streda, 29. decembra 2010

Výroba hliníka na Slovensku /v 20. storočí/

Prednáška je publikovaná v Zborníku referátov zo 6. sympózia o dejinách hutníctva na Slovensku „História hutníctva v Stredoslovenskej oblasti“ v dňoch 9.-10.2002 v Banskej Štiavnici.




Zriaďovacia listina Kovohút Hron, nár. podnik


O možnostiach výroby hliníka na Slovensku sa začalo hovoriť už začiatkom 20. storočia za I. Československej republiky, keď sa možnosťou realizácie výroby hliníka zaoberala Československá zbrojovka, a.s., ktorá plánovala vybudovať výrobu oxidu hlinitého pri Leopoldove s kapacitou 10 000 ton/ rok a elektrolytickou výrobou pri budovaných Vážskych stupňoch s ohľadom na možné dodávky elektrickej energie. Plánovaná výroba bola 3 000 tom hliníka / rok. Tieto kapacity boli v porovnaní s už inštalovanými kapacitami v tomto období v Európe nízke.

Počas II. svetovej vojny boli tieto zámery obnovené v roku 1941 a nemecké koncerny obnovili tieto plány už s kapacitou 10 000 ton/tok na Váhu pri Ladcoch. K realizácii ani týchto plánov však nakoniec nedošlo.

Po politickom a hospodárskom rozdelení Európy koncom štyridsiatich rokov (1948), bol hliník označený za strategický kov a jeho dovoz do východoeurópskych štátov bol zakázaný. Vyspelé československé strojárstvo však hliník, ako moderný konštrukčný materiál nutne potrebovalo, navyše sa začalo intenzívne zbrojiť a keď sa Československo obrátilo o pomoc v dodávkach hliníka na Sovietsky zväz, údajne sám Stalin doporučil, aby si Československo za pomoci Maďarska vybudovalo vlastný hlinikársky priemysel.

Začali sa bilaterálne rokovania medzi Československom a Maďarskom na najvyššej vládnej úrovni. Nakoniec bola v roku 1950 podpísaná dohoda, že Československo si vybuduje hlinikáreň s tým, že Maďarsko dodá kompletnú dokumentáciu hlinikárne a tiež bude dodávať bauxity, ktoré sa už v tom čase v Maďarsku ťažili. Navyše sa maďarská strana zaviazala, že dodá pre elektrolýzu aj špeciálne zariadenia, ktoré sa v Československu nevyrábali, ale hlavne, že komplexne zaškolí a zapracuje potrebný personál a súčasne sa maďarskí odborníci zúčastnia spúšťania hlinikárne.

Už v decembri 1950 sa rozhodovalo o umiestnení a veľkosti hlinikárne. Voľba o umiestnení bola kompromisom medzi ekonomickými a vojenskými podmienkami. V podstate musela byť akceptovaná skutočnosť, že Slovensko v tom čas nemalo dostatok elektrickej energie a táto bude transformovaná z Čiech.





Svätokrížska kotlina bez hlinikárne


Na druhej strane bolo potrebné hľadať výhodnú polohu, aby sa maďarský bauxit najkratšou cestou dostával na miesto spracovania. Ďalšími faktormi, ktoré rozhodovali o umiestnení hlinikárne, bol celkový prebytok pracovných síl na Slovensku, industrializácia Slovenska, značná vzdialenosť od západných hraníc, no a pre elektrolýzne haly, ktoré mali byť dlhé až 450 m bola potrebná rovina. Vojensko-strategické hľadisko si vyžadovalo práve takúto polohu v hornatom kraji Slovenska pre menšiu zraniteľnosť pri leteckom útoku.

Takéto podmienky veľmi dobre spĺňalo údolie Hrona obkolesené na západe pohorím Vtáčnik, na severe Kremnickými vrchmi a na juhovýchode Štiavnickými vrchmi, teda medzi obcami Svätý Kríž nad Hronom a Horné Opatovce - v Hronskej kotline pri Svätom Kríži na Hronom.

V tom čase nebolo zhodnotené ekologické pôsobenie a z tohoto hľadiska to bolo pre relatívne uzatvorenú kotlinu najhoršie riešenie.

1.1.1951 bol zriaďovacou listinou založený závod na budúcu výrobu hliníka "KOVOHUTY HRON, národný podnik". Ako som už uviedol, maďarskou stranou bola ponúknutá technológia výroby hliníka so samospiekanými anódami a vrchným prívodom prúdu. V tom čase to bola moderná technológia, ktorá sa podľa vynálezcu volala Söderbergova a začala sa rozširovať koncom tridsiatich rokov. Maďarsko v tom istom čase stavalo podobnú hlinikáreň na svojom území, podľa nórskeho patentu fy Norsk Elektrochemiks. Patentové práva však neboli zakúpené pre hlinikáreň v Československu, čo neskôr znamenalo dlhotrvajúce súdne spory.

