5.5.4. Отримання алюмшш електрол1тичним способом

Алюмшш добувають електрол13ом глинозему, розчиненого в розплав- леному електролт, головним компонентом якого е крюл1т. Промисло- И1 родовища крюл1ту майже не трапляються, 1 тому ва краши виробля- К)ТЬ ЙОГО, ЯК 1 ШШ1 ф'ГОриСТ! СОЛ1, ДЛЯ елеКТрОЛ13у 13 плавикового шпату (СаР₂). Крюл1т Мау\1Р₆ мае температуру плавления 1100 °С, а глинозем А1₂0₃ — 2050 °С. У систем! кр10Л1т —глинозем визначена евтектика, яка М1стить 10 % А1₂О_э 1 плавиться за температури 986 °С. Додавання глинозему вщ 0 % до евтектично! точки знижуе температуру плавления сплаву. Подальше нав1ть незначне збгльшення концентрац!!' глинозему зумовлюе рхзке зростання плавкосп б!нарного електрол)ту .

За температури близько 1040 — 1050 °С розчинн1Сть глинозему в крюлт становить 15 %. Для зниження температури плавления електро- Л1ту, зб!льшення його електропровщност!, полхпшення змочуваност! елек- тролггом анода та надання йому шших потр1бних властивостей в елек- трол1т додають ргзн! добавки, к1льк!сть яких не мае перевищувати 6 — 10 %. Це обмеження зумовлюеться тим, що добавки знижують роз- чиншеть А1₂0₃ в промисловому електрол!т1. Як добавку найчаст1ше використовують СаР₂, 1лР, М§Р₂ таЫаС1.

До важливих характеристик електрол1ту належать крюл'пове стввщ- ношення (к.с) та пильн1сть. Для чистого крюл1ту Ыа₃А1Р_б (ЗЫаР • А1Р₃) сп!вв!дношення ЫаР:А1Р₃ дор^внюе 3. Електрол1ти , що мають к.с = 3 називають нейтральними, менше 3 — кислими, б!льше 3 — основними. Слщ зазначити, що основш електрол1ти в електрол!зних ваннах, майже

Рис. 5.13. Схема електролкшп! ванни для виготовлення алюмимм:

1. — шини для подведения струму,

+	С:	+

2. 

   ту — майже до 2000 кг/м" шою за густину алюмшш, Спливання алюмшш неприпустиме,

   — аноди; 3, 10 — струмошдиоди до електрод1в; 4 — глинозем; 5 шар затвердщого електроЛ1ту (гар тсаж); 6 — кожух; 7 — футернмы 13 шамоту; 8 — б1чш вупльш блоки, 9 — вуглецев! катодщ блоки

не використовують, осюльки при цьому завдяки збип. шенню концентрацп йоши Ыа можливе Тх видшення на катод1, а надто кисл1 погано розчиняють глино зем. На практищ застосовують електролдти, що мають к.с = 2,6...2,8 I дають змогу заощаджувати електроенерпю шд час електрол1зу.

Щщьшсть крюл1ту, алюмппю й глинозему в твердому стаж вщповщно становить 2950 , 2700, 3900 кг/м³. За робочих температур в електрол! зер1 густина розплавленого алюмшш знижуеться до 2300, а електролг

Густина електрол1ту завжди мае бути мсп щоб останнш накопичувався на дт ванни.

осюльки призведе до його згорян

ня на анод1. Добавки 1 А1Р₃ зменшують, а СаР₂ 1 М§Р₂ зб1льшу ють густину електролггу. Шд час електрол^зу концентращя глинозему в електролт безперервно знижуеться, що веде також до зниження в'яз кост1 й густини та попршення змочуваносп анода розплавом. ММмальиа допустима концентрация А1₂0₃ становить 1,3 % 1 за подальшого змен шення порушуеться режим електролдзу. Збшыиувати вм!ст А1₂0₃ за 10 % також неприпустимо, ос кальки при цьому р1зко зростае тугоплав юсть електрол1ту.

