Aluminium smelting
એલ્યુમિનિયમ ઓગળવું એ સામાન્ય રીતે હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયા દ્વારા તેના ઓક્સાઇડ, એલ્યુમિનિયમમાંથી એલ્યુમિનિયમ કાઢવાની પ્રક્રિયા છે. એલ્યુમિના રિફાઇનરીમાં બેયર પ્રક્રિયા દ્વારા ઓર બોક્સાઇટમાંથી એલ્યુમિના કાઢવામાં આવે છે. આ એક ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક પ્રક્રિયા છે, તેથી એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટર વિશાળ માત્રામાં વિદ્યુત શક્તિનો ઉપયોગ કરે છે; સ્મેલ્ટર્સ મોટા પાવર સ્ટેશનોની નજીક સ્થિત હોય છે, ઘણીવાર હાઇડ્રો-ઇલેક્ટ્રિક હોય છે, જેથી ખર્ચમાં ઘટાડો થાય અને એકંદર કાર્બન ફૂટપ્રિન્ટમાં ઘટાડો થાય. સ્મેલ્ટર્સ ઘણીવાર બંદરોની નજીક સ્થિત હોય છે, કારણ કે ઘણા સ્મેલ્ટર્સ આયાતી એલ્યુમિનાનો ઉપયોગ કરે છે. એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટરનું લેઆઉટ હોલ-હેરોલ્ટ વિદ્યુત વિચ્છેદન પ્રક્રિયા એ પ્રાથમિક એલ્યુમિનિયમ માટેનો મુખ્ય ઉત્પાદન માર્ગ છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક કોષ પ્રત્યાવર્તન સામગ્રીના અવાહક અસ્તરની શ્રેણી સાથે સ્ટીલના કવચથી બનેલો હોય છે. કોષમાં કન્ટેનર અને આધાર તરીકે ઈંટ-રેખિત બાહ્ય સ્ટીલના કવચનો સમાવેશ થાય છે. શેલની અંદર, કેથોડ બ્લોક્સને રેમિંગ પેસ્ટ દ્વારા એકસાથે સિમેન્ટ કરવામાં આવે છે. ટોચનું અસ્તર પીગળેલી ધાતુના સંપર્કમાં હોય છે અને કેથોડ તરીકે કામ કરે છે. પીગળેલા ઇલેક્ટ્રોલાઇટને કોષની અંદર ઊંચા તાપમાને જાળવવામાં આવે છે. પ્રીબેક્ડ એનોડ પણ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં લટકાવેલા મોટા સિન્ટર બ્લોકના સ્વરૂપમાં કાર્બનથી બનેલો છે. એક સોડરબર્ગ ઇલેક્ટ્રોડ અથવા સંખ્યાબંધ પ્રીબેક્ડ કાર્બન બ્લોકનો ઉપયોગ એનોડ તરીકે થાય છે, જ્યારે મુખ્ય રચના અને તેમની સપાટી પર થતી મૂળભૂત પ્રતિક્રિયાઓ સમાન હોય છે. એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટરમાં મોટી સંખ્યામાં કોષો (પોટ્સ) હોય છે જેમાં વિદ્યુત વિચ્છેદન થાય છે. એક લાક્ષણિક સ્મેલ્ટરમાં 300 થી 720 વાસણો હોય છે, જેમાંથી દરેક દિવસમાં લગભગ એક ટન એલ્યુમિનિયમ ઉત્પન્ન કરે છે, જો કે સૌથી મોટા સૂચિત સ્મેલ્ટર તે ક્ષમતાના પાંચ ગણા હોય છે. સ્મેલ્ટિંગ એક બેચ પ્રક્રિયા તરીકે ચલાવવામાં આવે છે, જેમાં એલ્યુમિનિયમની ધાતુ વાસણોના તળિયે જમા થાય છે અને સમયાંતરે તેનો નિકાલ કરવામાં આવે છે. ખાસ કરીને ઓસ્ટ્રેલિયામાં આ સ્મેલ્ટરનો ઉપયોગ વિદ્યુત નેટવર્કની માંગને નિયંત્રિત કરવા માટે થાય છે, અને પરિણામે સ્મેલ્ટરને ખૂબ જ ઓછી કિંમતે વીજળી