Виробництво алюмінію, електролітичне отримання алюмінію
Алюміній отримують шляхом електролізу глинозему, розчиненого в розплавленому електроліті, основним компонентом якого є кріоліт. У чистому кріоліті Na3 AlF6 (3NaF • AlF3) відношення NaF: AlF3 дорівнює 3, для економії електроенергії необхідно при електролізі мати це відношення в межах 2,6-2,8, тому до кріоліту додають фтористий алюміній AlF3.
Електролізна ванна або електролізер, де проводять електроліз з метою отримання алюмінію, має в плані прямокутну форму. Схема поперечного розтину ванни показана на рис. 1. Кожух 1 із сталевих листів охоплює стіни ванни, а у великих ванн виконаний з днищем. Усередині є шар шамоту 2 і далі стіни викладені вугільними плитами 4, а під утворений подовими вугільними блоками 3. Ванна глибиною 0,5-0,6 м заповнена електролітом і знаходяться під ним шаром рідкого алюмінію.
Вугільний анод 6 (іноді їх декілька) підвішений на сталевих стрижнях 8 так, що його нижній кінець занурений в електроліт, через стрижні 8 до анода подається струм від шин 7.
Потужність електролізера (ванни), що визначається силою підводиться до неї струму, змінюється від 30 кА у ванн малої потужності до 250 кА у ванн великої потужності. Оскільки допустима питома щільність проходить через анод струму становить 0,65-1,0 А / см 2. при зростанні потужності ванн збільшують площу анода; розміри поперечного перерізу анода потужних ванн досягають 2,8x9 м, розміри ванни (всередині) - 3,8x10 м.
Малюнок 1. Схема електролізної ванни для отримання алюмінію:
1 - кожух; 2 - шамот; 3 - вугільний блок; 4 - вугільна плита; 5 - глинозем; 6 - анод; 7 - струмопідвідного шина; 8 - підвіска (токоподвод); 9 - кірка затверділої електроліту; 10 - гарнісажу (затверділий електроліт); 11 - токоподвод
Існуючі ванни розрізняються потужністю і пристроєм анода. ванни з одним самообжігающіміся анодом і верхнім струмопідведення, з таким же анодом і бічним струмопідведення і ванни з анодом з обпалених блоків. Ванна з самообжігающіміся анодом і верхнім підведенням струму показана на рис. 2, а. Анод прямокутного перетину є непреривнонаращіваемим.
Його кожух зроблений із сталевого листа, в кожух зверху завантажують брикети з вуглецевої електродної маси (нафтовий кокс з кам'яновугільним пеком). Вгорі маса плавиться, а в нижній частині кожуха, де високі температури, вона спікається, коксується і перетворюється в твердий блок. У нього запікаються занурені в електродний масу на різну глибину сталеві штирі 7, розташовані в два - чотири ряди вздовж ванни.
Ці стрижні служать для підведення струму до анода і для його утримання над ванною, кожух анода кріпиться над ванною окремо. У процесі згоряння анода найбільш глибоко розташовані штирі по черзі висмикують із затверділої маси і закріплюють на більш високому рівні, через деякий час вони спікається з твердіє масою.
Малюнок 1. Алюмінієві електролізери (а - q самообжігающіміся анодом і верхнім струмопідведення; б - з обпаленим анодом):
1 - токоподводящий стрижень; 2 - подові блоки; 3 - газоулавливающие дзвін; 4 - кожух анода; 5 - рідка анодна маса; 6 - шини; 7 - штир; 8 - спечений анод; 9 - ніпель; 10 - газосборнік; 11 - штанга; 12 - анодний блок
У міру згоряння нижній частині анода його за допомогою спеціального механізму опускають, при цьому анод ковзає усередині кожуха вниз. До нижньої частини кожуха анода кріпиться газосборний дзвін, призначений для уловлювання виділяються навколо анода газів.
