سیکل تولید آلومینیوم اولیه

تولید صنعتی آلومینیوم اولیه به وسیله فرایند هال-هرولت انجام می شود. هال و هرولت به صورت جداگانه در سال 1886 فرایند الکترولیزی را توسعه دادند که در آن اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) در یک الکترولیت حاوی عمدتا کریولیت (Na₃AlF₆) و آلومینیوم فلورید (AlF₆) حل می شود. در سلول های الکترولیز مدرن آلومینیوم، چندین آند prebaked کربنی درون کریولیت غوطه ور می شوند و یون های اکسید از آلومینای حل شده خارج شده و به سمت آند می روند. اکسیدها به سرعت با آند کربنی واکنش داده و در نهایت آن را با تولید گاز کربن دی اکسید (CO₂) مصرف می کند. در زیر الکترولیت، استخری از آلومینیوم مذاب بر روی کاتد سلول وجود دارد. آلومینیوم تازه از آنیون های حاوی آلومینیوم در فصل مشترک آلومینیوم-الکترولیت تولید می شود.

ساختمان هایی که سلول­های الکترولیز در آن قرار دارند (potrooms) بسیار عظیم می باشند و می توانند بیش تر از یک کیلومتر طول داشته باشند. در یک potroom بین 100 تا 400 سلول الکترولیز به صورت سری به یکدیگر متصل می شوند، به طوری که کاتد یک سلول به آند سلول بعدی (که در اصطلاح فنی potline نامیده می­شود) متصل می شود. اتصال سری این اجازه را می­دهد تا از رکتی فایر با ولتاژ بالا استفاده کرد و برای potline های جدید، بیشترین ولتاژ ممکن است به بالاتر از V 1500 برسد. اگرچه جریان potline ثابت نگه داشته می­شود، اما هر سلول ولتاژ منحصر به فرد خود را دارد تا الزامات تکنولوژیکی فرایند از قبیل: بالانس حرارت، شرایط عملیات سلول و سن و شرایط کاتد برآورده شود.

هم اکنون potline های مدرن آمپر بین KA 300 تا KA 600 دارند، که بزرگترین سلول­های حال حاضر می­باشند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است سلول ها به صورت پهلو به پهلو گذاشته می شوند تا عوارض مغناطیسی جریان بالا و اتلاف حرارت از سلول ها کاهش یابد. سلول­های قدیمی­تر که آمپر کمتر از KA 200 داشته­اند که اغلب به صورت انتها به انتها قرار داده می­شدند.

این سلول­ها به صورت شبانه روزی این فلز ارزشمند را به میزان زیاد تولید می­کنند، این مقدار ممکن است 100 کیلوگرم به ازای هر ساعت و یا بیشتر باشد. با جمع کردن میزان آلومینیوم تولیدی توسط هر سلول میزان تولید آلومینیوم در یک کارخانه بسیار زیاد خواهد شد به طوری که بزرگترین تولید کنندگان آلومینیوم جهان میزان تولید سالانه بیشتر از 1 میلیون تن نیز گزارش کرده ­اند.

فرایند تولید آلومینیوم هنوز هم از یک فرایند تمام اتوماتیک فاصله دارد. جرثقیل (کرین)ها با حرکت جلو و عقب خود به انتقال و تعویض آندها و تخلیه آلومینیوم از سلول کمک می­کنند. ماشین­های بزرگی مذاب­ها را به خارج از potline انتقال می­دهند. این ماشین­ها مذاب را به کارگاه ریخت به منظور ریخته­گری و یا عملیات اضافی انتقال می­دهند.

قسمت بالایی سلول سوپراستراکچر سلول نامیده می­شود. هودها به منظور آسان سازی امر جمع­آوری گازهای آند و بخارات فلوئوریدی از الکترولیت و انتقال آنها به واحد گردوغبار در آن قسمت قرار داده شده­اند. میله های آلومینیومی بزرگ عمودی (رایزر آندها نامیده می­شوند) اتصال جریان از کاتد منفی سلول همسایه به آند مثبت سلول مورد نظر را برقرار می­کند.