Електрол1з проводять в електрол1зних ваннах або в електрол1зерах (рис. 5.13). Вупльна струмопровщна подина працюе як катод, а запуреш в розплав електроди як анод. У плаш електрол1зна ванна мае прямо- кутну форму. Кожух роблять 31 сталевих лисп в, яю футерують шаром шамоту, а саму ванну викладають вуглецевими плитами 1 блоками. Електрол'гг пщ час проходження струму м1ж анодом 1 катодом нагр1ваеть- ся до робочоТ температури 930 — 950 °С. У процес1 електролдзу в розплав/ вщбуваеться дисощащя молекул крюл1ту та глинозему:

№₃А1Р₆ = ЗЫа⁺ + А1Р<з ; А1₂О_э = А1³⁺ + АЮ^. На катод! розряджаються лише кат 1 они А1³⁺

А1³⁺ + Зе —> А1,

же, для добування метал1чного алюмшш практично витрачаеться лише инозем. У М1ру збщнення електрол1ту глиноземом його перюдично вантажують у ванну. Анюни АЮ₃~ прямують до анода, де внаслщок одного процесу

2АЮ|~ - бе А1₂О_э + ЗО (5.38)

дшяеться кисень, який взаемод1е з вугшьним анодом, окиснюючи його О СО ]' С0₂. Внаслщок згоряння анода вщбуваеться поступова його |итрата.

Якщо анод добре змочуеться електролггом, то бульбашки газу змивають- СЯ завдяки циркуляци розплаву. Витрата А1₂0₃ супроводжуеться зни- Женням змочуваносп, бульбашки починають залишатися на поверхш анода I, як наслщок, стрибкопод1бно зростае електроошр на меж1 подшу фаз. Напруга у ванш зазвичай знаходиться у межах 4,1—4,5 В. У раз1 зни­ження вм1сту глинозему до 1 % виникае анодний ефект — р1зке зростан­ня напруги до 30—40 В та виникнення ккрових розряд1в у систем! анод— електрол1т. Це явище порушуе нормальну роботу електричного облад- нання, пщвшцуе витрати електроенергп, прискорюе руйнування анод1в.

ЕлеКТрОЛ13ерИ, ЯК1 ИИИ1 ВИКОрИСТОВуЮТЬ у ПрОМИСЛОВОСТ!, В1Др23НЯ- ються лише конструктиею анодов, системою струмопщведення та по- тужшстю. Ванни бувають 31 самосп1кливими анодами 1 мають б1чне або верхне струмопщведення та ванни 13 заздалегщь випаленими анодами (рис. 5.14).

У першому випадку основою анода е прямокутний кожух, зварений 31 сталевого листа. Безперервне нарощування анода в1дбуваеться зав­дяки поспйному завантаженню зверху брикет1в анодно! маси (нафтовий кокс з кам'яновупльним пеком). Шд час роботи, внаслщок згоряння нижньоТ частини, анод спец1альним пристроем опускають, забезпечую- чи його ковзання всередин1 кожуха. Завантажена електродна маса у верхнш частиш кожуха розм'якшуеться, плавиться, 1, просуваючись униз, все б1льше нагр1ваеться. В зон/ високих температур видаляються летю речовини, маса коксуеться, сшкаеться 1 перетворюеться на повн1стю монол1тний блок. Пщведення струму до самосп1кливих анод1в зд1йсню- еться сталевими штирями. За верхнього струмопщведення штир1 допо- магають також закр1плювати анод над ванною. Поступово найбшьш заглиблен1 штир1 висмикують 13 затвердшоГ маси 1 закр1плюють Ух вище. Через деякий час вони спжаються разом 13 тверд1ючою анодною масою. За б1Чного струмопщведення штир1 занурюють у неспечену масу кр1зь кожух. У процес1 роботи у м1ру згоряння анода нижш штир1 витягають 1 переставляють у верхнш ряд. В обох випадках сталев1 штир1 з'еднан! з основною струмопщвщною шиною. Слщ зауважити, що вертикальне струмопщведення е досконалштим, 0ск1льки дае змогу зб^льшити потуж­шсть електрол!зер1В, значно спрощуе !х обслуговування та пщвищуе продуктивн1сть пращ.

