Aluminium smelting
एल्यूमीनियम गलाना आम तौर पर हॉल-हेरोल्ट प्रक्रिया द्वारा अपने ऑक्साइड, एल्यूमिना से एल्यूमीनियम निकालने की प्रक्रिया है। एक एल्यूमिना रिफाइनरी में बेयर प्रक्रिया के माध्यम से अयस्क बॉक्साइट से एल्यूमिना निकाला जाता है। यह एक इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रिया है, इसलिए एक एल्यूमीनियम स्मेल्टर बड़ी मात्रा में विद्युत शक्ति का उपयोग करता है; स्मेल्टर लागत को कम करने और समग्र कार्बन पदचिह्न को कम करने के लिए बड़े बिजली स्टेशनों, अक्सर पनबिजली वाले स्टेशनों के पास स्थित होते हैं। स्मेल्टर अक्सर बंदरगाहों के पास स्थित होते हैं, क्योंकि कई स्मेल्टर आयातित एल्यूमिना का उपयोग करते हैं। एल्यूमीनियम गलाने वाली मशीन का खाका हॉल-हेरोल्ट विद्युत अपघटन प्रक्रिया प्राथमिक एल्यूमीनियम के लिए प्रमुख उत्पादन मार्ग है। एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल एक स्टील के खोल से बना होता है जिसमें अपवर्तक सामग्री के अवरोधक अस्तर की एक श्रृंखला होती है। सेल में एक कंटेनर और समर्थन के रूप में एक ईंट-पंक्तिबद्ध बाहरी स्टील का खोल होता है। खोल के अंदर, कैथोड ब्लॉकों को रैमिंग पेस्ट द्वारा एक साथ सीमेंट किया जाता है। ऊपरी परत पिघली हुई धातु के संपर्क में होती है और कैथोड के रूप में कार्य करती है। पिघले हुए इलेक्ट्रोलाइट को कोशिका के अंदर उच्च तापमान पर बनाए रखा जाता है। प्रीबेक्ड एनोड भी इलेक्ट्रोलाइट में निलंबित बड़े सिंटर ब्लॉकों के रूप में कार्बन से बना होता है। एकल सोडरबर्ग इलेक्ट्रोड या कई प्रीबेक्ड कार्बन ब्लॉक का उपयोग एनोड के रूप में किया जाता है, जबकि उनकी सतह पर होने वाली प्रमुख सूत्रीकरण और मौलिक प्रतिक्रियाएं समान होती हैं। एल्यूमीनियम गलाने वाले यंत्र में बड़ी संख्या में कोशिकाएँ (बर्तन) होती हैं जिनमें विद्युत अपघटन होता है। एक विशिष्ट स्मेल्टर में 300 से 720 बर्तन होते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक दिन में लगभग एक टन एल्यूमीनियम का उत्पादन करता है, हालांकि सबसे बड़े प्रस्तावित स्मेल्टर उस क्षमता का पांच गुना तक होते हैं। गलाने को एक बैच प्रक्रिया के रूप में चलाया जाता है, जिसमें एल्यूमीनियम धातु बर्तनों के नीचे जमा होती है और समय-समय पर निकाल दी जाती है। विशेष रूप से ऑस्ट्रेलिया में इन स्मेल्टरों का उपयोग विद्युत नेटवर्क की मांग को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है, और इसके परिणामस्वरूप स्मेल्टर को बहुत कम कीमत पर बिजली की आपूर्ति की जाती है। हालाँकि, बिजली को 4-5 घंटे से अधिक समय तक बाधित नहीं किया जाना चाहिए, क्योंकि तरल धातु के ठोस होने पर बर्तनों की बड़ी कीमत पर मरम्मत करनी पड़ती है। प्रिंसिपल एल्यूमीनियम का उत्पादन पिघले हुए क्रायोलाइट में घुलने वाले एल्यूमीनियम ऑक्साइड के इलेक्ट्रोलाइटिक रिडक्शन से होता है। एक ही समय में कार्बन इलेक्ट्रोड का ऑक्सीकरण किया जाता है, शुरू में