یک لایه از آلومینا به علاوه الکترولیت جامد روی آند را پوشش می­دهد. برای اضافه کردن اتوماتیک آلومینا به الکترولیت باید این پوسته سخت تشکیل شده بر روی آندها شکسته شود که این کار در قسمت بین دو ستون آند انجام می­شود. در زیر این پوسته یک لایه cm 20-15 الکترولیت و یک لایه cm 20-10 از آلومینیوم مذاب در زیر الکترولیت قرار دارد. این دو مذاب چگالی متفاوت دارند و به همین خاطر با یکدیگر مخلوط نمی­شوند. آلومینا در الکترولیت حل می­شود، سپس به منظور تولید آلومینیوم مذاب در کاتد الکترولیز می­شود. در potroom ها به خاطر گرمای ساطع شده از سلول­ها، گرمای محیطی بالایی وجود دارد. اگر سیستم­های تهویه طبیعی در potlineها تعبیه نشود، دمای محیط در potline افزایش خواهد یافت. در مناطق داغ، در معرض گرما قرار گرفتن مشکلات جدی در potroom به وجود می­آورد، به همین دلیل برنامه­های متعددی برای اطلاعات، سازش با محیط و تدابیر پیشگیرانه وضع می­شود.

جریان بالایی که در هر سلول جریان دارد، میدان­های مغناطیسی ایستای قوی ایجاد می­کند. از آنجایی که این میدان­ها توسط بدن انسان حس نمی­­شود، می­توانند به ساعت و کارت­های اعتباری آسیب بزنند. افرادی که دستگاه تنظیم کننده ضربان قلب دارند نباید اجازه داده شود تا وارد این قسمت شوند، چون ممکن است این دستگاه­ها نیز تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار گیرند.در سیستم­های بزرگ اتصالات زیادی هست که به وسیله مواد آزبست بسته شده­اند. سابقاً از آزبست به منظور جلوگیری از نشت فلز مذاب از سلول استفاده می­شد. آزبست به عنوان یک ماده سرطان­زا شناخته شده می­باشد.

در طی سال­های پس از اختراع در سال 1886، تولید صنعتی آلومینیوم از صنعت به علم توسعه پیدا کرد. فهم بیش­تر فرایند از تحقیقات فراوان و کارهای توسعه­ای به خصوص در  نیمه دوم قرن بیستم بدست آمد. این تحقیقات هم در کارخانه­های آلومینیوم و هم موسسات آکادمیک انجام شد.

واکنش الکتروشیمیایی کلی برای تولید صنعتی آلومینیوم مذاب ممکن است به صورت زیر نوشته شود:

این واکنش بسیار ساده می­باشد و دو ماده خام اصلی آلومینا و کربن و دو محصول آلومینیوم مذاب و کربن دی اکسید را نشان می­دهد.

میزان مواد خام استفاده شده در فرایند در شکل 2 نشان داده شده است. آلومینا بر اساس نسبت استوکیومتری پیش­بینی شده دراین واکنش مصرف می­شود. میزان تئوری مصرف آلومینا kg 89/1 به ازای تولید یک کیلوگرم آلومینیوم می­باشد. اگرچه در عمل میزان استفاده شده آلومینا به ازای تولید یک تن آلومینیوم  kg 93/1 می باشد و دلیل آن کاملا خالص نبودن آلومینای خریداری شده می­­باشد. آلومینا همیشه حاوی مقادیر کمی از ناخالصی­های اکسیدی مانند Na₂O, CaO, Fe₂O₃ و SiO₂ می­باشد. به علاوه از واکنش بالا برداشت می­شود که به ازای تولید هر مول آلومینیوم سه چهارم مول گاز CO₂ تولید می­شود. یک دوم مول آلومینا باید به صورت تئوری با  kg 33/0 کربن واکنش دهد تا  kg 1 آلومینیوم و kg  22/1CO₂ تولید شود. با این وجود، به دلیل دیگر واکنش­های کربن با اکسیژن و CO₂ بین 4/0 تا 45/0 کیلوگرم کربن به ازای هر کیلوگرم آلومینیوم مصرف می­شود. این مصرف خالص آند نامیده می­شود و منجر به تولید تقریبا 5/1kg گاز CO₂ با ازای یک کیلوگرم آلومینیوم می­شود.

