1236

дующей декомпозиции подают в содовый цех для получения поташа (К2СО3) и кальцинированной соды (Na2C03). Примерный расход материалов на получение 1 т глинозема из нефелинов сле­

ботке нефелинов на 1 т глинозема получается около 1 т содопродуктов и до Ю т цемента.

§ 4. Электролиз криолито-глиноземных расплавов

Свойства солей алюминия и электролита

До настоящего времени единственным применяющимся в крупно­ масштабном промышленном производстве способом получения металлического алюминия является электролитическое разложе­ ние его оксида, растворенного в расплавленном криолите (Na3AlF6).

Ниже рассмотрены основные условия проведения электролиза глинозема.

Состав электролита. Основой современного промышленного электролита является система криолит—глинозем (рис. 61). Эвтек­ тическая температура в этой системе

вию лучшего выхода по току его поддерживают около 2,7. Электролиты с к. о. не менее 3,0 называют кислыми, более 3,0 — щелочными; последние в настоящее время не применяют.

Практически в электролите накапливается еще 4—5 % CaF2 (иногда до 10%). Полезность CaF2 состоит в снижении темпера­ туры плавления электролита и потерь алюминия. Несколько эф­ фективнее в этом отношении добавка фторида магния. Суммарно содержание добавок не превышает 10%. Заводские электролиты содержат, -%: 78—82 Na3AlF6; 4— 5 A1F3; 2 — 8 А120 3; 8— 10

(CaF2 + MgF2).

Электропроводность электролита. Во время электролиза по­ стоянный ток проходит через расплавленный электролит от анода

к катоду. Чем больше электропроводность электролит#» тем меньше расход электроэнергии и меньше нагрев электролита, и следовательно, можно увеличивать силу тока, что почти равно­ сильно росту производительности ванн. Электропроводность элек­

номии электроэнергии следует работать при умеренном содержании глинозема (2—6 %) и к. о .= 2,6 -т-2,8. В действующем электро­ лизере температура электролита должна, находиться в пределах 930—970°С. Ниже 930 °С ухудшается растворимость глинозема, на стенках и подине электролизера образуются мощные настыли, что усложняет работу электролизников. При температуре элек­ тролита более 970 °С снижается выход по току и возрастает рас­ ход фтористых солей вследствие их испарения.

Плотность электролита. Алюминий собирается под электроли­

быстро растворяться в электролите (не доходить до подины). При избытке глинозема на подине ванны могут образовываться на­ стыли. Поэтому желательна частая загрузка глинозема в ванну (до 12 раз в сутки) или автоматическая загрузка его с целью поддержания низкого постоянного содержания в электролите — в пределах 2—4 % •

Ионный состав электролита. В расплавленном состоянии элек­ тролит состоит из ионных групп и следующих ионов: Na^, F~,

АЮГ, А10+, AlOFf4, Са2+, Mg2+, A1F(T9. Эксперименты и расчеты

показывают, что ток переносят ионы натрия на 90 % и ионы фтора на 10 %. Ионы алюминия и оксифторидные ионы (носители кисло­ рода) только разряжаются на катоде и аноде. Ионы натрия, каль­ ция, магния как наименее благородные не разряжаются на катоде. Соответственно не разряжается на аноде ион фтора. Практически на угольном аноде и жидком алюминиевом катоде разлагается глинозем по двум итоговым реакциям: А120з + ЗС = 2А1 + ЗСО;. 2А120 3 + ЗС = 4А1 + ЗС02.

Конструкция электролизеров

Современные алюминиевые электролизеры классифицируют по

(100—250 А). По конструкции электролизеры различаются глав­ ным образом устройством анода и анодного токоподвода. Выде­ ляют три разновидности конструкции: 1 ) электролизеры с самообжигающимся анодом и боковым подводом тока к нему; 2 ) элек­

тролизеры с самообжигающимся анодом и верхним подводом тока к нему: 3) электролизеры с обожженными ранее на электродных заводах анодами. Обожженные аноды имеют только верхний подвод тока.

Устройство электролизеров показано на рис. 62—64. В плане электролизер имеет прямоугольную форму. Его основанием слу­ жит бетонный фундамент, на котором смонтировано катодное устройство из подовых угольных блоков. В эти блоки встроены токоподводящие стальные стержни сечением 120X 120 мм. Для лучшего контакта стержни залиты в пазах блоков чугуном. Боко­ вые стенки имеют обкладку из асбестового листа, тонкий слой засыпки из глинозема и футеровку из угольных плит. Все швы в угольной кладке заполнены углеродистой массой. Подвод тока делают двусторонним для ослабления действия магнитных полей на расплавленный алюминий.

Стенки ванн сварены из стальных двутавров и стальных ли­ стов (низ). Глубина шахты ванны — около 600 мм. Длина и ши­ рина определяются мощностью ванны.