कार्बन मोनोऑक्साइड C + 1/2O2-> CO हालांकि कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) का गठन प्रतिक्रिया तापमान पर ऊष्मागतिकीय रूप से अनुकूल है, काफी अधिक वोल्टेज (प्रतिवर्ती और ध्रुवीकरण क्षमता के बीच अंतर) की उपस्थिति ऊष्मागतिकीय संतुलन और CO के मिश्रण को बदल देती है और इसका उत्पादन किया जाता है। इस प्रकार आदर्श समग्र प्रतिक्रियाओं को इस प्रकार लिखा जा सकता है कि वर्तमान घनत्व को 1 ए/सेमी2 तक बढ़ाने से, वृद्धि और कार्बन की खपत का अनुपात कम हो जाता है। चूँकि एल्यूमीनियम के प्रत्येक परमाणु के उत्पादन के लिए तीन इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है, इस प्रक्रिया में बड़ी मात्रा में बिजली की खपत होती है। इस कारण से एल्यूमीनियम गलाने वाले जल विद्युत जैसे सस्ती बिजली के स्रोतों के करीब स्थित हैं। कोशिका घटक इलेक्ट्रोलाइटः इलेक्ट्रोलाइट क्रायोलाइट (Na3AlF6) और विघटित एल्यूमिना का एक पिघला हुआ स्नान है। क्रायोलाइट कम गलनांक, संतोषजनक चिपचिपाहट और कम वाष्प दबाव के साथ एल्यूमिना के लिए एक अच्छा विलायक है। इसका घनत्व तरल एल्यूमीनियम (2 बनाम 2.3 ग्राम/सेमी3) की तुलना में भी कम है, जो कोशिका के निचले हिस्से में नमक से उत्पाद को प्राकृतिक रूप से अलग करने की अनुमति देता है। शुद्ध क्रायोलाइट में क्रायोलाइट अनुपात (NaF/AlF3) 3 है, जिसका पिघलने का तापमान 1010 डिग्री सेल्सियस है, और यह 960 डिग्री सेल्सियस पर 11 प्रतिशत एल्यूमिना के साथ एक यूटेक्टिक बनाता है। औद्योगिक कोशिकाओं में क्रायोलाइट अनुपात को 2 और 3 के बीच रखा जाता है ताकि इसके पिघलने के तापमान को 940-980 °C तक कम किया जा सके। कैथोडः कार्बन कैथोड अनिवार्य रूप से एंथ्रासाइट, ग्रेफाइट और पेट्रोलियम कोक से बने होते हैं, जिन्हें लगभग 1200 डिग्री सेल्सियस पर कैलसिन किया जाता है और कैथोड निर्माण में उपयोग करने से पहले कुचल दिया जाता है और छान लिया जाता है। एग्रिगेट्स को कोल-टार पिच के साथ मिलाया जाता है, बनाया जाता है और बेक किया जाता है। कार्बन शुद्धता एनोड के लिए उतनी कठोर नहीं है, क्योंकि कैथोड से धातु संदूषण महत्वपूर्ण नहीं है। कार्बन कैथोड में पर्याप्त शक्ति, अच्छी विद्युत चालकता और घिसने और सोडियम के प्रवेश के लिए उच्च प्रतिरोध होना चाहिए। एंथ्रासाइट कैथोड में ग्रेफाइटिक और ग्रेफाइटाइज्ड पेट्रोलियम कोक कैथोड की तुलना में कम आयाम [15] के साथ अधिक पहनने का प्रतिरोध और धीमी गति से रेंगना होता है। इसके बजाय, अधिक ग्रेफाइटिक क्रम वाले घने कैथोड में उच्च विद्युत चालकता, कम ऊर्जा खपत [14] और सोडियम प्रवेश के कारण कम सूजन होती है। सूजन के परिणामस्वरूप कैथोड ब्लॉकों में जल्दी और गैर-समान गिरावट आती है। एनोडः एल्यूमीनियम गलाने में कार्बन एनोड की एक विशिष्ट स्थिति होती है और एनोड के प्रकार के आधार पर, एल्यूमीनियम गलाने को दो अलग-अलग तकनीकों में विभाजित किया जाता है; "सोडरबर्ग" और "प्रीबेक्ड" एनोड। एनोड भी पेट्रोलियम