آلومینا باید به طور منظم به الکترولیت اضافه شود تا تولید الکترولیتیک طبیعی به صورت پیوسته حفظ شود. سلول­های الکترولیز جدید دارای سیستم  تغذیه نقطه­ای برای شارژ آلومینا هستند. آلومینا به صورت خودکار از هاپری که در قسمت سوپراستراکچر سلول قرار دارد شارژ می­شود. در هر دو تا شش بار شارژ سلول توسط سیستم تغذیه،  kg1 آلومینا در هر دقیقه یا بیشتر، به الکترولیت اضافه می­شود. این کم اضافه کردن توانایی پودر آلومینا را برای حل شدن، مخلوط شدن و پراکنده شدن در الکترولیت را افزایش می­دهد. غلظت متوسط آلومینا در الکترولیت معمولا در محدوده 2 تا 4 درصد نگه داشته می­شود. غلظت بالاتر آلومینا  ممکن است باعث تشکیل مقادیر اضافی آلومینای غیرقابل حل شود، که در اصطلاح صنعتی به آن رسوب (sludge) گفته می­شود. Sludge به خاطر چگالی بالایش در پایین فلز مذاب جمع می­شود. Sludge ناخواسته می­باشد هیچ استفاده مفیدی در سلول ندارد، چون با افزایش مقاومت الکتریکی سلول باعث افزایش ولتاژ آن می­شود.

برعکس، غلظت پایین آلومینا در الکترولیت می­تواند به طور چشم­گیری فرایند آند را تغییر دهد که anode effect نامیده می­شود. Anode effect به دلیل تشکیل یک لایه گازی عایق الکتریسیته در زیر آند، باعث افزایش ولتاژ در سلول (شاید V 40 تا 30 به جای V 5/4 تا 4) می­شود. در این هنگام ترکیب شیمیایی گاز آند به طور ناگهانی از تقریبا CO₂ خالص به عمدتا CO تغییر کرده و همچنین مقادیری از ترکیبات گازهای پرفلوئورکربن، CF₄ و مقدار کمی از گاز C₂F₆ تشکیل می­شود. این گازها، گازهای گلخانه­ای با پتانسیل گرمایش جهانی بالا هستند و طول عمر بالایی در اتمسفر دارند (در حدود 10000 سال).

تشکیل این گازها می­توانند با کاهش فرکانس anode effect (تعداد anode effect در سلول در روز) و مدت anode effect (به صورت دقیقه داده می­شود) کاهش یابد. در حال حاضر همه تولید کنندگان آلومینیوم پیشرفت های قابل توجهی در کاهش انتشارات گازهای پرفلوئورکربن داشته­اند. اغلب سلول­های prebaked مدرن به طوری کنترل می­شوند که برای مدت یک هفته یا چندین ماه بدون حتی یک anode effect کار می­کنند.

قبل از ترک کردن موضوع anode effect، این موضوع باید ذکر شود که 70 تا 80 درصد گاز تولید شده در زیر آند CO می­باشد. در برخی موارد برای پایان دادن به anode effect ممکن است نیاز به مداخله دستی باشد  که اپراتور ممکن است این گاز سمی را تنفس کند. حتی اگر این پدیده به صورت جزیی مطالعه نشده باشد، غلظت گاز CO در محیط کار در potline ها باید پایین­تر از حد مضر برای انسان باشد.

