4.1. Электрохимический эквивалент.

Электрохимический эквивалент – это число, показывающее, сколько граммов вещества выделяется на электроде (катоде или аноде) при протекании электродной реакции в расчете на единицу количества электричества (кулон или ампер ∙ час).

4.2. Выход по току.

Из размерности электрохимического эквивалента следует, что он определяет количество вещества Р_т, получающегося при пропускании через электрод единицы количества электричества. Чтобы рассчитать массу для случая произвольного количества электричества Q, надо электрохимический эквивалент К умножить на это количество электричества. Тогда получим

Р_т = K∙Q = K∙I∙t

где I – сила тока; t – время. На практике масса металла Р_п отличается от теоретической рассчитанной. Это отношение называется выходом по току:

η = Р_п/Р_т

При промышленном электролизе выход по току меньше единицы, и практически вся масса с учетом η находится по уравнению

Р_п = η∙К∙I∙t.

В промышленном электролизе выход по току зависит от множества факторов и составляет от 0,88 до 0,96.

4.3.Состав электролита.

Расплавленный криолит, являющийся хорошим растворителем глинозема, - главный компонент электролита. Для снижения температуры начала кристаллизации и улучшения других свойств электролита в расплав вводятся добавки, в частности соли или оксиды кальция, магния и лития, а также фторид алюминия. Естественно, что в состав электролита входит и глинозем (от 1 до 8 % по массе).

4.5. Электролиз.

Электрический ток, проходя через электроды и электролит, выделяет на катоде алюминий, а на аноде – диоксид углерода СО₂. При этом полная электрическая работа А определяется выражением

А = U∙I∙t,

где U – напряжение. Отношение затраченной энергии (А) на количество произведенного металла (Р_п) называется удельным расходом энергии W (кВт∙ч/кг), который равен: W = U/k∙η.

5. Технология производства алюминия, основное технологическое оборудование электролизных цехов.

Современные алюминиевые заводы представляют собой комплекс основных и вспомогательных цехов, каждый из которых выполняет присущие ему функции. Количество серий электролиза зависит от производительности завода и составляет от одной до двенадцати. При большом числе серий для лучшей управляемости производством их объединяют в цехи, которые обычно состоят из 3 – 4 серий.

Электролизный цех – самостоятельная хозяйственная единица с полным циклом производства. В состав электролизного цеха, кроме корпусов электролиза, входят приемные склады глинозема, подразделения по обслуживанию электротехнического и механического оборудования, объекты энергетики, газоочистки, различные инженерные сети и коммуникации и как правило, литейные отделения.

Для производства алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава применяются агрегаты, называемые электролизерами или электролизными ваннами. За всю историю развития алюминиевой промышленности по мере повышения силы тока, более глубокого понимания процесса, применение новых материалов и т.д. конструкция электролизеров претерпела существенные изменения, но принципиальнее их устройство не изменилось. Алюминиевый электролизер любой конструкции и мощности состоит из катодного и анодного устройств для сбора и отвода газов, выделяющихся при электролизе. Электролизеры классифицируются следующим образом:

• по конструкции катодного кожуха с днищем и без него;

• по устройству анода – на электролизеры с самообжигающимися (СОА) и с обожженными (ОА) анодами;

• по подводу тока к аноду – на электролизеры с боковым (БТ) и верхним (ВТ) токоподводом, к которому относятся также электролизеры с ОА;

• по мощности – на электролизеры малой (до 50 кА), средней )от 50 до 100 кА); большой мощности (от 100 до 160 кА) и сверхмощные электролизеры (от 180 кА и более).

Рассмотрим подробнее устройство основных узлов электролизера. Катодное устройство размещается в стальном кожухе длинной 9 – 14 м, шириной 3 – 4,5 м и высотой 1 – 1,2 м. Кожух футеруется теплоизоляционными и затем огнеупорными материалами. Внутренняя часть катодного устройства выкладывается угольными блоками. Заделанные в нижние (подовые) блоки стальные стержни служат для отвода тока. Анодный узел включает собственно угольный анод и систему сталеалюминевых токоподводов. Постоянное напряжение поддерживается за счет перемещения анодов домкратами, опускающими или поднимающими анодную раму, к которой зажимами крепятся анодные токоподводы. В общую цепь последовательно включается 150 – 200 электролизеров, которые соединяются ошиновкой. Напряжение на ванне в зависимости от типа и конструкции меняется от 3,9 до 4,5 В. Анодные газы на электролизерах ВТ собираются в газосборном колоколе, укрепленном по периметру анодной рубашки. В этом случае предусматривается частичное дожигание оксида углерода и смолистых веществ, выделяющихся при коксовании анода, в специальных горелках, смонтированных вместе с газосборным колоколом.

В процессе электролиза на поверхности электролита образуется корка, которую приходиться пробивать, чтобы загрузить глинозем. Существует несколько способов загрузки. Наиболее современный способ предполагает расположение пробойников и бункеров с дозаторами вдоль продольных сторон для ванн с анодом Содерберга или по центру ванны с обожженными анодами. Одна система пробойник – дозатор устанавливается в расчете приблизительно на 40 кА тока. Частота загрузки 1 – 2 минуты при дозе меняющейся от 200 г до 1 кг. Диаметр загрузочного отверстия в корке при этом составляет около 15 см.

Важная особенность электролизера – его дифференцированная теплоизоляция. Хорошо утепленная подина должна исключать кристаллизацию электролита и глинозема (появление «коржей»), которые становятся причиной многих технологических осложнений: повышение омического сопротивления из-за низкой проводимости твердого электролита, неравномерность тока в подине, появление горизонтальных токов в металле, вызывающих его интенсивную циркуляцию, и т.д. Малая изоляция вдоль блоков с угольными блоками или блоками из карбида кремния приводит к тому, что вдоль бортов, как в электролите, так и в зоне металла, существуют настыли, состоящие в основном из твердого криолита. Настыль играет важную роль в работе ванны:

1. защищает блоки от разрушения;

2. служит естественным регулятором температуры электролиза;

3. растворение настыли или ее кристаллизация – одна из главных причин изменения состава электролита;

4. надлежащая настыль формирует форму рабочего пространства.

Одним из жестких требований к современному электролизу является поддержание определенного расстояния анод – катод (МПР). Обычно МПР составляет 5 – 6 см, и каждый из них «стоит» приблизительно 350 мВ падения напряжения в электролите. Увеличение МПР, повышая выход по току, одновременно вызывает рост напряжения и, следовательно, удельного расхода энергии.

Рисунок 1. Разрез двухэтажного корпуса, оснащенного электролизерами ВТ.

1 – газоотводные патрубки; 2 – эстакада для кабелей; 3 – рифленки;

4 – штанг для перестановки штырей; 5 – электролизер;

6 – кабина мостового крана; 7 – оконные проемы; 8 – ферма мостового крана;

9 – фонарь;

Рисунок 2. Принципиальная схема электролизера с анодом Содерберга.

1 – газосборный колокол; 2 – анодные штыри; 3 – анодная масса; 4 – электролит; 5 – настыль; 6 – блюмсы; 7 – угольная подина; 8 – катодный кожух; 9 – огнеупоры и теплоизоляция.

Рисунок 3. Схема электролизера с обожженными анодами.

1 – катодное устройство; 2 – анодные блоки; 3 – токоподводящая штанга; 4 – газосборное устройство; 5 – анодная ошиновка.