कोक से बने होते हैं, जिन्हें कोयला-टार-पिच के साथ मिलाया जाता है, इसके बाद ऊंचे तापमान पर बनाया और पकाया जाता है। एनोड की गुणवत्ता एल्यूमीनियम उत्पादन के तकनीकी, किफायती और पर्यावरणीय पहलुओं को प्रभावित करती है। ऊर्जा दक्षता एनोड सामग्री की प्रकृति के साथ-साथ बेक किए गए एनोड की छिद्रता से संबंधित है। प्रीबेक्ड एनोड (50-60 μωm) के विद्युत प्रतिरोध को दूर करने के लिए लगभग 10 प्रतिशत कोशिका शक्ति की खपत होती है। कम वर्तमान दक्षता और गैर-इलेक्ट्रोलाइटिक खपत के कारण कार्बन की खपत सैद्धांतिक मूल्य से अधिक होती है। कच्चे माल और उत्पादन मापदंडों में भिन्नता के कारण असमरूपी एनोड की गुणवत्ता भी इसके प्रदर्शन और कोशिका स्थिरता को प्रभावित करती है। प्रीबेक्ड उपभोग्य कार्बन एनोड को ग्रेफाइटाइज्ड और कोक प्रकारों में विभाजित किया गया है। ग्रेफाइटाइज्ड एनोड्स के निर्माण के लिए, एंथ्रासाइट और पेट्रोलियम कोक को कैल्सिन और वर्गीकृत किया जाता है। फिर उन्हें कोयला-तार पिच के साथ मिलाया जाता है और दबाया जाता है। दबाए गए हरे रंग के एनोड को 1200 डिग्री सेल्सियस पर बेक किया जाता है और ग्राफ़िटाइज़ किया जाता है। कोक एनोड कैल्सिन पेट्रोलियम कोक, पुनर्नवीनीकरण एनोड बट्स और कोल-टार पिच (बाइंडर) से बने होते हैं। एनोड का निर्माण कोयले की तार पिच के साथ समुच्चय को मिलाकर किया जाता है ताकि एक गूदेदार स्थिरता के साथ एक पेस्ट बनाया जा सके। यह सामग्री अक्सर वाइब्रो-कॉम्पैक्ट होती है लेकिन कुछ पौधों में दबाया जाता है। हरे रंग के एनोड को तब 1100-1200 °C पर 300-400 घंटों के लिए, बिना ग्राफ़िटाइजेशन के, बाइंडर के अपघटन और कार्बनीकरण के माध्यम से अपनी ताकत बढ़ाने के लिए सिंटर किया जाता है। बेकिंग का उच्च तापमान यांत्रिक गुणों और तापीय चालकता को बढ़ाता है, और हवा और CO2 प्रतिक्रियाशीलता को कम करता है। कोक-प्रकार के एनोड का विशिष्ट विद्युत प्रतिरोध ग्रेफाइट किए गए एनोड की तुलना में अधिक होता है, लेकिन उनमें उच्च संपीड़ित शक्ति और कम छिद्रता होती है। सोडरबर्ग इलेक्ट्रोड (इन-सीटू बेकिंग), नॉर्वे में पहली बार 1923 में उपयोग किए गए, एक स्टील के खोल और एक कार्बोनेसियस द्रव्यमान से बने होते हैं जो इलेक्ट्रोलिसिस सेल से निकलने वाली गर्मी से बेक किए जाते हैं। सोडरबर्ग कार्बन-आधारित सामग्री जैसे कोक और एंथ्रासाइट को कुचल दिया जाता है, गर्मी-उपचार किया जाता है और वर्गीकृत किया जाता है। इन समुच्चयों को पिच या तेल के साथ बांध के रूप में मिलाया जाता है, ब्रिकेट किया जाता है और खोल में लोड किया जाता है। तापमान नीचे से स्तंभ के शीर्ष तक बढ़ जाता है और इन-सीटू बेकिंग होती है क्योंकि एनोड को स्नान में कम किया जाता है। बेकिंग के दौरान महत्वपूर्ण मात्रा में हाइड्रोकार्बन उत्सर्जित होते हैं जो इस प्रकार के इलेक्ट्रोड का एक नुकसान है। अधिकांश आधुनिक स्मेल्टर प्रीबेक्ड एनोड का उपयोग करते हैं क्योंकि प्रक्रिया नियंत्रण आसान है और