Використання електрол1зер1в з! самосткливими анодами дае змогу здешевити процес отримання алюмшш завдяки виключенню з техно­логи високоварпсного 1 тривалого процесу — пресування й випалю­вання анодов. Однак це виробництво мае ютотш недолжи:

1. неоднорщшсть вихвдного матер1алу та знижена щшьшсть унаслЬ док самовипалювання зумовлюють шдвищений електроошр анода 1, як наслщок, висок1 витрати електроенергП;

1/2 Рис. 5.14. Електрол1зери з р)зними анодами ) типом струмошдведення: а — з анодом, що сам випалюеться 1 б1чним струмошдведеиням; б — з анодом, що сам виналюеться 1 верхшм струмошдведеиням; в — анод 13 попередньо випалених блоков (багатоанодний); г — з анодом 13 попередньо випалених блоков (блочний); 1 — пристрш для збирання I видалення газу; 2 — анодш шини; 3 — штир1 для шдведення струму; 4 — анод; 5 — катодний пристрш 1

2. технолопя виробництва анод1в не забезпечуе однорщшсть розпо- Д1лу струму по вс!Й робочш поверхш електрода;

Рис. 5.15. Вакуум-ювш для вилучення алюм'гтю:

I кожух; 2 — носок для зливання; 3 — патрубок ДЛЯ приеднання вакуумного насоса; 4 — люк; 5 — Кришка; 6 - патрубок для забирання металу; 7 — футер1вка

3) гази — продукта випалення й кок- сування анодно1 маси — значно забруд- Нюють атмосферу цеху.

Електрол13ш ванни 1з заздалепдь ви- паленими анодами цих недолпав не мають (див. рис. 5.14, в). Анодний вузол складаеться з вупльних або гра- ф1тизованих блоюв (до 20 1 бшьше), розмщених у два ряди. Бло­ки, що згорши, замшюють на новь Ванни мають систему газовловлю- вання.

До перспективних напрямхв в алюмш1евш промисловост! нале- жить застосування електрол1зерш 13 безперервно випаленими анода­ми (див. рис. 5.14, г). У ваннах встановлюють аноди 13 юлькох випале- них блоюв, розм1щених один над одним 1 склеених м1ж собою спещаль- ною вуглецевою масою. У м1ру витрачання анод нарощують зверху черговим блоком.

Обслуговування електрол1зерш складаеться з таких операций: пода- вання у ванну глинозему; контролю I коригування складу електрол1ту; регулювання в1дсташ м1ж анодом 1 катодом; вилучення алюмшш; обслу­говування ангин в.

У сучасних електрол1зерах за добу виробляють 500— 1200 кг алюмЬ нш. Иого видалення з ванни порушуе нормальний перебш процесу, 1 тому намагаються максимально збшьшити пром1жок часу М1Ж випуска- ми. Зазвичай алюмшш видаляють раз на добу або через 2 — 5 д1б за допомогою спещальних вакуум-ковппв (рис. 5.15) мктшстю 1,5 — 5 т алюмшш. Ковпп футероваш шамотом, робоче розрщження становить 70 кПа, заб1рний патрубок кр1зь шар електрол1ту занурюють у рщкий алюмшш 1 внаслщок вакууму вш засмоктуеться у К1вш.

До основних економ1чних показнгаав процесу електрол1зу належить ВИХ1Д за струмом (сШВВ1ДНОШеННЯ фактично'1 К1ЛЬКОСП аЛЮМШШ, що видшився шд час електрол1зу, до його теоретично! кшькоеп, яку можна було б виробити тхею самою к1льк1стю електроенергп вщповщно до розрахушав 311 дно 13 законом Фарадея) та витрати електроенергп на 1 т алюмшш. Вихад за струмом залежить вщ технолопчних втрат, якост1 обслуговування ванни 1 становить 0,85 — 0,90. Фактичш витрати елек­троенергп — 14 000— 16 000 кВт • год. Для виробництва 1 т алюмшш витрачаеться близько 2 т глинозему, приблизно по 25 кг крюл1ту та фториду алюмшпо, 0,5 — 0,6 т анодно! маси. У соб!вартосп витрати на вих1ДН1 матер1али становлять близько 50 %, а на електроенерпю — понад 30 %.