علاوه بر اینکه مواد اولیه برای تولید لازم می­باشند، آلومینا زمانی که بر روی پوسته جامد روی الکترولیت قرار می­گیرد، به عنوان عایق حرارتی عمل می­کند و اتلاف حرارت را کاهش می­دهد. آلومینا همچنین برای پوشانده روی آند نیز استفاده می­شود، که باعث نگهداری حرارت و به حداقل رسانده سوختن آند کربنی در هوا می­شود. بیشتر اوقات مخلوطی از پودر آلومینا و تکه­های جامد الکترولیت استفاده می­شود.

سومین نقش بزرگ آلومینا مهمترین آن می­باشد. آلومینا برای گرفتن انتشارات فلوئوریدی از سلول در تمیز کننده گاز آند استفاده می­شود. این روش به نام dry scrubbing method (روش شستشو خشک) مشهور می­باشد. پودر آلومینا هیدروژن فلوئوراید (HF) را جذب و همچنین میعانات فلوئوریدی (به خصوص سدیم تترا فلوئورو آلومینیوم (NaAlF₄)) را به دام می­اندازد. آلومینای بدست آمده به نام آلومینای ثانویه معروف می­باشد و برای تغذیه به درون سلول استفاده می­شود. گاز خارج شده از دودکش­ها حاوی CO₂ و مقدار کمی گاز پرفلوئورکربن می­باشد که به درون اتمسفر رها می­شود.

فرایندهای قبل از فرستادن مذاب به کارگاه ریخت، فرایندهای upstream نامیده می­شوند، درحالی که فرایندها در کارگاه ریخت برای تولید محصول نهایی فرایندهای downstream نامیده می­شوند.

مواد خام استفاده شده در فرایند تولید آلومینیوم

1- آلومینا

آلومینای خالص از بوکسیت به وسیله فرایند بایر بدست می­آید. در فرایند بایر آلومینا به وسیله هضم قلیایی بوکسیت خورد شده در دما و فشار بالا، درون اتوکلاو استخراج می­شود. ادامه فرایند با تصفیه، رسوب، شست و شو و در نهایت کلسینه کردن به منظور بدست آوردن آلومینای بدون آب و خالص دنبال می­شود. این ماده سفید رنگ و شبیه به نمک معمولی می­باشد. آلومینیوم نقطه ذوب بالا، بیشتر از ℃ 2050 دارد و از لحاظ شیمیایی بسیار پایدار می­باشد. این دلیل انرژی زیاد مورد نیاز برای تولید آلومینیوم از آلومینا می­باشد.

2- انرژی الکتریکی

مقدار زیادی انرژی الکتریکی به منظور تولید آلومینیوم از آلومینا مورد نیاز می­باشد. اغلب سلول­های ذوب آلومینیوم نزدیک به kWh 13 برای تولید kg 1 آلومینیوم نیاز دارند در حالی که متوسط جهانی برای تولید 1 کیلوگرم آلومینیوم kWh/kg 14 می­باشد.

معمولا انرژی 30 درصد هزینه تولید آلومینیوم نهایی را تشکیل می­دهد و به همین دلیل قیمت انرژی اقتصادی بودن یا نبودن فرایند را مشخص می­کند. در سال­های اخیر انرژی لازم برای تولید آلومینیوم به وسیله بهبود تکنولوژیکی فرایند کاهش پیدا کرده است. با این وجود، با افزایش پیوسته تقاضای جهانی برای انرژی الکتریکی، صرفه جویی در مصرف انرژی در همه بخش­های فرایند مهم­ترین وظیفه خواهد بود. کارخانه­های تولید آلومینیوم جدیدتر در مناطقی ساخته می­شوند که انرژی الکتریسیته در دسترس و ارزان­تر باشد.