Plánovaná kapacita hlinikárne vo Svätom Kríži nad Hronom bola 50 000 ton hliníka, 100 000 ton oxidu hlinitého ročne. Kovohuty Hron boli v roku 1954 premenované na Závod Slovenského národného povstania, n.p. (ZSNP, n.p.) a Svätý Kríž nad Hronom od roku 1955 na Žiar nad Hronom.

Celá projektová a stavebná príprava bola veľmi utajovaná a napríklad výrobné haly pre elektrolýzu boli označované ako Marx, Engels I., Engels II. Obyvatelia tohoto kraja najmä Sv. Kríža nad Hronom a Horných Opatoviec často spomínajú, že vlastne ani nevedeli, čo sa pri ich obci bude stavať.

Stavebné práce sa začali výstavbou meniarne (súbor zariadení na premenu striedavého prúdu na rovnomerný dňa 24.11.1951 a stavba bola ukončená už 29.7.1952.

Samozrejme, to bol len jeden komplex, celá stavba pokračovala veľmi dynamicky a 29. augusta 1953 bol vyrobený prvý elektrolytický hliník. Do konca roka 1953 sa vyrobilo 2 735 ton hliníka. Ak zohľadníme vtedajší stupeň mechanizácie, skutočne od prvého výkupu po vyrobenie hliníka, ubehlo len 635 dní, čo je výkon aj dnes obdivuhodný. Projektantom I. etapy hlinikárne bol Hutný projekt Praha.







Výstavba meniarne 2, v roku 1957



Stavbu realizovali kvôli tomu založené Stavebné závody Hron.

Niekoľko slov k vývoju technológie výroby hliníka. Až do súčasnosti sa hliník prakticky výlučne vyrába elektrolytickým rozkladom oxidu hlinitého, rozpusteného v tavenine kryolitu sodného pri teplote okolo 960 stupňov C. Rozklad prebieha rovnosmerným elektrickým prúdom. V čase začiatku výroby hliníka na Slovensku to boli prúdy okolo 50 000 Ampér. Od veľkosti prúdu je priamo závislé aj množstvo vyrobeného hliníka, pričom veľkosť prúdu je charakteristická pre daný konštrukčný typ elektrolyzéra.





Čerpanie tekutého hliníka okolo roku 1965

Práve zvyšovanie prúdu - intenzifikácia procesu, zaznamenávala dynamický nárast a stojí za povšimnutie, pretože najviac charakterizuje úroveň technológie. Je ju možné rozdeliť do troch etáp:

Prvá etapa - intenzifikácia prebiehala vez rekonštrukcie elektrolyzérov a ostatných obslužných zariadení a do roku 1959 sa zvýšil prúd z 50 000 Ampér na 61 500 Ampér. Táto etapa znamenala zhoršenie ekonomických parametrov procesu.

Druhá etapa - prebiehala súbežne s realizáciou technických opatrení a bola ukončená v roku 1963, pričom sa dosiahol prúd 70 000 Ampér. Technické opatrenia spočívali hlavne vo zväčšovaní prierezov pre rozvod prúdu a výmenou pôvodnej ortuťovej meniarne meniarňou s kremíkovými polovodičmi. V roku 1963 bola prijatá koncepcia celkovej modernizácie elektrolyzéra, ktorá bola realizovaná v priebehu troch rokov. Túto modernizáciu je možné považovať za tretiu etapu intenzifikácie výroby a znamenala zavedenie spevnených katódových skríň s lepšou tepelnou izoláciou a pevnejšie rozšírené anódové plášte, ktoré sa z pôvodnej šírky 1,0 metra zvýšila na 2,5 m pri súčasnom zvýšení počtu anódových tŕňov z 32 na 40 a zväčšení ich priemeru zo 110 mm na 120 mm. Všetky tieto opatrenia znamenali zníženie zaťaženia anódy a umožnili zvýšenie prúdu na 77 000 A.

