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admin

2016-12-22 08:22:58

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알루미늄제련

알루미늄의 지각존재도는 금속원소에서는 제1위이다. 그 광석으로 사용되는 것은 보크사이트로서 주성인이 풍화작용이기 때문에 고온다습의 열대․아열대에 많이 산출한다. 1888년에 바이어가 발명한 바이어법에 의해 보크사이트에서 알루미나(alumina, Al2O3)를 추출한다.

보크사이트는 알루미나의 결정상태로부터

기브사이트(gibbsite, γ-Al2O3․3H2O), 베마이트(boehmite, γ-Al2O3․H2O), 다

이어스포어(diaspore, α-Al2O3 ․H2O)로 나누어지고 전2자의 혼합

물로 존재하는 경우도 있다.

다이어스포어는 바이어법에 부적합하고 보크사이트는 바이어법에 맞는 알루미나분 함유광석으로 생각해도 좋다. 그림1은 바이어법의 공정으로서 현재 모두 연속조업으로 이루어지고 있다.

제1단계는 침출(leaching)로 습식분쇄된 보크사이트는 오토클레이브 속에서 고온고압 하의 가성소다로 보크사이트에서 알루미나분을 알루민산소다(NaAlO2)로 침출한다.

기브사이트의 경우는 Na2O 150g/l 정도의 용액을 사용하여 0.4～

0.5MPa로 150℃의 조건 하에서 40분간 침출하다.

베마이트의 경우에는 300g/l의 용액을 사용하여 2.5 MPa, 250℃에서 하고 있다.

추출로 문제가 되고 있는 불순물은 반응성규소로서 탈규소처리를 필요로 한다.

감압후 시크너를 거쳐 여과되어 적니(赤泥, red mud)로 칭하는 불순물의 불용해잔사와 알루민산소다 용액으로 분리한다.

Al2O3＋2NaOH＝2Na AlO2＋H2O

제2단계로 바이어탱크라는 정출조 속에서 알루민산소다 용액에 알루미나의 종자를 첨가하여 백니(白泥, white mud)로 칭하는 수산화알루미늄(Al(OH)3)을 정출(prcpitation)시킨 후 용액과 분리된다. 종자는 정출 후의 분급에 따라 얻어지는 미소입자를 이용하고, 수산화알루미늄 정출의 가속과 입도의 조절에 유효하다. 여과용액은 증발하여 농도를 조정한 후 가성소다로서 제1단계로 돌아온다.

수산화알루미늄은 세정탈수로서 제품이 된다.

NaAlO2＋2H2O＝Al(OH)3＋NaOH

제3단계에서는 로터리킬른 또는 유동배소로에서 수산화알루미늄을 1000～1100℃로 배소하여 알루미나화한다. 배소에 있어서 미량의 플루오르화물을 광화제(鑛化劑)로 첨가하는 경우가 있다.

2Al(OH)3＝Al2O3＋3H2O

알루미나에서 알루미늄을 얻는데는 미국의 홀과 프랑스의 에루가 1886년 거의 동시에 발명한 용융염전해에 의거한다. 이 발명에 따라 알루미늄제련은 공업적으로 확립되었다. 전해로는 탄소로 라이닝되어 음극이 되는 하부구조와 양극탄소를 현수하는 상부구조로 구성된다.

이 양극의 구조에 따라 자소성(Söderberg, 제더베르크)식과 기소성(pre-backed, PB)식으로 나누어지는데, 최근의 대용량 전해로에는 대부분 후자가 채용되고 있다. 그리고 자소성식은 전류도입 방법에 따라 횡형(horizontal stud Söderberg, HSS)과 종형(vertical stud Söderberg, VSS)으로 나누어지고 이것을 그림2, 그림3에 나타낸다.

용융빙정석에 2～4%의 알루미나를 녹인 950 ～960℃의 전해욕에 직류전류를 통하면 음극에 용융알루미늄을 석출하고, 양극에는 산소를 발생하나 양극산소와 반응하여 복극(depolarization)이 이루어지고 양극산소를 소비한다.

전해욕의 조성은 공장에 따라 다른데, 욕의 온도저하, 전류효율의 상승 등으로 상기조성에 첨가하여 5～15%의 플루오르화알루미늄과 4～8%의 플루오르화칼슘의 첨가가 일반적인데, 다시 소량의 리튬이나 마그네슘이 이들의 탄산염으로 첨가되는 경우도 있고 욕 속에는 플루오르화물로서 작용한다. 전해로는 수십 내지 백수십을 직렬로 연결하여 1계열로 한다. 전류는 15만암페어 정도의 것이 많이 쓰이데 최근은 20만암페어를 넘는 것이 개발되어 30만암페어에 근접하고 있다.

노전압은 4.0～4.2V가 보통이다. 전류효율은 87～90%가 일반적이나 최근에는 93～94%에 달하고 있다.

따라서 전력원단위는 이러한 최신의 설비에서는 133000 kW․h 정도이다. 알루미늄의 순도는 최근에는 99.9%를 넘는 것도 흔하지 않으나 일반적으로 99.7%이다. 신제련법으로 수많은 방법이 제창되어 연구되고 있으나 현재 공업화의 목표는 확립되지 않고 있다.