3- آندهای کربنی Prebaked

امروزه همه واحدهای ذوب آلومینیوم از آندهای کربنی در سلول­های الکترولیز استفاده می­کنند. کربن یک هادی الکتریسیته خوب، منطقی و مهم می­باشد. کربن می­تواند در مقابل شرایط خورنده الکترولیت مذاب حاوی فلوئورید در دماهای بالاتر از ℃ 960 مقاومت کند. به علاوه، یک بخش فعال از واکنش الکتروشیمیایی می­باشد، بنابراین در کاهش ولتاژ سلول تا V 1 ولت مشارکت می­کنند. همینطور انرژی الکتریکی با سوختن کربن ذخیره می­شود. براساس واکنش 1 ممکن است کربن را به عنوان یک ماده خام در تولید آلومینیوم در نظر بگیریم، چون کربن به وسیله واکنش آند مصرف می­شود.

یک آند prebaked معمولی از مخلوط پترولیوم کک، قیر و باتس ساخته شده است. باتس قسمت باقی­مانده آند تعویض شده از سلول الکترولیز می­باشد. میزان باتس مصرفی در آندهای جدید می­تواند تغییر کند، اما معمولا بین 15 تا 25 درصد استفاده می­شود.

مهم­ترین جز آندهای کربنی prebaked پترولیوم کک کلسینه شده می­باشد. وقتی نفت خام پالایش می­شود، باقیمانده­های واحد تقطیر وارد مرحله بعد می­شوند. این باقیمانده­ها در دمای  450 و در فشار 5-4 بار برای تولید کک سبزتحت عملیات قرار می­گیرند.

کک بدست آمده از این فرایند بسیار خالص می­باشد و به همین دلیل مهم­ترین منبع برای آندهای کربنی می­باشد. این کک نیاز دارد تا در دمای  1200 به منظور حذف اجزای فرار و افزایش چگالی، استحکام و حفرات قبل ورود به میکسرهای تولید آند، کلسینه شود.

به علاوه، آندهای کربنی حاوی 16-13 درصد قیر می­باشند که به عنوان چسب استفاده می­شود. قیر عمل اتصال کک و ذرات باتس به یکدیگر را در آند انجام می­دهد.

در فرایند تولید آند، پترولیوم کک و مواد اندی قابل بازیافت (باتس)، خرد و الک می­شوند. در مرحله بعد مواد به منظور رسیدن به دانه بندی مورد نظر با هم مخلوط می­شوند. بعد مقدار کافی قیر (16-13 درصد) به مخلوط اضافه و هم زده می­شود، سپس درون بلوک­های آند خام به وسیله پرس یا ویبره قالب گیری می­شوند. قبل از اینکه این آندهای خام در سلول الکترولیز استفاده شوند باید درون کوره­های پخت جداگانه­ای در دمای 1150-1200 پخته شوند. عمل پخته شدن باعث کربونیزه و ایجاد بلوک­های آند چگال و مستحکم می­شود.

برای ایجاد اتصال الکتریکی و پشتیبانی فیزیکی آند، یک میله آلومینیومی یا مسی با یک یوک آهنی به آند متصل می­شود. سپس درون حفره موجود روی آند چدن ریزی انجام می­شود که دلیل آن ایجاد اتصال الکتریکی و مکانیکی خوب بین آند کربنی و میله می­باشد. این عملیات anode rodding نام دارد.

مواد الکترولیت

چهار عملکرد الکترولیت به شرح زیر است:

• باید حلالی برای آلومینا باشد تا شرایط را برای تجزیه الکترولیتکی آن فراهم کند، تشکیل آلومینیوم مذاب و گاز CO₂
• انتقال الکتریسیته از آند به کاتد
• ایجاد یک جدایش فیزیکی بین آلومینیوم کاتدی تولید شده و گاز CO­₂ آندی
• ایجاد یک مقاومت گرما ساز که سلول را اجازه می­دهد تا خودش را گرم کند

کریولیت معمولا از تقریبا % 80-70 الکترولیت مذاب که شامل آلومینیوم فلوئورید اضافی (% 12-9)، کلسیم فلوئورید (% 7-4) و آلومینا (% 4-2) می­باشد. این سه ماده افزودنی باعث کاهش نقطه ذوب الکترولیت و دمای عملیاتی سلول و در نتیجه افزایش بازده فرایند می­شود.

