Отделение электролиза алюминия

Абсолютно чистый глинозем содержит 52,9 % Al и 47,1% О в соответствии со своей химической формулой Al₂O₃.

Скорость  растворения глинозема в электролите  зависит главным образом от размеров частиц (гранулометрического или  фракционного состава) и от содержания   - и -модификаций (фазового состава). Модификациями принято называть такие формы какого-либо вещества, которые при одинаковом химическом составе имеют различные физико-химические свойства. - глинозем представляет собой безводную форму окиси алюминия с плотностью 4,0 г/см³, тогда как -глинозем содержит примерно 1-2% влаги, гигроскопичен и имеет меньшую плотность – 3,4 г/см³. При температуре 1000-1200 ^оС -глинозем переходит в -форму.

При одинаковом фазовом составе лучше будет  растворяться глинозем, содержащий больше мелких фракций. При одном и том  же фракционном составе труднее  и медленнее растворяется глинозем, обогащенный  -модификацией.

На текучесть  глинозема в наибольшей степени  влияет форма частиц и в меньшей  – их размеры.

В настоящее  время применяется глинозем средней  крупности (основную массу составляют частицы 30-80 микронов) с содержанием  -фазы 20-30% (остальное - -глинозем). [2,5]

 

5.2 Криолит  и другие фтористые соли

 

При электролизере  в качестве растворителя глинозема  применяется криолит, соответствующий  химической формуле 3NaF*AlF₃ (Na₃AlF₆). Его получают, как и все другие фтористые соли, посредстовм обработки минерала плавикового шпата (CaF₂).

Технический криолит – белый, мягкий порошок, комкующийся при сжатии в руке; плотность криолита равна 2, 95 г/см³, плавится при температуре 1010^оС

Абсолютно чистый криолит содержит 32, 8% Na, 12,8% Al и 54,4 % F.

В период эксплуатации электролизера  состав электролита периодически корректируют фтористым натрием, содой или  фтористым алюминием, которые снижают  температуру плавления.

Фтористый натрий – белый гигроскопичный порошок  с плотностью 2,8 г/см³ хорошо растворим в воде.

Фтористый алюминий – мелкий жесткий порошок  белого цвета, плотностью 2,9 г/см³. можно снизить температуру плавления.

Избыток фтористого натрия вызывает осложнения в технологическом процессе (выделение  на катоде натрия), избыток же фтористого алюминия приводит к увеличению испарения (летучести) электролита, а также  сильно уменьшает растворимость  в электролите глинозема.  

Примесями, обычно имеющимися в электролите  промышленного электролизера, являются фтористый кальций CaF₂ (2-5%) и приблизительно такое же количество фтористого магния MgF₂. 

Фтористый кальций и фтористый магний попадают в электролит вместе с сырьем (порошковым криолитом, фтористым алюминием) или  образуется из периодически добавляемых  в ванну тех или других соединений.

Для снижения температуры плавления электролита, следовательно, и температуры процесса можно применять специальные  добавки. Такими добавками могут  быть хлористый натрий NaCl, загружаемый одновременно с магнезитом MgO из расчета на 1 кг NaCl приблизительно 0,35 кг MgO, что соответствует количествам, необходимым для образования хлористого магния по реакции:   

 

2NaCl + MgO = MgCl₂ + Na₂O

 

Можно добавлять  просто хлористый магний, но чистый  MgCl₂ гигроскопичен, т.е. сильно поглощает воду, и при загрузке еов электролит наличие воды приведет к разложению фтористых солей, а следовательно, и к потерям сырья.

Также добавляют  к электролиту фтористый литий  LiF. Добавки литиевых солей наиболее сильно снижают температуру плавления электролита. Добавлять можно различные соли лития: углекислый литий Li₂CO₃, диалюминат лития Li₂O*2Al₂O₃, алюминат лития Li₂O*Al₂O₃и фтористый литий LiF.      

Обычно  в электролите содержится около 5 % CaF₂ и MgF₂, попадающих с сырьем, а это значит, что добавлять как хлористый натрий с магнезитом, так и литиевые соли можно в количествах, не превышающих 5 %.[2,4]

 

5.3 Анодная  масса

 

В процессе производства алюминия также непрерывно расходуется анодная масса, поскольку  угольный анод, который из нее формируется  при прохождении электрического тока, окисляется выделяющимся кислородом, иначе говоря, сгорает.