V ZSNP pracovali dve série elektrolyzérov, pričom A-séria (Marx) mala 168 elektrolyzérov, ktoré boli všetky spustené v roku 1954 /neskôr sa ich počet zvýšil na 172/ a B-séria (Engels I. a Engels II.), takisto so 168 elektrolyzérmi, bola spustená v roku 1958. Projektovaná kapacita výroby - 50 000 ton hliníka za rok - sa dosiahla na rozhraní rokov 1959 - 1960. V roku 1959 bolo vyrobené 49 297 t/r a v roku 1960 - 52 784 ton. Bol to bezosporu úspech rýchleho zvládnutia technológie, ktorá predtým bola na Slovensku neznáma. Maximálna výroba dosiahnutá na danej technológii v roku 1990 bola 69 815 t/r. Súčasne je treba pripomenúť, že na tejto technológii boli dosahované výborné ekonomické výsledky hlavne v poslednom období, keď sa dosahovala prúdová účinnosť (využitie prúdu) nad 90 %, čo bola pre danú technológiu špičková hodnota vo svetovom meradle.

Zvláštnu kapitolu tejto výroby tvorili exhaláty fluóru, dechtov a prachu, emitované do pracovného a životného prostredia následkom elektrolytickej výroby hliníka. Už 22. decembra 1953, teda tri mesiace po spustení 80 elektrolyzérov, zasadala vláda Československej republiky, aby riešila problémy pracovného prostredia a okrem iného rozhodla, že pracovníci v určitých funkciách budú pracovať len 6 hodín denne, v záujme ochrany zdravia.

U obslužného personálu vznikali a boli oficiálne uznané choroby z povolania - kostná fluoróza, dermatóza, hluchota, choroba z vibrácií. Najhoršia bola však prítomnosť karcerogénnych polycyklických uhľovodíkov, ktoré sa pred rokom 1989 nemerali a ticho sa prehliadali. Pritom v projekte sa uvažovalo s ventiláciou, zachytávaním a zneškodňovaním exhalátov. Hoci boli vybudované náročné zariadenia, v skutočnosti boli len málo účinné a vznikajúce emisie, ktoré unikali z pracovného prostredia, narobili najväčšie problémy žiarskej kotline. Najhoršie sa exhaláty prejavili na niekoľko sto metrov vzdialenej obci Horné Opatovce, kde sa nepriaznivé dôsledky prejavili najskôr uhynutím včiel (1954). Na jar 1955 sa z pastvy nevrátili štyri kravy, lebo nevládali chodiť. V tom čase to ešte nikto nespájal s novovybudovanou technológiou, až neskôr veterinárska služba odhalila súvislosti. V tejto obci nastala veľmi zlá hygienická situácia a už v rokoch 1961 - 1962 sa začalo uvažovať s presídlením obce. Nakoniec táto obec oficiálne zanikla 30. júna 1969.

Popísané problémy v technológii, ako nízka mechanizovanosť a automatizovanosť pracovných operácií, problémy s pracovným a životným prostredím, ale aj problémy s intenzifikáciou elektrolyzérov, vytvorili veľmi dobré podmienky pre technický rozvoj a tento úspešne zvládli technicko-inžinierski pracovníci, ale aj robotníci hlinikárne. O úspešnej intenzifikácii, ktorá znamenala za 43-ročné obdobie práce s touto technológiou 50 percentné zvýšenie výroby na tom istom zariadení, už bolo hovorené. Tak isto o prúdovej účinnosti /využití prúdu) s hodnotou nad 90 %, patrila táto elektrolýza medzi najlepšie vo svojej kategórii vo svete.

Mechanizácia obsluhy elektrolyzérov sa zlepšovala v niekoľkých generáciách strojov, pričom dochádzalo k výraznému zvyšovaniu produktivity práce, ale aj zlepšovaniu pracovných výsledkov (napríklad, pokiaľ zabezpečovalo obsluhu 20 elektrolyzérov v roku 1960 10 hutníkov, v roku 1990 to boli 2 až 3). Významným medzníkom bolo zavedenie tzv. kolesových prebíjacích strojov v roku 1980. V týchto rokoch boli urobené aj prvé práce na riadenie elektrolyzérov mikropočítačmi. V roku 1974 boli na zneškodňovanie fluórových exhalátov a prachu namontované nové odsávacie a exhaláty zneškodňovacie stanice, tzv. korozetové absorbéry s podstatne vyššími účinnosťami zachytávania plynov (okolo 90 %). V tom období nastalo čiastočné zlepšenie životného prostredia.






Neutralizačná stanica s korozetovými absorbérmi

Toto zariadenie bolo v tom čase unikátnym medzi hlinikárňami vo východnej Európe (krajiny RVHP).