1- کریولیت

کریولیت دارای ترکیب شیمیایی استوکیومتری Na­_3­­AlF­­₆ و نقطه ذوب  1011 می­باشد. کریولیت در اوایل قرن 21 استخراج می­شد، اما معدن­کاری هم اکنون انجام نمی­شود، بنابراین کریولیت باید به صورت مصنوعی ساخته شود. این ماده می­تواند با واکنش هیدروفلوئوریک اسید با محلول قلیایی سدیم آلومینات براساس واکنش 2 تولید شود.

واکنش2 :                                                             6HF(g) + 2 NaOH + NaAlO₂ = Na₃AlF₆ + 4H₂O (g)

2- آلومینیوم فلوئورید

آلومینیوم فلوئورید (AlF₃) ممکن است -9 الکترولیت را تشکیل دهد. آلومینیوم فلوئورید حین عملیات معمولی طبق سه مکانیزم مصرف می­شود. اولین و مهم­ترین، آلومینیوم فلوئورید با اکسید سدیم که همیشه به صورت ناخالصی در آلومینا وجود دارد، واکنش می­دهد پس این مقدار باید جایگزین شود. برای ثابت نگه داشتن میزان آلومینیوم فلوئورید درون سلول الکترولیت، به ازای هر یک تن آلومینیوم تولیدی kg 20 AlF₃  به الکترولیت اضافه می­شود.

دومین مکانیزم مصرف AlF₃ ناشی از الکترولیز رطوبت موجود در سلول به هر شکلی می­باشد (واکنش 3).

واکنش 3 :                                                                             2AlF₃ + 3H₂O(g) = Al₂O₃ + 6HF(g)

گاز هیدروژن فلوئورید به شدت خطرناک می­باشد. خوشبختانه، بخارات جمع آوری می­شوند و بازده gas scrubbing به میزان زیادی در ذوب آلومینیوم بهبود پیدا کرده است، به همین دلیل میزان بسیار کمی از HF وارد potroom و محیط می­شود.

در نهایت اتلاف آلومینیوم فلوئورید به وسیله تبخیر از الکترولیت محسوس می­باشد. فرارترین گونه­ای که از الکترولیت منتشر می­شوند، بخار سدیم تترافلوئوروآلومینیوم (NaAlF₄) می­باشد. این بخار بسته به ترکیب شیمیایی و دمای الکترولیت دارای فشار جزئی Pa 600-400 بر روی الکترولیت می­باشد.  خوشبختانه بیشتر از  98 درصد فلوئورید، شامل HF(g)، توسط فرایند gas cleaning جمع آوری شده و به همراه آلومینای ثانویه به سلول برمی­گردند. اگر غلظت گاز HF به غلظت­های بالا، بیشتر از ppm 100، در دوره­های کوتاهی از عملیات ذوب برسد، این میزان بالای گاز احتمال مریضی تنگی نفس و آسم را افزایش می­دهد. آسم شغلی در کارگران بخش ذوب در مطالعات زیادی گزارش شده است.

3- کلسیم فلوئورید

کلسیم فلوئورید عمدا و به میزان کم به الکترولیت اضافه می­شود. به خاطر مقدار خیلی کم اکسید کلسیم موجود در آلومینا به شکل ناخالصی (تقریبا wt% 035/0)، میزان غلظت کلسیم فلوئورید در مذاب در محدوده wt% 7-4 ثابت نگه داشته می­شود. در این سطح مقدار کمی از کلسیم به درون آلومینیوم رسوب می­کند، در حالی که مقداری از آن به صورت ترکیبات کلسیمی (بخار CaCO₃) خارج می­شوند.

در نهایت، وقتی کارگران با الکترولیت مذاب کار می­کنند ایمنی بالایی مورد نیاز می­باشد. هر ماده واکنش پذیری با تماس با الکترولیت و فلز می­تواند خطر ایجاد کند. رطوبت خطرناک­ترین مواد می­باشد. امکان ترکیدن الکترولیت مذاب وجود دارد، به همین دلیل باید با توجه و آگاهی رفتار شود. الکترولیت و فلز مذاب دمای تقریبا  950 دارند و حاوی فلوئورید خورنده می­باشد.