પૂરી પાડવામાં આવે છે. જો કે, 4 થી 5 કલાકથી વધુ સમય સુધી વીજળીમાં વિક્ષેપ ન થવો જોઈએ, કારણ કે જો પ્રવાહી ધાતુ મજબૂત થાય તો વાસણોનું નોંધપાત્ર કિંમતે સમારકામ કરવું પડે છે. સિદ્ધાંત એલ્યુમિનિયમ પીગળેલા ક્રાયોલાઇટમાં ઓગળેલા એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડના ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક ઘટાડા દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. એ જ સમયે કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડનું ઓક્સિડાઇઝેશન થાય છે, શરૂઆતમાં કાર્બન મોનોક્સાઇડ C + 1/2O2-> CO બને છે, જો કે કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) ની રચના પ્રતિક્રિયાના તાપમાને થર્મોડાયનેમિક રીતે અનુકૂળ હોય છે, નોંધપાત્ર ઓવરવોલ્ટેજની હાજરી (ઉલટાવી શકાય તેવી અને ધ્રુવીકરણ ક્ષમતા વચ્ચેનો તફાવત) થર્મોડાયનેમિક સંતુલન અને CO નું મિશ્રણ બદલી નાખે છે અને ઉત્પન્ન થાય છે. આમ આદર્શ એકંદર પ્રતિક્રિયાઓને આ રીતે લખી શકાય છે કે વર્તમાન ઘનતા 1 એ/સે. મી. 2 સુધી વધારીને, વધારો અને કાર્બન વપરાશનું પ્રમાણ ઘટે છે. એલ્યુમિનિયમના દરેક અણુનું ઉત્પાદન કરવા માટે ત્રણ ઇલેક્ટ્રોનની જરૂર પડે છે, આ પ્રક્રિયા મોટા પ્રમાણમાં વીજળીનો વપરાશ કરે છે. આ કારણોસર એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટર્સ હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિક જેવી સસ્તી વીજળીના સ્રોતોની નજીક સ્થિત છે. સેલ ઘટકો ઇલેક્ટ્રોલાઇટઃ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એ ક્રાયોલાઇટ (Na3AlF6) અને ઓગળેલા એલ્યુમિનાનું પીગળેલું સ્નાન છે. ક્રાયોલાઇટ એ નીચા ગલનબિંદુ, સંતોષકારક સ્નિગ્ધતા અને નીચા વરાળ દબાણ સાથે એલ્યુમિના માટે સારો દ્રાવક છે. તેની ઘનતા પ્રવાહી એલ્યુમિનિયમ (2 વિરુદ્ધ 2.3 ગ્રામ/સે. મી. 3) કરતા પણ ઓછી છે, જે કોષના તળિયે મીઠામાંથી ઉત્પાદનને કુદરતી રીતે અલગ કરવાની મંજૂરી આપે છે. શુદ્ધ ક્રાયોલાઇટમાં ક્રાયોલાઇટ ગુણોત્તર (NaF/AlF3) 3 છે, જેનું ગલન તાપમાન 1010 °C છે, અને તે 960 °C પર 11 ટકા એલ્યુમિના સાથે યુટેક્ટિક બનાવે છે. ઔદ્યોગિક કોષોમાં ક્રાયોલાઇટ ગુણોત્તર 2 અને 3 ની વચ્ચે રાખવામાં આવે છે જેથી તેના ગલન તાપમાનને 940-980 °C સુધી ઘટાડી શકાય. કેથોડઃ કાર્બન કેથોડ અનિવાર્યપણે એન્થ્રાસાઇટ, ગ્રેફાઇટ અને પેટ્રોલિયમ કોકથી બનેલા હોય છે, જે લગભગ 1200 ડિગ્રી સેલ્સિયસ પર કેલ્સીન કરવામાં આવે છે અને કેથોડ ઉત્પાદનમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પહેલા કચડી અને છાંટવામાં આવે