सोडरबर्ग एनोड की तुलना में थोड़ी बेहतर ऊर्जा दक्षता प्राप्त की जाती है। एल्यूमीनियम गलाने वालों के पर्यावरणीय मुद्दे इस प्रक्रिया से फ्लोराइड अपशिष्ट की मात्रा उत्पन्न होती हैः गैसों के रूप में परफ्लोरोकार्बन और हाइड्रोजन फ्लोराइड, और कणों के रूप में सोडियम और एल्यूमीनियम फ्लोराइड और अप्रयुक्त क्रायोलाइट। यह 2007 में सबसे अच्छे संयंत्रों में 0.5 किलोग्राम प्रति टन एल्यूमीनियम जितना छोटा हो सकता है, 1974 में पुराने डिजाइनों में 4 किलोग्राम प्रति टन एल्यूमीनियम तक। जब तक सावधानीपूर्वक नियंत्रित नहीं किया जाता है, हाइड्रोजन फ्लोराइड पौधों के आसपास की वनस्पति के लिए बहुत विषाक्त होते हैं। सोडरबर्ग प्रक्रिया जो एनोड के उपभोग के रूप में एंथ्रासाइट/पिच मिश्रण को बेक करती है, पॉलीसाइक्लिक सुगंधित हाइड्रोकार्बन के महत्वपूर्ण उत्सर्जन का उत्पादन करती है क्योंकि पिच को स्मेल्टर में खपत किया जाता है। बर्तनों के अस्तर साइनाइड बनाने वाली सामग्री से दूषित हो जाते हैं; एल्कोआ में खर्च किए गए अस्तर को पुनः उपयोग के लिए एल्यूमीनियम फ्लोराइड में और निर्माण उद्देश्यों और निष्क्रिय अपशिष्ट के लिए उपयोग करने योग्य सिंथेटिक रेत में परिवर्तित करने की एक प्रक्रिया है। एल्यूमीनियम गलाने के पर्यावरणीय प्रभावों को कम करने के लिए एक निष्क्रिय एनोड विकसित करने के लिए अनुसंधान प्रयास जारी हैं। एल्कोआ और रियो टिंटो ने एल्कोआ द्वारा विकसित निष्क्रिय एनोड प्रौद्योगिकी का व्यावसायीकरण करने के लिए एक संयुक्त उद्यम, एलिसिस का गठन किया है। निष्क्रिय एनोड एक सीर्मेट सामग्री है, जो निकल फेराइट के सिरेमिक मैट्रिक्स में तांबे की मिश्र धातु का एक धातु फैलाव है। ऊर्जा उपयोग एल्यूमीनियम गलाना अत्यधिक ऊर्जा गहन है, और कुछ देशों में बिजली के सस्ते स्रोत होने पर ही किफायती है। कुछ देशों में, गलाने वालों को अक्षय ऊर्जा लक्ष्यों जैसी ऊर्जा नीति से छूट दी जाती है। उदाहरण एल्यूमीनियम गलाने वाले एल्कन लाइनेमाउथ एल्यूमीनियम गलाने वाला, उत्तर पूर्व इंग्लैंड में कोयले से चलने वाले लाइनेमाउथ पावर स्टेशन द्वारा संचालित, एंग्लेसी एल्यूमीनियम, उत्तर-पश्चिम वेल्स में वाइल्फा परमाणु ऊर्जा स्टेशन द्वारा संचालित (30/09/09 के रूप में बंद) घाना में वाल्को एल्यूमीनियम गलाने वाला, आइसलैंड में अकोसोम्बो जलविद्युत परियोजना फ्जारडाल द्वारा संचालित, उड़ीसा, भारत में कराहंजुकर जलविद्युत संयंत्र झारसुगुडा द्वारा संचालित, अपने स्वयं के कोयले से चलने वाले बिजली स्टेशन द्वारा संचालित किया जाएगा। सितंबर-इल्स, क्यूबेक में एलुमिनिरी अलोएट। बहरीन में अल्बा स्मेल्टर, कुल उत्पादन क्षमता के साथ अपने स्वयं के चार बिजली स्टेशनों द्वारा संचालित है। एल्यूमीनियम गलाने वालों की सूची एल्यूमिना रिफाइनरियों की सूची लीड गलाने वाली परमाणु शक्ति जस्ता गलाने वाली ठोस ऑक्साइड हॉल-हेरोल्ट प्रक्रिया संदर्भ धातुकर्म प्रक्रियाएं गलाने वाली इलेक्ट्रोलिसिस डीः Aluminium#Gewinnung