پارامترهای عملیاتی برای فرایند ذوب آلومینیوم

1- بازده جریان

بازده جریان یک پارامتر تکنولوژیکی خیلی مهم می­باشد که برای توصیف کارائی فرایند استفاده می­شود. بازده جریان، بخشی از جریان است که برای تولید آلومینیوم استفاده می­شود. بر اساس قانون فارادی kAh 1 جریان الکتریکی باید از نظر تئوری kg 335/0 آلومینیوم تولید کند، اما فقط % 96-90 از این مقدار می­تواند در صنعت بدست آید. جلوگیری از اتلاف به خصوص در فرایند الکترولیز امری بسیار سخت می­باشد. مکانیزم اتلاف در الکترولیز آلومینیوم، ترکیب مجدد محصولات آندی و کاتدی می­باشد، این فرایند را back reaction می­نامند. در این واکنش، آلومینیوم دوباره با CO₂ واکنش داده و تولید آلومینا و کربن مونوکسید می­کند.

برای محاسبه این اتلاف و اندازه­گیری بازده الکتروشیمیایی فرایند، مفهوم بازده جریان در صنعت به صورت نسبت نرخ تولید اندازه­گیری شده به نرخ تولید تئوری معرفی شده است (واکنش 4).

 واکنش 4:                                                                                         

در این رابطه، p نرخ تولید اندازه­گیری شده (kg/h) و P₀ نرخ تولید تئوری می­باشد (kg/h) که از قانون فارادی محاسبه شده­اند.

علاوه بر back reaction، چندین مکانیزم دیگر وجود دارد که باعث اتلاف کم در بازده جریان می­شود.

2- انرژی مصرفی

انرژی مصرفی به صورت kWh/kg Al گزارش می­شود و به وسیله معادله زیر گزارش شود:

 واکنش 5:                                                                                               

ولتاژ اینجا ، ولتاژ عملیاتی سلول می­باشد که به صورت ولت (V) گزارش می­­شود، و CE بازده جریان می­باشد که بصورت کسری (نه درصد) می­باشد. مصرف انرژی بهترین پارامتر تکنولوژیکی در تولید آلومینیوم می­باشد، چون رابطه آن بازده جریان را نیز شامل می­شود.

3- بازده انرژی

بازده انرژی به صورت بخشی از انرژی الکتریکی (شدت جریان ضرب در ولتاژ) که برای تولید آلومینیوم استفاده می­­شود، تعریف شده است. مقادیر معمول، حتی در سلول های مدرن تنها بین % 50-45 می­باشد. مابقی انرژی تولید گرما سبب گرم شدن محیط اطراف می­­شود. یکی از مهم­ترین وظایف صنایع در آینده، کاهش انرژی مصرفی و در نتیجه افزایش بازده انرژی می­باشد.

• عملیات سلول

اقدامات زیر باید به طور منظم یا در فواصل زمانی مشخص در potline انجام شود:

• تغذیه آلومینا
• تعویض آند و پوشاندن آند
• تخلیه مذاب
• اضافه کردن آلومینیوم فلوئورید
• Rack raising

امروزه تغذیه آلومینا به صورت خودکار و با استفاده از تغذیه نقطه­ای انجام می­شود، بنابراین در حال حاضر تعویض آند به صورت دستی سخت­ترین کار می­باشد. آندهای prebaked باید در فواصل زمانی معین، زمانی که اندازه آنها به یک چهارم اندازه اصلی رسید تعویض شوند.  این پس از 30-25 روز اتفاق می­افتد. Potline های مدرن این قابلیت را دارند تا با استفاده از کرین­ها عمل تعویض آندها را انجام داده شود. روش دیگری هم که در تعداد زیادی از واحدها مرسوم است، استفاده از ماشین های تعویض آند می­باشد.