છે. એગ્રીગેટ્સને કોલસા-ટાર પિચ સાથે મિશ્રિત કરવામાં આવે છે, બનાવવામાં આવે છે અને શેકવામાં આવે છે. કાર્બન શુદ્ધતા એનોડની જેમ કડક નથી, કારણ કે કેથોડમાંથી ધાતુના દૂષણ નોંધપાત્ર નથી. કાર્બન કેથોડમાં પૂરતી તાકાત, સારી વિદ્યુત વાહકતા અને ઘસારો અને સોડિયમ પ્રવેશ માટે ઉચ્ચ પ્રતિકાર હોવો આવશ્યક છે. ગ્રેફાઇટિક અને ગ્રેફાઇટાઇઝ્ડ પેટ્રોલિયમ કોક કેથોડ્સ કરતાં એન્થ્રાસાઇટ કેથોડ્સમાં ઘસારો પ્રતિકાર ઊંચો હોય છે અને નીચા કંપનવિસ્તાર [15] સાથે ધીમી ગતિએ વળે છે. તેના બદલે, વધુ ગ્રેફાઇટિક ક્રમ ધરાવતા ગાઢ કેથોડ્સમાં ઉચ્ચ વિદ્યુત વાહકતા, ઓછો ઊર્જા વપરાશ [14] અને સોડિયમ પ્રવેશને કારણે ઓછો સોજો હોય છે. સોજો કેથોડ બ્લોક્સના પ્રારંભિક અને બિન-સમાન બગાડમાં પરિણમે છે. એનોડઃ કાર્બન એનોડ એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટિંગમાં ચોક્કસ પરિસ્થિતિ ધરાવે છે અને એનોડના પ્રકાર પર આધાર રાખીને, એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટિંગને બે અલગ અલગ તકનીકોમાં વહેંચવામાં આવે છે; "સોડરબર્ગ" અને "પ્રીબેક્ડ" એનોડ. એનોડ્સ પણ પેટ્રોલિયમ કોકમાંથી બનાવવામાં આવે છે, જે કોલસા-ટાર-પિચ સાથે મિશ્રિત થાય છે, ત્યારબાદ ઊંચા તાપમાને બનાવવામાં આવે છે અને પકવવામાં આવે છે. એનોડની ગુણવત્તા એલ્યુમિનિયમના ઉત્પાદનના તકનીકી, આર્થિક અને પર્યાવરણીય પાસાઓને અસર કરે છે. ઊર્જા કાર્યક્ષમતા એનોડ સામગ્રીની પ્રકૃતિ, તેમજ બેકડ એનોડ્સની છિદ્રાળુતા સાથે સંબંધિત છે. પ્રીબેક્ડ એનોડ (50-60 μωm) ના વિદ્યુત પ્રતિકારને દૂર કરવા માટે લગભગ 10 ટકા સેલ પાવરનો વપરાશ થાય છે. ઓછી વર્તમાન કાર્યક્ષમતા અને બિન-ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક વપરાશને કારણે કાર્બનનો સૈદ્ધાંતિક મૂલ્ય કરતાં વધુ વપરાશ થાય છે. કાચા માલ અને ઉત્પાદન પરિમાણોમાં વિવિધતાને કારણે અસમરૂપ એનોડની ગુણવત્તા પણ તેની કામગીરી અને કોષની સ્થિરતાને અસર કરે છે. પ્રીબેક્ડ કન્ઝ્યુમબલ કાર્બન એનોડ્સને ગ્રેફાઇટાઇઝ્ડ અને કોક પ્રકારોમાં વહેંચવામાં આવે છે. ગ્રેફાઇટાઇઝ્ડ એનોડ્સના ઉત્પાદન માટે, એન્થ્રાસાઇટ અને પેટ્રોલિયમ કોકને કેલ્સિન અને વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. પછી તેમને કોલસા-તારની પિચ સાથે મિશ્રિત કરવામાં આવે છે અને દબાવવામાં આવે છે. દબાવેલા લીલા એનોડને પછી 1200 ડિગ્રી સેલ્સિયસ પર શેકવામાં આવે છે અને ગ્રાફાઇઝ કરવામાં આવે છે. કોક એનોડ્સ કેલ્સિન પેટ્રોલિયમ કોક, રિસાયકલ કરેલા એનોડ બટ્સ અને કોલસા-ટાર પિચ (બાઈન્ડર) થી બનેલા હોય છે. એનોડ્સનું ઉત્પાદન કોલસાની ટાર પિચ સાથે એકંદર