Чтобы отвечать производственным требованиям, обожженная угольная масса должна обладать малой  зольностью, достаточной механической прочностью, высокой электропроводностью и стойкостью к окислению воздухом. [2]

 

6 Конструкция алюминиевых электролизеров

 

Алюминий в электролизах получают  в электролизерах (алюминиевых ваннах). Принцип конструкции электролизеров (рис.1) заключается в следующем.

 

Рис.1 – Схема устройства электролизера  с обожженными анодами:

1-угольные блоки; 2-электролит; 3уголтный  аонд; 4-угольные подовые блоки; 5-алюминий; 6-гарнисаж; 7-корка электролита; 8-стальной кожух; 9-огнупорные материалы.

Рабочее пространство ванны (шахта  электролизера) футерованное с боков  угольными блоками 1, заполнено расплавленным  электролитом 2. Сверху в электролит опущен анод из углеродистой массы 3. Нижняя часть ванны – угольная подина 4 – вместе с выделяющимся на ней  алюминием 5 служит катодом. Внутренняя поверхность шахт и частично подина покрыты гарнисажем 6 – слоем застывшего электролита. Над расплавом также образуется слой застывших солей – корка 7. Все это помещено в стальной кожух 8 и установлено на опоры. Ток к электродам подводится с помощью системы металлических шин.

Следовательно, любой электролизер состоит из катодного устройства, анодной системы, катодной и анодной  ошиновок и опоры металлоконструкций. Алюминиевые электролизеры различаются  по мощности и по конструкции анодного устройства.

Мощность электролизеров (токовая  нагрузка) может быть средней (50-90 кА) и большой (100-255 кА). По конструкции  анодного устройства современные электролизеры  делятся на 3 типа:

-с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом;

-с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом;

-с обожженными анодами.

 

6.1 Катодное устройство

 

Катодное устройство у всех типов  электролизеров одинаковое, но разные только конструкции кожухов у  электролизеров различной мощности.

Конструктивная основа катодного  устройства – стальной кожух. По степени  тепловой защиты подины различают электролизеры  без днища и электролизеры  с днищем.

Катодные устройства с кожухами без днища конструируют для электролизеров с небольшой или средней мощностью. Их устанавливают на кирпичный цоколь, выложенный на бетонном фундаменте. Цоколь представляет собой массивную кладку, состоящую из 4-5 рядов красного и 2-3 рядов шамотного кирпича. Кожух  крепят к фундаменту с помощью  анкерных лап, верхние концы которых  привязывают к кожуху, а нижние заливают в фундамент бетоном. На поверхность шамотной кладки наносят  слой подовой углеродистой массы, на которую укладывают в перевязку  подовые угольные блоки. В нижнюю часть подовых блоков перед их установкой заливают чугуном стальные катодные стержни – блюмсы, свободные  концы которых выводят наружу и служат для подвода тока к  подине.

Боковые стенки катодного кожуха футеруются 1-2 рядами угольных плит. Пространство между плитами и кожухом (40-50 мм) заполняют засыпкой из шамотной крупки.

Изготавливают подовые блоки на специальных прессах. Основными  материалами являются термоантроцит, графит, угольный бой и литейный кокс. Эти материалы дробят, смешивают с каменноугольным пеком (связующее), а затем прессуют и обжигают. Графит повышает стойкость блоков против воздействия натрия и увеличивает электропроводимость материала. Обычное содержание графита в блоках составляет 20-30 %.

Подовые блоки устанавливают на расстоянии 25-50 мм друг от друга. В пространство между блоками набивают подовую углеродистую массу, которая при обжиге подины коксуется, и образующиеся швы прочно связывают блоки между собой.

Размеры шахты электролизера зависят  от мощности электролизера. Глубина  шахты обычно составляет 400-600мм, расстояние от анода до стенок шахты по продольной стороне 440-650 мм, по торцовой стороне 500-600мм.

Кожух без днища выполняется  обычно в виде рамы, сваренной из стальных балок и листа (рис.1).

 

Рисунок 2 – Катодное устройство электролизера  с кожухом без днища:

 

а-продольный разрез; б-поперечный разрез; 1-фундамент; 2-слой засыпки; 3-красный кирпич; 4-шамотный кирпич; 5-анкер; 6-углеродистая подушка; 7-угольные блоки; 8-засыпка из Al₂O₃; 9-стальной кожух; 10-бортовой лист; 11-подовой шов; 12-угольные подовые блоки; 13-катодный стержень(блюмс)

 

Для мощных электролизеров применяют  кожухи с днищем (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Кожух с днищем контрфорсного  типа:

а-продольный вид и разрез; б-поперечный разрез; 1-корыто кожуха; 2-элементы жесткости продольных стенок; 3-контрфорсы; 4-торцовые стенки.