تعویض آند باعث بزرگترین اختلال­های عملیاتی در سلول با آندهای prebaked می­شود. وقتی یک آند جدید و سرد قرار داده می­­شود، با وزن تقریبا 1 تن، یک لایه از الکترولیت زیر آند به سرعت منجمد می­شود، تقریبا 24 ساعت زمان نیاز است تا این لایه دوباره کاملا ذوب شود. این موضوع باعث کاهش دمای موضعی الکترولیت خواهد شد، چون آند جدید جریان کمی برای فرایند ذوب دوباره می­کشد. لایه الکترولیت جامد هدایت الکتریک ضعیفی دارد. این لایه حتی توزیع جریان آندی را در سلول مختل می­کند.

وجود برخی از گرد و غبارات در هوای داخل potroom اجتناب ناپذیر است. این گرد و غبارات از آلومینا و فلوئورید الکترولیت می­باشند.

به خصوص در حین تعویض آند، تراکم قابل توجهی از نانو ذرات با اندازه کمتر از nm 20 در اطراف آند می­تواند ثبت شود. این ذرات احتمالا زمانی تشکیل می­شوند که جرم مذاب در معرض محیط سردتر قرار می­گیرد. سطح این ذرات بزرگ است و HF، SO₂، Be و دیگر ذرات روی سطحشان پتانسیل خطرناک بودن دارند. پس از آزاد شدن این ذرات به درون هوا، اندازه نانوذرات افزایش می­یابد.

پوشاندن آند معمولا 4 ساعت پس از تعویض آند انجام می­شود. از آنجایی که در طی فرایند آندها داغ می­شوند، پس ما باید از اکسید شدن آنها در هوا به وسیله اکسیژن و اتلاف حرارت جلوگیری کنیم، به همین خاطر پوشش دادن آندها انجام می­شود. مواد پوششی برای آند نباید ناخالصی وارد محصول نهایی کنند به همین دلیل مخلوطی از آلومینا و الکترولیت بازیافت شده استفاده می­شود. ترکیب شیمیایی پوشش آند می­تواند نقش مهمی در واکنش با بخارات زیر پوسته ایفا کند. پوشش ضعیف آند باعث هوا سوزی آند خواهد شد.

آندهای تعویض شده، باتس­ها، در ایستگاه butts-cleaning تمیز می­شوند. ابتدا الکترولیت و آلومینای چسبیده به آن جدا شده و به سلول باز می­گردند. باتس های تمیز شده سپس خرد شده و به عنوان مواد اولیه در تولید آندهای جدید استفاده می­شود.

تخلیه آلومینیوم مذاب از سلول tapping نامیده می­شود و این کار بسیار سخت و طاقت فرساییست. لوله پاتیل یا بوته خلا به درون لایه فلز مذاب درون سلول وارد می­شود و سپس به وسیله مکش، مذاب به درون بوته وارد می­شود. فلز مذاب سپس وزن شده و به کارگاه ریخت منتقل می­شود. معمولا کرین به عملیات تخلیه مذاب کمک می­کنند.

اضافه کردن آلومینیوم فلوئورید در سلول­های مدرن به صورت اتوماتیک انجام می­شود. یک یا چند سیلو در سوپراستراکچر سلول تعبیه شد است و اضافه کردن این ماده از محل شارژ آلومینا انجام می­شود.

آخرین عملیات دستی که قبلا ذکرشد، rack raising یا beam raising نام دارد. Anode beam همه آندها را در یک موقعیت نگه می­دارد و از آنجایی که آندها مصرف می­شوند پس فاصله بین آند و کاتد تغییر خواهد کرد. برای ثابت نگه داشتن این فاصله، آندها به مرور زمان پایین می­آیند. گاهی اوقات Anode beam خیلی پایین می­آید، به طوری که دیگر امکان پایین آمدن آن وجود ندارد. در این زمان از ماشین مخصوصی برای بالا آوردن beam استفاده می­کنند.