મિશ્રણ કરીને કરવામાં આવે છે જેથી કણકની સુસંગતતા સાથે પેસ્ટ બનાવવામાં આવે. આ સામગ્રી મોટેભાગે વાઇબ્રો-કોમ્પેક્ટ હોય છે પરંતુ કેટલાક છોડમાં દબાવવામાં આવે છે. પછી ગ્રીન એનોડને 1100-1200 °C પર 300-400 કલાકો માટે, ગ્રેફાઇટાઇઝેશન વિના, બાઈન્ડરના વિઘટન અને કાર્બોનાઇઝેશન દ્વારા તેની તાકાત વધારવા માટે સિન્ટર કરવામાં આવે છે. પકવવાનું ઊંચું તાપમાન યાંત્રિક ગુણધર્મો અને થર્મલ વાહકતામાં વધારો કરે છે, અને હવા અને CO2 પ્રતિક્રિયાત્મકતામાં ઘટાડો કરે છે. કોક-પ્રકારનાં એનોડ્સનો ચોક્કસ વિદ્યુત પ્રતિકાર ગ્રેફાઇટાઇઝ્ડ એનોડ્સ કરતા વધારે હોય છે, પરંતુ તેમાં વધુ સંકોચક શક્તિ અને ઓછી છિદ્રાળુતા હોય છે. નોર્વેમાં 1923 માં પ્રથમ વખત ઉપયોગમાં લેવાતા સોડરબર્ગ ઇલેક્ટ્રોડ્સ (ઇન-સીટૂ બેકિંગ), સ્ટીલના કવચ અને કાર્બોનેસિયસ દળથી બનેલા છે, જે વિદ્યુત વિચ્છેદન કોષમાંથી બહાર નીકળતી ગરમી દ્વારા શેકવામાં આવે છે. સોડરબર્ગ કાર્બન આધારિત સામગ્રી જેમ કે કોક અને એન્થ્રાસાઇટને કચડી નાખવામાં આવે છે, ગરમીની સારવાર કરવામાં આવે છે અને વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. આ એગ્રીગેટ્સને પિચ અથવા તેલ સાથે બાઈન્ડર તરીકે મિશ્રિત કરવામાં આવે છે, બ્રિક્ટેડ અને શેલમાં લોડ કરવામાં આવે છે. તાપમાન સ્તંભની ટોચ સુધી નીચે વધે છે અને સ્નાનમાં એનોડને ઘટાડવામાં આવે છે ત્યારે ઇન-સીટૂ પકવવાની પ્રક્રિયા થાય છે. પકવવા દરમિયાન નોંધપાત્ર માત્રામાં હાઇડ્રોકાર્બન ઉત્સર્જિત થાય છે જે આ પ્રકારના ઇલેક્ટ્રોડનો ગેરલાભ છે. મોટાભાગના આધુનિક સ્મેલ્ટર્સ પ્રીબેક્ડ એનોડ્સનો ઉપયોગ કરે છે કારણ કે પ્રક્રિયા નિયંત્રણ સરળ છે અને સોડરબર્ગ એનોડ્સની તુલનામાં થોડી વધુ સારી ઊર્જા કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત થાય છે. એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટર્સની પર્યાવરણીય સમસ્યાઓ આ પ્રક્રિયા ફ્લોરાઇડ કચરાના જથ્થાનું ઉત્પાદન કરે છેઃ પરફ્લોરોકાર્બન અને હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડ વાયુઓ તરીકે, અને સોડિયમ અને એલ્યુમિનિયમ ફ્લોરાઇડ અને બિનઉપયોગી ક્રાયોલાઇટ કણો તરીકે. આ 2007માં શ્રેષ્ઠ પ્લાન્ટમાં એલ્યુમિનિયમના ટન દીઠ 0.5 કિલો જેટલું નાનું હોઈ શકે છે, 1974માં જૂની ડિઝાઇનમાં એલ્યુમિનિયમના ટન દીઠ 4 કિલો જેટલું હોઈ શકે છે. જ્યાં સુધી કાળજીપૂર્વક નિયંત્રિત ન કરવામાં આવે ત્યાં સુધી હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડ છોડની આસપાસની વનસ્પતિ માટે ખૂબ જ ઝેરી હોય છે. સોડરબર્ગ પ્રક્રિયા જે એનોડનો વપરાશ થાય ત્યારે એન્થ્રાસાઇટ/પિચ મિશ્રણને શેકે છે, તે પોલીસાયક્લિક એરોમેટિક હાઇડ્રોકાર્બન્સનું નોંધપાત્ર ઉત્સર્જન કરે છે કારણ કે પીચ સ્મેલ્ટરમાં વપરાશ થાય છે. પોટ્સના અસ્તર સાયનાઇડ બનાવતી સામગ્રીથી દૂષિત થઈ જાય છે; અલ્કોઆમાં પુનઃઉપયોગ માટે વપરાયેલ અસ્તરને એલ્યુમિનિયમ ફ્લોરાઇડમાં અને બાંધકામ હેતુઓ અને નિષ્ક્રિય કચરો માટે ઉપયોગી કૃત્રિમ રેતીમાં રૂપાંતરિત કરવાની પ્રક્રિયા છે. એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટિંગની પર્યાવરણીય અસરોને ઘટાડવા માટે નિષ્ક્રિય એનોડ વિકસાવવા માટે સંશોધન પ્રયાસો ચાલુ છે. એલ્કોઆ અને રિયો ટિન્ટોએ એલ્કોઆ દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલી નિષ્ક્રિય એનોડ તકનીકનું વ્યાપારીકરણ કરવા માટે એલિસિસ નામના સંયુક્ત સાહસની રચના કરી છે. નિષ્ક્રિય એનોડ એક સીર્મેટ સામગ્રી છે, જે નિકલ ફેરાઇટના સિરામિક મેટ્રિક્સમાં તાંબાના મિશ્રધાતુના ધાતુના પ્રસરણ છે. ઊર્જાનો ઉપયોગ એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટિંગ અત્યંત ઊર્જા સઘન છે, અને કેટલાક દેશોમાં વીજળીના સસ્તા સ્ત્રોતો હોય તો જ તે આર્થિક છે. કેટલાક દેશોમાં, સ્મેલ્ટર્સને નવીનીકરણીય ઊર્જા લક્ષ્યાંકો જેવી ઊર્જા નીતિમાં મુક્તિ આપવામાં આવે છે. ઉદાહરણ એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટર્સ એલ્કન લાઇનેમાઉથ એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટર, જે ઉત્તર પૂર્વ ઇંગ્લેન્ડમાં કોલસાથી ચાલતા લાઇનેમાઉથ પાવર સ્ટેશન દ્વારા સંચાલિત છે, એન્ગ્લેસી એલ્યુમિનિયમ, જે ઉત્તર-પશ્ચિમ વેલ્સમાં વાઇલ્ફા ન્યુક્લિયર પાવર સ્ટેશન દ્વારા સંચાલિત છે (30/09/09 તરીકે બંધ) ઘાનામાં વાલ્કો એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટર, જે આઇસલેન્ડમાં અકોસોમ્બો હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિક પ્રોજેક્ટ ફ્જારાલ દ્વારા સંચાલિત છે, જે ભારતના ઓરિસ્સામાં કરાહન્જુકર હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ ઝારસુગુડા દ્વારા સંચાલિત છે, જે તેના પોતાના કોલસાથી ચાલતા પાવર સ્ટેશન દ્વારા સંચાલિત છે. સપ્ટેમ્બર-ઇલ્સ, ક્વિબેકમાં એલ્યુમિનીરી અલોએટ. બહેરીનમાં આલ્બા સ્મેલ્ટર, તેની કુલ ઉત્પાદન ક્ષમતા સાથે તેના પોતાના ચાર પાવર સ્ટેશનો દ્વારા સંચાલિત છે. એલ્યુમિનિયમ સ્મેલ્ટર્સની યાદી પણ જુઓ એલ્યુમિના રિફાઇનરીઓની યાદી લીડ સ્મેલ્ટર ન્યુક્લિયર પાવર ઝિંક સ્મેલ્ટિંગ સોલિડ ઓક્સાઇડ હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયા સંદર્ભો મેટલર્જિકલ પ્રક્રિયાઓ સ્મેલ્ટિંગ ઇલેક્ટ્રોલિસિસ ડીઃ Aluminium#Gewinnung