Analýzy už v priebehu šesťdesiatich rokov ukazovali neúnosnosť tejto technológie v Žiarskej kotline a všetky snahy pracovníkov hlinikárne boli zamerané na modernizáciu výroby s vopred vypaľovanými anódami. Prvé vládne uznesenie na riešenie tohoto problému bolo prijaté v roku 1969, no trvalo až do roku 1985, keď bolo prijaté úplné konkrétne rozhodnutie vlády ČSSR o "Modernizácii výroby hliníka". V roku 1986 bola podpísaná zmluva s dodávateľom technológie - nórskou firmou ASV. V júni 1995 bol spustený prvý a v decembri 1995 posledný modernizovaný elektrolyzér.

Následne 29. februára 1996 bol odstavený posledný elektrolyzér z 342 elektrolyzérov zastaralej Söderbergovej technológie.







Odstavenie posledného elektro-
lyzéra so starou tech- nológiou


Pre Žiarsku kotlinu to bola v skutočnosti historická udalosť. Nová technológia už nedovolí exhalátom unikať do pracovného a životného prostredia a emisie v porovnaní s predchádzajúcim stavom sa znížili u fluoridov o 92 %, u dechtov o 99 % a prachu o 90 %.

Čo povedať na záver o danej technológii?

Za 43 rokov bolo na technológii, inštalovanej v Žiari nad Hronom v roku 1953, vyrobené 2 350 000 ton elektrolytického hliníka, z ktorého od roku 1970 bola značná časť spracovaná do hotových výrobkov priamo v ZSNP, ale za toto obdobie bolo súčasne emitované 33 053 ton fluórových exhalátov, viac ako 36 000 ton polycyklických uhľovodíkov (dechtov) a 58 000 ton prachu.

Základnou surovinou na výrobu hliníka je oxid hlinitý určitých fyzikálnych a chemických vlastností. V prvej etape výroby sa hliník v Žiari nad Hronom vyrábal z oxidu hlinitého, dovezeného z Maďarska. V roku 1957 bola uvedená do prevádzky vlastná výroba v prevádzke Kysličnikáreň ZSNP v Žiari nad Hronom. Vznikla tu zaujímavá situácia, kde sa maďarská strana zmluvne zaviazala, že bude Československu dodávať bauxit pripravovanej kvality, ukázalo sa že Maďarsko nie je schopné túto podmienku splniť a bolo schopné dodávať len bauxity nižšej kvality (nižší obsah oxidu hlinitého a vyšší obsah oxidu kremičitého) a tento sa už nedal spracovávať klasickou Bayerovskou technológiou, ktorá je energeticky najmenej náročná. Touto technológiou sa do dnešných čias vyrába prakticky celý objem spracovávaného oxidu hlinitého.

Technológia pre žiarsku hlinikáreň sa začala rozvíjať vo Výskumnom ústave kovov v Prahe, v ktorom uvažovali s realizáciou tzv. kombinovanej metódy, uvažujúcou s použitím Bayerovej a spiekacej technológie. S touto technológiou však neboli žiadne praktické skúsenosti a samotný výskum sa opieral hlavne o literatúrne údaje. Nakoniec po konzultáciách so sovietskymi odborníkmi bola táto technológia zamietnutá a prijatý návrh spomínaných sovietskych expertov na zavedenie spiekacej technológie. Takto bola v Žiari nad Hronom inštalovaná jedinečná technológia ma spracovanie menej kvalitných bauxitov, táto však bola energeticky a tým aj ekonomicky veľmi náročná. Prakticky po chemickej stránke elegantná technológia bola realizovaná len v Žiari nad Hronom. Podobná technológia bola realizovaná v Sovietskom zväze na spracovanie nebauxitických surovín (nefelíny).

Z dôvodov komplexnosti informácií o danej technológii uvádzam krátku charakteristiku:

Celkový výrobný cyklus spiekacou metódou možno rozdeliť do niekoľkých technologických uzlov:

a) príprava vsádzky,

b) spiekanie,

c) vylúhovanie a odkremičitenie,

d) karbonizácia dekompozícií,

e) kalcinácia,

f) odparky.

V príprave vsádzky sa mletím v guľových mlynoch zo surovín bauxit, vápenec, sóda a vratné roztoky pripraví v určenom stechiometrickom pomere surovinový rmut s vlhkosťou 38 - 40 %. Surovinový rmut sa speká pri teplote 1200 - 1300 stupňov C v rotačných peciach. Pri spekaní prebehnú reakcie v tuhej fáze medzi oxidmi hliníka, železa a sodíka medzi oxidom kremičitým a vápenatým, výsledkom ktorých je vo vode rozpustný hlinitan sodný a vo vode nerozpustný kremičitan vápenatý a železitan sodný. Zo spečenca sa vodou vylúhuje hlinitan sodný, čím sa získa hlinitanový roztok, z ktorého sa po príslušnom chemickom a mechanickom vyčistení /odkremičitenie a filtrácia) karbonizáciou alebo dekompozíciou vylúči hydroxid hlinitý.






