‌هاي طراحي و ساخت در كارگاه پرس و در عمليات اتصال در خطوط مونتاژ (يك عامل مهم براي ساخت خودرو مدل‌هاي با حجم بالا) مي‌شود. ماده ورق 6/30+ شركت هيدرو در مرحله بهبود كيفي و منتظر توليد اولين سري‌هاي آن در يك خودروسازي است.

 

 

ولتاژ همسو با جريان

 

روند براي واحدهاي جديد ذوب آلومينيوم كه بتواند هميشه از جريان‌ها و نتيجتا ولتاژهاي بالاتر استفاده كند، ادامه دارد. اين روندي است كه هدف آن رسيدن به كارآمدي بيشتر انرژي بوده و تقاضا براي تبديل‌كنندگان (rectifiers) پيشرفته و جديد را در اين راستا تقويت بخشيده است و در حال حاضر طراحي بدنه پرس تبديل‌كننده ABB به ولتاژ بار كامل 2000 ولت DC بازسازي شده و اين شركت با عايق‌بندي مواد پيشرفته اين مبدل‌ها را مورد آزمايش قرار داده و فيوزها و نيمه‌هادي‌هاي اين مبدل‌ها كه مختص توليد آلومينيوم هستند در آزمايشگاه از طريق تست برق فشار قوي آزمايش شده‌اند.

 

اولين طرح مبدل 2000 ولت DC شركت ABB براي بهره‌برداري در 1750 ولت DC به شركت آلومينيوم قطر (Qatalum) تحويل شد.

 

شركت ABB قرار است تجهيزات خود را به پروژه آلومينيوم مدائن در عربستان‌سعودي با مبدل‌هاي طرح 2000 ولت DC عرضه كند. اين واحد ذوب قرار است با ظرفيت 740 هزار تن در سال 2012 وارد خط توليد شود. شركت ABB مي‌گويد: ميزان برق بالا مي‌تواند هزينه‌هاي سرمايه‌گذاري و توليد را كاهش دهد كه اين فناوري از همكاري نزديك با فروشندگان قطعات كه آن را براي سيستم تبديل برق ساخته‌اند، ابداع شده است.

 

يك روش سيستم جامع بررسي كل جريان برق در نيروگاه‌ها گرفته تا سلول‌هاي احيا استفاده شده تا سيستم تبديل برق كارآمد را خلق كند.

 

ABB مي‌گويد كه ايستگاه‌هاي مبدل آن با كارآمدي حداقل 98 درصد كار مي‌كند.

 

 

خطوط آند سبز براي عربستان‌سعودي

 

شركت آلومينيوم مدائن سفارشي را براي ساخت دو خط آند سبز Fives Solios براي واحد 740 هزار تني خود كه قرار است در سال 2012، راه‌اندازي شود، به شركت فايوز سوليوس داده است. اين خطوط از تكنولوژي Rhodax استفاده خواهد كرد كه مشتركا توسط فايوز سوليوس و ريوتينتو آلكان ابداع شده كه براي توليد آند سبز مخلوط خشك را آماده مي‌كند.

 

تجهيزات جديد مدائن آخرين سيستم كنترلي بهينه براي خطوط آند آن را دارد.

 

فايوز سوليوس مي‌گويد: فناوري روداكس آند مرغوب توليد مي‌كند كه در مقابل شوك حرارتي از خود مقاومت نشان داده و در نتيجه مانع حوادث در بوته شده و ميزان تغيير آند را كاهش مي‌دهد.

 

گريد كك مرف شده اثر كمتري دارد، چون اثرات خردكنندگي تجهيزات اندك است. اين روش هزينه‌هاي بهره‌برداري و تعمير و نگهداري را كاهش مي‌دهد و در نتيجه اين فناوري به‌طور كل شرايط كاري را بهبود بخشيده و از توليد گازهاي گلخانه‌اي آن كم مي‌كند.

 

 

منبع: متال‌بولتن

نشریه معدن و توسعه439