Производство алюминия

Производство  алюминия

Содержание

Введение

1. Состав и свойства  электролита   

2. Строение криолито – глиноземныхрасплавов 

3. Плотность алюминия  электролита 

4. Электропроводность  КГР 

5. Поверхностное  натяжение   

6. Давление насыщенного  пара 

7. Напряжение разложения  

8. Механизм электролиза  КГР 

9. Анодный эффект  положительные иотрицательные действия 

10. Расчет производительностиэлектролизера, выходы по току, выходы по энергии удельного расходаэлектроэнергии. Влияние различных факторов на выход по току 

11. Технологические параметрыкатодного узла 

Выводы

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Алюминий(лат. Aluminium, от alumen - квасцы) - химический элемент III гр. периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. 
Серебристо-белый металл, легкий, пластичный, с высокой электропроводностью, tпл = 660 (С. Химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой). По распространенности в природе занимает 4-е место среди элементов и 1-е среди металлов (8,8% от массы земной коры). Известно несколько сотен минералов Алюминия (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и др.).

Первые упоминания об «легком серебристом металле» можно встретить Плиния старшего, и относятся они к событиям почти двух тысячелетней давности. В XVI веке талантливый немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, исследуя различные вещества и минералы, в том числе квасцы, установил, что они «есть соль некоторой квасцовой земли», в состав которой входит окись неизвестного металла, впоследствии названная глиноземом.

  В природе аллюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.        Состав исвойства электролита

  В электрохимическом ряду Al занимает место среди наиболееотрицательных Me поэтому его нельзя выделить изводных расплавов.

  До настоящего времениединственной солью до получения Alявляется криолит Na3 Al F6.

1. Криолит (Na3 Al F6) – 75 — 90 %.

2. Глинозем (Al2  O3) – 1 — 10 %.

/>3. Al F3 – 5 – 12 %.

4. Ca F2 – 4 – 6 %     неболее ∑ 8-10%

5. Mg F2 – 6 %

К электролиту алюминиевыхэлектролизеров предъявляют требования:

1. В расплавленномсостоянии должен хорошо растворяться Al2 O3.

2. Температура плавленияпри растворении Al2O3 не должна быть намного выше, чемтемпература плавления Al.

3. Плотность должна бытьниже, чем у Al.

4. Должен бытьжидкотекучим, что способствуют легкому удалению анодных газов, быстромувыравниванию состава электролита по всему объему ванны, уменьшению потерь Al в результате запутывания корольков Me в расплаве.

5. Должен бытьэлектропроводным.

6. Упругость насыщенногопара компонентов электролита должна быть по возможности более низкой.

7. Не должна бытьшироскопичным.

8. Все материалы,поступающие на электролиз, должны иметь минимальное содержание примесей, болееэлектроположительных, чем Al (Fe; Si; Cu и другие)поскольку эти примеси почти полностью переходят в Me и загрязняют его.

9. Не должен химическивзаимодействовать с футеровкой электролиза.

Криолит Na3 Al F6 – комплексная соль, состоящая из второв натрия и Al (3 NaF AlF3). Температура плавления примерно 1010 0 C.

AlF3 имеет кристаллическую  решетку, в узлах  которойнаходятся   октаэдрические полы    Al F6-3, соединенные общими полами F. В решетке реализуется значительнаядоля ковалентных связей, что является причиной малой ее прочности. – Al F3 – возгоняется без плавления, имеет высокое давлениенасыщенного пара.

Al F3 – самый летучий компонент, широскопичный, подверженгидролизу влагой, содержащейся в атмосферном воздухе.

Другие компоненты – NaF, CaF2, MgF2, NaCl и LiF – являются чистополлыми соединениями, они плавятсябез разложения и устойчивы к действию влаги.

Для производства Al применяют высшие сорта Al2O3, содержание оксидов Fe и Siкоторых составляет 0,03 и 0,08 % и 0,02 – 0,2 %.

Технический глиноземсодержит две полиморфные модификации –  £ и j

£ — характеризуетсявысокой плотностью кристаллической решетки, большой химической стойкостью итвердостью 25 – 30 %  £ Al2O3.

j – имеет менее плотную  решетку, оченьгигроскопична и химически активна – 65 – 70 % j Al2O3.

В результате нагрева,начиная с 9500С происходит полиморфное превращение j в £.