На рис. 65 показано анодное устройство для электролизеров с боковым подводом тока.- Оно состоит из самообжигающегося анода, кожуха с рамой, обечайки, штырей и механизма для пере­ мещения анода. Кожух сварен из листовой стали и заключен для жесткости в швеллерную раму, которую можно опускать или под­ нимать с помощью винтов. Рама подвешена к каркасу элек­

.алюминиевый лист — обечайку. Анодную массу загружают в обе­ чайку в виде брикетов. Ее состав: 70 % нефтяного кокса; 28—30 % пека; не более 1 % золы. Внутри обечайки масса расплавляется, коксуется и формируется угольный анод.

Ток подводится к ванне по пакету алюминиевых шин с двух сторон. От шин к штырям ток проходит по гибким медным шинам {спускам). Непосредственно в анод ток поступает по стальным штырям. При верхнем подводе тока штырь и шина соединены колодкой с пружинным зажимом. При боковом подводе тока и четырехрядной установке (под током два ряда) нагрузка на штырь равна 1200—1300 А. При верхнем подводе штыри устанав­ ливают в четыре ряда, в этом случае нагрузка на штырь равна

2000 А.

Обычно плотность тока Da на ваннах средней мощности нахо­ дится в пределах 0,80—1,0 А/см2; на мощных ваннах она сни­ жается до 0,65—0,7 А/см2. При выборе плотности тока большое значение имеет ширина анода: чем шире анод, тем меньше плот­

анода до борта ванны, равном 0,5 м, внутренние размеры большой ванны будут следующими: ширина 3,0—3,8 м, длина 9 10 м.

Рис. 63. Электролизер для получения алюминия с верхним подводом тока:

пежный профиль катода)

Электролизеры с боковым подводом тока закрыты с четырех сторон шторами и имеют отвод газов. При верхнем подводе имеется колокольное устройство для отсоса газов на месте их выделения.

Электролизеры с обожженными анодами более экономичны, чем электролизеры с самообжигающимися анодами. На ванне их работает 20—24 шт. (самообжигающийся анод сооружается один на ванне). Одно из главных их преимуществ — сокращение выде-

ления вредных веществ, образующихся при коксовании пеков. Повышенная стоимость анодов окупается пониженным расходом электроэнергии за счет снижения напряжения на ваннах.

Электролизеры обычно объединяют в серии по 160—170 шт., из

кремниевого выпрямителя с напряжением 850 В. Обычная длина корпуса равна 400—500 м, ширина 20—30 м. Полы цеха электроизолируют.

Электролизный цех должен хорошо вентилироваться. Темпе­ ратуру в нем поддерживают около 15°С зимой и не более 28 °С летом.

Технология электролиза глинозема

Технологический режим электролиза должен обеспечивать полу­ чение металла высокой сортности, минимальный расход электро­ энергии, глинозема, фтористых солей, анодов (анодной массы).

Механизация, автоматизация и правильная организация всех работ повышают производительность труда и снижают себестои­ мость алюминия. Основную долю издержек производства состав­

40 мкм. Содержание а-глинозема должно составлять около 30%. Глинозем к ваннам доставляют в самоходных бункерах. Тща­ тельная химическая и механическая очистка газов тоже позволяет

поддержанием заданного состава электролита. Глинозем загру­ жают во время «обработки», т. е. обрушения корки электролита. Обработку ведут по графику Г-образно (боковая и торцовая сто­ роны) или диагонально (две половины боковых сторон по диаго­ нали ванны) 8— 12 раз в сутки.

На ряде предприятий освоена автоматическая загрузка глино­ зема. Штоковые автоматические питатели конструкции Ураль­ ского алюминиевого завода подают порцию глинозема через каж­ дые 250—300 с.

При снижении концентрации глинозема в электролите до 0,5— 1,5 % возникает анодный эффект или «вспышка». Напряжение на ванне сначала постепенно, а потом резко возрастает до 50—60 В, наблюдается яркое свечение, обильное выделение газов и паров. При этом электролит перегревается, теряются фтористые соли, перерасходуется электроэнергия. Вспышку гасят обрушением корки (равносильно загрузке глинозема) и размешиванием глино­ зема в электролите.

Перегрев ванны снижает выход по току. Регулировать темпе­ ратуру можно обрушением корки по всему периметру ванны (пол­ ная обработка), что вызывает ее охлаждение, или на */4 части периметра (для экономии тепла), а также изменением межполюс­ ного расстояния между анодом и катодом (МПР). МПР рекомен­ дуется поддерживать в пределах 4,0—5,0 см. При сближении анода и катода уменьшается расход электроэнергии, выход по току па­ дает. Увеличение МПР вызывает перегрев электролита и повышает расход электроэнергии. МПР регулируется автоматически переме­ щением анода.

Si), а иногда и с дополнительными присадками. Типичным силу­ мином является сплав АЛ2 , содержащий 10—13 % Si. Повышение свойств силуминов достигается измельчением макрозерна (моди­ фицирование добавками натрия). Добавки магния способствуют упрочнению сплава после термической обработки, а добавки мар­ ганца нейтрализуют вредное влияние железа. Одним из наиболее прочных, пластичных и коррозионностойких (особенно в морской воде) литейных сплавов является алюминиево-магниевый сплав АЛ8, содержащий 9,5—11,5% Mg. Для уменьшения окисления в пего вводят 0,05—0,07 % Be, а для измельчения зерна — такое же количество титана.

Оборудование для плавки и литья алюминиевых сплавов

В настоящее время для плавки алюминиевых сплавов используют самые разнообразные печи. В цехах с небольшим производством

отражательные и индукционные печи большой емкости, получив­ шие в последнее время значительное распространение (см. рис. 26).

Как уже говорилось выше, наиболее совершенными агрегатами в настоящее время для приготовления расплава являются индук­ ционные печи, так как они имеют высокий тепловой и электриче­ ский к. п. д., весьма экономичны и удобны в эксплуатации. К преи­ муществам их следует отнести также высокую производительность (200—400 кг/ч в зависимости от емкости печи) и пониженный угар металла (2—3%) по сравнению с отражательными. Широкому применению индукционных печей способствует высокая однород­ ность получаемого расплава.

Следует отметить, что для плавки алюминиевых сплавов при­ меняют индукционные печи с сердечником и без сердечника.

В настоящее время в Советском Союзе эксплуатируются ка­ нальные индукционные печи емкостью от 300 кг до 40 т. Широкое применение нашли индукционные печи, аналогичные таким же печам для плавки медных сплавов.

Плавильные индукционные печи как агрегаты периодического действия при производстве слитков используют только в сочетании с миксерами или раздаточными электрическими печами. В послед­ них обеспечивается температура литья сплава и ее поддержание в заданных пределах, а также рафинирование расплава и обра­ ботка его технологическими добавками.

Жидкий металл из миксера или раздаточной печи при отливке слитков подается в машины полунепрерывного или непрерывного литья.

При литье цилиндрических слитков применяют кристаллиза­ торы различных конструкций, состоящие из корпуса и гильзыкристаллизатора, изготавливаемых из алюминиевых сплавов (дуралюмина в термообработанном состоянии). Рабочую поверх-

ность гильзы шлифуют и полируют. Для уменьшения образования неслитин на поверхности слитков диаметром более 250—300 мм верхнюю часть гильзы высотой 40—60 мм делают конической с углом наклона 3—6°.

Кристаллизаторы для отливки плоских слитков изготовляют из листов и прессованных профилей специального назначения. Для этого применяют алюминиево-марганцовистые сплавы (1 —1 ,6 % Mn). С целью улучшения поверхности слитков применяют рифле­ ную рабочую поверхность кристаллизатора. Это способствует уменьшению теплоотвода через стенки кристаллизатора и сниже­ нию трения при вытягивании слитка.

Плавка и литье алюминиевых сплавов

Деформируемые алюминиевые сплавы содержат меньшее количе­ ство добавок, чем литейные. Учитывая это в шихту вводят более высокие сорта исходных металлов и сплавов, в меньших количе­ ствах — отходы собственного производства, ограничивают также использование стружки. В зависимости от состава сплава и его назначения шихта освежается на 0—50 %.

Загрузку шихтовых материалов осуществляют в следующей последовательности: чушковый алюминий, крупногабаритные от­ ходы, лигатуры и чистые металлы. Для некоторых сплавов (типа АК) допускается загрузка всех составляющих одновременно. Легирующие элементы (Mn, V, Сг, Ti, Fe, Si, Zr) вводят в виде лигатур; Mg, Zn и Си — в виде чистых металлов.

Следует отметить одну характерную особенность алюминиевых сплавов: при плавке они легко окисляются, склонны к растворе­ нию газов, особенно водорода, и загрязняются неметаллическими включениями. Это обстоятельство требует повышенного внимания к подготовке шихты, а также к процессам ведения плавки и пере­ лива металла в машины полунепрерывного литья или изложницы.

Шихтовые материалы предварительно очищают и хранят в сухих закрытых помещениях. При плавке поверхность расплава обязательно покрывают флюсом (смесью солей). Готовый к литью металл подвергают рафинированию. В зависимости от марки сплава рафинирование осуществляют продувкой инертными газами (азот, аргон, гелий) или активными газами — хлором, гексахлорэтаном или тетрахлорэтиленом. Для уменьшения загрязненности твердыми неметаллическими включениями применяют также в про­ цессе литья фильтрование через сетчатый, кусковой или жидкий фильтр. Установлено, что повышение эффективности очистки до­ стигается при использовании активных материалов (флюсов, со­ стоящих из смесей солей CaF2, MgF2, NaF, NaCl и др.).

Полунепрерывное литье слитков из алюминиевых сплавов ве­