 

Это – сваренное из листовой стали (10 мм) корыто, укрепленное балками (контрфорсами). Контрфорсы представляют собой вертикальные стойки, стянутые поперек электролизера на уровне днища стальными тягами попарно. Верхние концы контрфорсов удерживают кожух электролизера от распирающих усилий в подине, а нижние концы противоположных контрфорсов опираются попарно на железобетонные балки. Балки «работают» на сжатие, а стягивающие стальные стяги выполняют роль нулевой точки рычага. Прочность катодного кожуха, таким образом, определяются жесткостью контрфорсов.

Днище кожуха опирается на поперечные стальные балки, которые поставлены на продольные двутавровые  балки, установленные  на железобетонные балки с колоннами, заделанные в фундаменте. Футеровка  кожуха такая же, как и у кожухов  без днища, с той лишь разницей, что между футеровкой и стальным кожухом укладываются асбестовые листы. Так как конструкция кожуха поднята на колоннах и рабочая площадка находится на высоте примерно 4 м над поверхностью земли, то считается, что такие электролизеры расположены на втором этаже.

На катодный кожух электролизеров четырьмя колоннами опирается несущая  конструкция – каркас электролизера. На каркасе крепятся анодное устройство, укрытия электролизера, глиноземные  бункеры и механизмы для перемещения  анода и панелей укрытия.

 

6.2 Анодное устройство

 

Токоподводящим материалом анода  является углеродистая масса. В ходе процесса электролиза анодная масса  постепенно расходуется, окисляясь  разряжающимися на аноде ионами кислорода, и поэтому анод необходимо периодически опускать. Периодически также возникает  потребность поднимать анодное  устройство. Для перемещения анодного устройства служит специальный подъемный  механизм.

Наиболее распространенными типами алюминиевых электролизеров являются конструкции с самообжигающимися анодами.

Температура самообжигания анода по высоте изменяется от 950 ^оС на подошве до 120-150 ^оС на верхней поверхности. Под действием тепла, выделяющегося в электролите и при прохождении тока через анод в углеродистой массе, происходят процессы коксования. По физическим свойствам такой анод можно разделить на 3 зоны: зону жидкой анодной массы, температура которой изменяется по высоте от 120 (на поверхности) до 300 ^оС; зону полуспекшейся тестообразной массы, имеющей температуру 300-400 ^оС, и нижнюю монолитную массу, образующейся в верхней части конус спекания. Конус спекания находится на расстоянии 0,7-1,0 м от подошвы анода.

 

6.3 Электролизеры с обожженными  анодами

 

В современных электролизерах анодный  массив собран из предварительно обожженных угольных блоков, расположенных в  два ряда вдоль ванны (Рисунок 4).

 

Рисунок 4 – электролизер с предварительно обожженными анодами:

1-катодное устройство; 2-анодная  шина; 3-механизм перемещения анодного  устройства; 4-анодный блок; 5-газообразное  укрытие.

 

Как правило применяют угольные блоки шириной 700-900мм, высотой 550-650мм и длинной 1450-1600мм. В блоке имеются гнезда, в которые чугуном заливают стальные кронштейны. Кронштейны соединены с алюминиевым анододержателем (штангой), что осуществляется электросваркой, сваркой взрывом или болтами.

Штанги анододержателей прижимают к анодным шинам специальными зажимами. Шины выполняют функции анодной рамы и являются токопроводом и грузонесущим элементом. Перемещение анодной рамы с анодным массивом осуществляется подъемным механизмом.

Рабочее пространство ванны закрыто  укрытием рамно-створчатого типа, которое  можно открывать вверх целиком  с помощью пневматического механизма  или откидывать створки в порознь вручную. Газоотсосный короб расположен по продольной оси электролизера.

По сравнению с электролизерами  с самообжигающимися анодами электролизеры с обожженными анодами обладают существенными преимуществами:

-аноды изготавливают на электролизных  заводах, поэтому никаких вредных  выделений во время работы  в атмосферу цеха не поступает;

-более легкая конструкция анодного  узла и больше потери тепла,  меньше падения напряжения в  аноде, а следовательно можно увеличить силу тока, то есть интенсифицировать процесс электролиза;