При большом содержании £- Al2O3 затруднено растворение Al2O3 в криолите, а при меньшем егосодержании возрастает гигроскопичность Al2O3.

Электролит содержит внебольших количествах некоторые другие вещества, образующиеся за счет примесей,вносимых с сырьем или вводимых специально для улучшения физико-химическихсвойств расплава (CaF2MgF2; NaCe; LiF).

Криолитовое отношение(КО) – это молекулярное отношение NaF/AlF3.

Для чистого криолита КО =3. Электролиты содержащие избыток  NaF и КО > 3, называются щелочным, имеющие избыток AlF3 и КО < 3, называются кислыми.Нормальный электролит – кислый, но в некоторые периоды эксплуатацииэлектролизеров он м/б щелочным.

Промышленные электролитысодержат небольшой избыток AlF3.

На заводах КО обычноподдерживают 2,6 – 2,8.

Избыток F ведет к снижению to промышленности электролита.

Два раза в неделю берутпробы на КО, в лаборатории делают анализ, и по данным анализа корректируютсостав электролита фтористым алюминием (AlF3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Строениекриолито – глиноземных расплавов 

 

  Расплавы Na F – AlF3.Зависимости электропроводности кристаллических NaF и Na3Al6 от температуры отличаются характерной особенностью:электропроводность криолита оказывается на 1-2 порядка выше, чем длякристаллического NaF; при 565 0С,когда происходит полиморфное превращение и увеличиваются расстояния междуионами Na+ и F-, на политерме электропроводимостикриолита имеется скачек.

  Структура криолита втвердом состоянии характеризуется высокой степенью разупорядоченности: ионы Na+, находящиеся в межузлиях кристаллической решетки,особенно при т выше 5650С, обладают большой подвижностью, обеспечивая высокую проводностькриолита.

   Еще до т. плавлениякриолита в твердом состоянии происходит термическая диссоциация криолитовыхкомплексов:

AlF6-3 = AlF4 — + 2F-

  При переходе через точкуплавления эта диссоциация усиливается еще в большей степени, однако определеннаяконцентрация криолитовых комплексов остается в расплаве, что и определяетналичие максимумов на диаграммах плотности и вязкости.

  Хиолит Na5AL3F14 в твердом состоянии имеет слоистуюрешетку, образованную октаэдрами AlF6-3. При плавлении происходит распадэтого соединения. Над расплавом хиолита пар состоит из криолита итетрафторалюмината натрия. Это означает, что и в расплаве существуют ионныегруппировки, отвечающие этим соединениям, (комплексные ионы AlF6-3 и AlF4-).

  Тетрафторолюминат натрия NaAlF4 имеет кристаллическую решетку, в узлах которойнаходятся ионы Na+ и октаэдры связи между этими ионамив значительной степени имеют ковалентный характер.

  В жидком состоянии NaAlF4 довольно устойчив, что подтверждается азеотропностьюданного соединения (в равновесии состав жидкости и пара над NaAlF4 одинаков).

  Таким образом, расплавысистемы NaF – AlF3 состоят из ионов: Na+, F-, AlF6-3 и AlF4-. Комплексные ионы AlF63- AlF4- имеют динамическую природу: возникая в одном месте,они распадаются в другом, и их следует рассматривать как временныеупорядоченности ионов F-вокруг Al3+.

  Расплавы системы Na3  AlF6-3Al2 O3. В данной системе расплава криолитрастворяет оксиды, в отличие от других си тем. Предполагается, что растворениеглинозема в криолите связано с обменом ионами F- и О2- между анионами AlF6-3расплавленного криолита и решеткойглинозема. Катионы Al3+, принадлежащие криолиту, вырывают своим сильным полеманионы О2- из решетки глинозема. В результате этого обменацелостность кристаллической решетки глинозема нарушается и глиноземрастворяется.

Таким образом“растворителем” глинозема и других оксидов в криолите является ион Al3+, входящий в криолитовые комплексы AlF6-3и AlF4-.

  В результате обмена F- на О2- в окруженииионов Al3+ происходит образование новых оксифторидных комплексовтипа AlOFx1-x, где х = 2-5. Простейший из таких комплексов AlOF2. Образование его можно представить схемой:

Na3 AlF6 + 3Al2 O3 = 3Na Al2O3.