Електролізних ванни з попередньо обпаленими анодами (рис. 2, б) мають анодний вузол, складений з кількох (до 20 і більше) вугільних або графітірованних блоків, розташованих у два ряди. У кожному блоці закріплені чотири сталевих ниппеля 9, з'єднаних зі штангою 11; цей пристрій служить для підведення струму і для підвіски блоку. Згорілі блоки замінюють новими. Над ванною встановлений газоулавливающие короб.
Використання обпалених анодів дозволило збільшити одиничну потужність ванн і сильно скоротити виділення шкідливих канцерогенних речовин, які утворюються при коксуванні пеку самообжігающіміся електродів.
Електролізних ванни розміщують в цеху в ряд по кілька десятків ванн в ряду. Електроліз ведуть при напрузі 4-4,3 В і, як зазначалося, при питомій щільності струму, що проходить через анод, що дорівнює 0,65-1,0 А / см 2. Товщина шару електроліту в ванні становить 150-250 мм. Температуру ванни підтримують в межах 950-970 ° С за рахунок тепла, що виділяється при проходженні постійного хока через електроліт. Такі температури мають місце під анодом, а на кордоні з повітрям утворюється кірка затверділої електроліту, а біля стін ванни - затверділий шар електроліту 10 (гарнісажу).
Необхідна температура ванни, тобто виділення в шарі електроліту необхідної кількості тепла, забезпечується при певному електроопору шару електроліту. Такого електроопору досягають, підтримуючи в заданих межах складу електроліту і товщину його струмопровідного шару, тобто відстані між анодом і шаром рідкого алюмінію в межах 40-60 мм (збільшення, наприклад, цієї відстані, тобто електроопору шару електроліту, викликає збільшення виділення тепла при проходженні струму і, відповідно, перегрів електроліту).
При додатку напруги до катода і анода складові рідкого електроліту піддаються електролітичноїдисоціації, і розплав складається з численних катіонів та аніонів. Склад електроліту підібраний так, що у відповідності зі значеннями потенціалів розряду на електродах можуть розряджатися тільки катіони Al 3 + і аніони О 2. утворюються при дисоціації Al2 O3 в електроліті. Відповідно електрохімічний процес на електродах описується наступними рівняннями:
- на катоді 2Al 3+ + 6е -> 2Al
- на аноді 3О 2 - 6е -> 3O
Розряджати на катоді алюміній накопичується на подине ванни під шаром електроліту. Вирізняється на аноді кисень взаємодіє з вуглецем анода з утворенням газів СО та СО2. тобто при цьому окислюється низ анода, в зв'язку з чим анод періодично опускають. Гази СО і СО2 виходять з-під анодів уздовж їх бічних поверхонь, вони містять виділяються з електроліту токсичні фтористі з'єднання і глиноземного пил (з самообжігающіміся анодів в них також потрапляють шкідливі смолисті возгони); ці гази вловлюють і очищають від пилу і фтористих з'єднань.
По ходу процесу в ванни періодично завантажують глинозем; контролюють склад електроліту, вводячи корегуючі добавки; за допомогою регуляторів підтримують оптимальну відстань між анодами і рідким алюмінієм (в межах 40-50 мм). Глинозем завантажують у ванни зверху, пробиваючи для цього кірку спеченого електроліту за допомогою пересуваються уздовж ванн машин.
Рідкий алюміній витягують з ванн один раз на добу або через 2-3 доби за допомогою вакуум-ковшів. Вакуум-ківш є (рис. 3) вміщає 1,5-5 т алюмінію
Малюнок 3. Вакуум-ківш для вилучення алюмінію:
1 - кожух; 2 - зливний носок; 3 - патрубок для під'єднання вакуумного насоса; 4 - люк; 5 - кришка; 6 - забірний патрубок; 7 - футеровка
футерованную шамотом ємність, в якій створюється розрядження
70 кПа. З'єднану з патрубком 6 ковша забірну трубку занурюють зверху в шар рідкого алюмінію в ванні і за рахунок розрідження алюміній засмоктується в ківш.
Виділяються анодні гази спочатку направляють в пальники, де спалюють СО і возгони смоли, а потім в газоочистку, де вловлюють пил і фтористі з'єднання.