تكرير الألومنيوم في الفرن

يُعد تكرير الألومنيوم في الفرن خطوة مهمة في عملية صب الألومنيوم. وتشمل الأسباب التي تستلزم تكرير الألومنيوم المنصهر في فرن الاحتفاظ بشكل أساسي الجوانب الأربعة التالية:

أولاً، قبل الصب، من الضروري التأكد من أن محتوى الهيدروجين في الألومنيوم المنصهر يفي بمتطلبات المنتج النهائي. ونظرًا لاختلاف أنواع التغذية في فرن الصهر واختلاف درجة حرارة الصهر، يختلف محتوى الهيدروجين في الألومنيوم المنصهر بعد الصهر، لكنه يظل أعلى بكثير من المؤشر المطلوب للمنتج النهائي المصبوب. بالاعتماد على نظام المراقبة عبر الإنترنت وحدة إزالة الغازات من الصعب تلبية المتطلبات بالاعتماد على ذلك وحده، الأمر الذي يستلزم تكرير الألومنيوم المنصهر في الفرن لتقليل محتوى الهيدروجين وتهيئة الظروف اللازمة للتنقية أثناء التشغيل.

ثانياً، يوجد انخفاض كبير بين مدخل الألومنيوم المنصهر في فرن الاحتفاظ والقناة المقلوبة. بالنسبة لفرن الاحتفاظ الذي تبلغ سعته 85 طنًا، يبلغ الانخفاض عادةً 1100 متر. ويتفاوت هذا الانخفاض وفقًا لسعة فرن الاحتفاظ. فكلما زادت سعة فرن الاحتفاظ، زاد الانخفاض. والسبب في ذلك هو أن عمق بركة المعدن المنصهر يزداد مع زيادة حجم الألومنيوم المنصهر. وهذا يؤدي إلى حدوث صدمات ورشاشات عندما يدخل الألومنيوم المنصهر إلى فرن الاحتفاظ عبر قناة الفرن المقلوبة، كما أن سائل الألومنيوم يمتص الهيدروجين مرتين، مما يؤدي إلى زيادة محتوى الهيدروجين.

ثالثًا، الهيدروجين غاز يسهل ذوبانه في الألومنيوم وسبائكه. وتتأثر قابلية ذوبان الهيدروجين بدرجة حرارة الألومنيوم المنصهر. فكلما ارتفعت درجة حرارة الألومنيوم المنصهر، زادت ميله إلى امتصاص الهيدروجين بشكل أكثر وضوحًا. وعند تغذية فرن الصهر، ومن أجل توفير الطاقة وتقليل استهلاك الوقود وتقليل وقت الصهر، يتم استخدام سائل الألومنيوم الإلكتروليتي وسبائك الألومنيوم الأصلية للخلط والتغذية. ونظرًا لخصائص سائل الألومنيوم الكهربائي نفسه، أي أن درجة الحرارة تزيد عن 800 درجة مئوية، مما يؤدي إلى امتصاص غازي مرتفع من سائل الألومنيوم الكهربائي، وقد يتجاوز محتوى الهيدروجين أحيانًا 0.500 مل/100 غرام. يتجاوز محتوى الهيدروجين في الألومنيوم المنصهر الذي يُسكب في فرن الاحتفاظ في نهاية عملية الصهر بكثير المؤشر المطلوب للصب.

رابعًا، بالنسبة للألمنيوم المنصهر الذي يحتوي على نسبة عالية من الفلزات القلوية Li وNa وK، من الضروري إضافة Cl₂ أثناء عملية تكرير الألمنيوم المنصهر لإزالة الفلزات القلوية وتحسين الخصائص الميكانيكية للمادة. وفي الوقت نفسه، تؤثر طبيعة طبقة الأكسيد بشكل مباشر على محتوى الهيدروجين في سائل الألمنيوم. ويرتبط طبقة الأكسيد ارتباطًا وثيقًا بعناصر الفلزات القلوية. فالخصائص الكيميائية لعناصر الفلزات القلوية تكون نشطة ومركزة على سطح سائل الألومنيوم، مما يؤدي إلى تفكك طبقة الأكسيد وتعزيز امتصاص سائل الألومنيوم للهيدروجين؛ فعلى سبيل المثال، يمكن أن يصل محتوى الهيدروجين في سبيكة الألومنيوم والليثيوم (AI-Li) إلى 10 أضعاف محتواه في سبائك الألومنيوم العادية.

تكرير الألومنيوم في الفرن

بناءً على الأسباب الأربعة المذكورة أعلاه، يعد تكرير الألومنيوم المنصهر في الفرن أمرًا ضروريًا، بحيث يصل محتوى الهيدروجين في الألومنيوم المنصهر إلى 0.250 مل/100 غرام أو أقل قبل دخوله إلى نظام إزالة الغازات أثناء الإنتاج من فرن الاحتفاظ، مما يهيئ الظروف اللازمة لوحدة التكرير أثناء الإنتاج لتلبية متطلبات منتج الصب.

هناك طريقتان تقليديتان لتكرير الألومنيوم المنصهر في فرن الاحتفاظ، إحداهما هي إضافة عامل تكرير, ، والأخرى هي عملية التكرير باستخدام CCl₄.

المكونات الرئيسية لعامل التنقية هي كلوريد الصوديوم (NaCl) وفلوريد الصوديوم (NaF) وكلوريد البوتاسيوم (KCl) وغيرها، وتقل درجة انصهار عامل التنقية عن درجة حرارة الانصهار المتساوي لكلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم البالغة 665 درجة مئوية، كما أنها أقل من درجة انصهار سبائك الألومنيوم. ويتمثل المبدأ الرئيسي لعامل التكرير في استخدام خصائص الترطيب التي تتمتع بها هذه المذيبات الملحية لترطيب الشوائب الأكسيدية الموجودة في الألومنيوم المنصهر، ثم تعويمها إلى سطح الألومنيوم المنصهر لإزالتها. وذلك لأن الشوائب المؤكسدة والهيدروجين الموجودان في سائل الألومنيوم يعتبران عناصر طفيلية ويؤثر كل منهما على الآخر. ومع تقليل الشوائب المؤكسدة، ينخفض محتوى الهيدروجين في الألومنيوم المنصهر، لذا يمكن إزالة جزء من الهيدروجين الموجود في الألومنيوم المنصهر أثناء عملية إزالة الشوائب. ويتمثل المبدأ الرئيسي لاستخدام تكرير CCL4 في استخدام كلوريد الهيدروجين (Cl₂) الناتج عن تحلل CCl₄. ونظرًا لاختلاف الضغط الجزئي للهيدروجين داخل وخارج فقاعة الكلور (Cl₂)، يدخل الهيدروجين إلى الفقاعة ويتم إخراجه بواسطة الفقاعة أثناء عملية الطفو لتقليل محتوى الهيدروجين في سائل الألومنيوم. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي التفاعل الكيميائي للكلور (Cl₂) مع الفلزات القلوية إلى تقليل محتوى الفلزات القلوية.