Vákuová filtrácia hydrátu hlinitého, okolo roku 1960


Hydroxid hlinitý sa od matečného roztoku oddelí filtráciou a tento sa v rotačnej peci vykalcinuje na oxid hlinitý.







Kalcinačné pece na kalcináciu hydrátu a jeho premena na oxid hlinitý, okolo roku 1960


Matečný roztok sa v oddelení odpariek zahustí do požadovaného stupňa a znova sa použije v príprave vsádzky. Týmto sa cyklus výroby oxidu hlinitého uzatvára.

Samozrejme, že táto technológia bola technologicky neustále zlepšovaná, no i tak sa zásadne ekonomika s ohľadom na vysokú energetickú náročnosť nemohla zmeniť.

Na základe týchto skutočností bola pracovníkmi ZSNP a Výskumného ústavu kovov v Prahe vypracovaná nová technológia výroby oxidu hlinitého tzv. vysokotlakým rozkladom bauxitu. Táto technológia umožňovala vylúhovanie bauxitu pri teplotách do 300 stupňov C. K vyskúšaniu tejto technológie bola vybudovaná poloprevádzka, ktorá vylúhovala bauxity lúhom sodným (NaOH) pri tlaku od 12 do 15 MPa a teplote 280 stupňov C. Takto sa dosahovala výťažnosť oxidu hlinitého až 92,5 %.

Zmena spoločenského systému v roku 1989 a zapojenie sa slovenského hospodárstva do trhovej ekonomiky, znamenala ekonomickú neudržateľnosť tejto technológie, navyše problémy nastali aj v dosahovaní fyzikálnych vlastností vyrábaného oxidu hlinitého, ktoré rozhodli o tom, že v rokoch 1997 a 1998 sa zastavila výroba oxidu hlinitého v ZSNP, a.s., Žiar nad Hronom.

Záverečná bilancia tejto výroby je nasledovná:

Celkove sa v rokoch 1957 - 1997 v ZSNP vyrobilo 5 185 125 ton oxidu hlinitého, z toho:

4 548 589 ton spiekacím spôsobom

556 902 ton bayerovskou technológiou

79 661 ton na poloprevádzke vysokotlakovým spôsobom.

Celkom bolo spracovaných 14 672 000 ton bauxitu, z toho 13 176 000 ton spekacou metódou.

Najviac bauxitu sa doviezlo z Maďarska - 10,5 mil. ton

z Juhoslávie - 4,5 mil. ton

V množstvách od 100 do 300 tisíc ton bauxitu bolo spracované z Guinei, Ghany, Rumunska, Grécka, Albánska, Indie, Sardínie, Guayany, Austrálie.

Za zmienku stojí aj technológia výroby gália, ktorá bola odvodená od výroby oxidu hlinitého. Žiarsku výskumníci zistili, že spracovávané bauxity tento kov obsahujú a vyvinuli technológiu, ktorá spočívala v totálnej karbonizácii (pôsobenie CO2) hlinitanových roztokov, získali sa karbohydráty hliníka a gália, ktoré sa po separácii a filtrácii rozpúšťali v lúhu sodnom, čím sa získal koncentrovaný hlinitan sodný s 300 - 600 mg/l gália. Tento koncentrát sa spracovával elektrochemicky cementáciou sodíka. Po ďalších úpravách sa gálium vylučovalo z roztoku elektrolyticky.

Celkove bolo od roku 1969 do roku 1992 vyrobené 42 688 kilogramov gália. Najvyššia výroba dosiahnutá v roku 1985, bola 3,5 tony za rok, pri svetovej výrobe 35 ton za rok. Závod SNP sa stal významným producentom výroby gália.

Všetky popísané technológie sa v 20. storočí rozvinuli, ale v tom istom storočí aj zanikli. Výroba oxidu hlinitého a gália bola úplne ukončená, výroba hliníka elektrolytickým rozkladom, ale s modernou technológiou na báze vopred vypaľovaných anód a suchým zneškodňovaním exhalátov, pokračuje s dvojnásobnou kapacitou v spoločnosti Slovalco, a.s., ďalej.






Posledný hliník zo starej elektrokýzy

Použitá literatúra :

Kafka, R. - Čambalová L.: Z dejín výroby hliníka na Slovensku, Neografia, a.s. Martin, 2001

Žiadne komentáre:

Zverejnenie komentára