  По данной реакции накаждую молекулу глинозема образуется три новых оксифторидных иона AlOF2-.

  Растворение глинозема вкриолите сопровождается заметным взаимодействием криолита и глинозема.Объяснение этого состоит в том, что оксофторидные комплексы не имеют строгоопределенного состава: по мере роста концентрации растворенного глиноземастроения оксифторидных  комплексов усложняется, соотношение количеств ионов фтораи кислорода в них понижается. При больших концентрациях  Al2 O3 в заэвтектической области,по-видимому, образуются сетки из алюминий-кислородных ионов с включенными в нихионами фтора. Вязкость таких расплавов резко увеличивается.

  При равновесиикристаллизации происходит разрушение комплексов, и криолит кристаллизируетсяотдельно от глинозема. При закалке образуется твердый раствор глинозема вкриолите.

Таким образом, глинозем,вводимый в криолитовый расплав, вступает в взаимодействие с криолитовымикомплексами и образует оксофторидные комплексы переменного состава. Расплавсостоит из ионов: Na+, F-, AlF63-, AlF4-, AlOFхх-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Плотность Alи электролита

  В твердом виде 2,95г/ м3;Al – 2,7г/см3; Al2O3 – 3,9г/см3. В расплавленном состоянии плотность Al примерно на 10% выше, чемкриолито-глиноземного расплава, что вполне достаточно для его разделения.Плотность криолита и Al врасплавленном состоянии зависит от температуры:

— для Al: £ = 2,382 – 0,000273 (t 6590).

— для криолита: £ =2,112 – 0,00093 (t 10000).

Добавки к криолиту NaF; AlF3; Al2O3 снижают плотность расплава. Сповышением температуры плотность криолито-глиноземного расплава, как и чистогокриолита понижается.

Для расплава, содержащего5% Al2O3 при 9600C плотность равняется 2,1 г/см3, плотность Al – 2,3 г/см3.

Плотность Al с повышением температуры понижаетсямедленнее, чем плотность криолито-глиноземного расплава. При понижениитемпературы плотность криолита, Al2O3, Alувеличивается не в одинаковой степени. Так как у криолита это происходитбыстрее, при снижении температуры может наступить такой момент, когда плотностиMe и электролита будут близки ипроизойдет их перемешивание. При этом Me может всплыть на поверхность, что нарушит процесс электролиза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ЭлектропроводностьКГР  

 

Электропроводность –важное свойство электролита. Это свойство зависит от структуры расплава,поскольку перенос тока обусловлен движением ионов, их природой ивзаимодействием между ними. Для электролиза важно иметь наиболееэлектропроводные электролиты, так как повышение электропроводимости позволяетувеличить плотность тока без нарушения теплового равновесия электролизера, тоесть, интенсифицировать процесс электролиза.

Наиболее высокойэлектропроводностью обладает чистый Na F. Удельнаяэлектропроводность электролита падает с возрастанием содержания Al F3, подчиняясь линейной зависимости.

Удельнаяэлектропроводимость Na F при t = 10000C = 4,46 ом см-1, криолит = 2,67 ом 40% Al F3 = 2,01 ом

Удельнаяэлектропроводимость криолито-глиноземного расплава является линейной функциейсодержания Al2 O3.

При содержании Al2 O3 в криолите от 2 до 15% удельная электропроводность расплавауменьшается от 2,6 до 1,9 ом см. При расчетах пользуются обратной величинойудельным сопротивлением. Для расплава с 2% Al2 O3 при t0= 10000C удельное сопротивление: P = 1/2,6 = 0,385 ом см.

Электропроводность Al зависит от содержания в немпримесей. Чем выше сортность Al,тем больше электропроводность. С повышением температуры расплавовэлектропроводность увеличивается. Промышленный электролит кроме основногосостава всегда имеет взвесь – частиц  угольной пены. Это частицы, попавшие вэлектролит в результате неполного окисления анода.

Несмотря на то, что угольимеет электропроводимость на три порядка выше, чем электролит, наличие угольныхчастиц приводит к уменьшению электропроводимости электролита.

Кроме угольных частиц м/бвзвеси Al2O3 – они не проводят ток и снижают электропроводимостьрасплава.

Считается, что в среднемпромышленные электролиты имеют электропроводимость на 5% меньше, чем расплавыиз чистых компонентов.