Сырьё и материалы для производства алюминия

Учебное пособие

 

по междисциплинарному курсу МДК 01.02

 

МЕТАЛЛУРГИЯ АЛЮМИНИЯ

для студентов специальности 22.02.02. Металлургия цветных металлов

 

Разработка и оформление преподавателя Минаковой Л.Н.

 

В учебном пособии приведены следующие темы: сырьё для производства алюминия электролизом и требования к нему, теория электролиза криолитоглиноземных расплавов, состав и свойства промышленных электролитов, электродные процессы, конструкция и монтаж электролизеров, основы АСУТП электролиза, обслуживание электролизёров и нарушения технологии, производство АВЧ, получение товарной продукции из алюминия, вопросы экологии и экономии сырья.

 

Содержание

 

1 Сырьё и материалы для производства алюминия. 4

1.1 Глинозём.. 4

1.2 Фтористые соли. 7

1.3 Углеродистые изделия. 10

2 Теоретические основы электролиза глинозёма. 16

2.1 Основы электрохимии. 16

2.2 Характеристика криолита как растворителя глинозёма. 16

2.3 Состав промышленного электролита. 17

2.4 Свойства промышленного электролита. 19

3 Механизм электролиза криолитоглиноземных расплавов. 24

3.1 Сущность электролиза глинозёма. 24

3.2 Напряжение разложения. 24

3.3 Процессы, протекающие на электродах. 25

3.4 Анодный эффект. 26

3.5 Поведение примесей, попадающих в электролит. 27

4 Технико-экономические показатели процесса электролиза. 30

4.1 Законы Фарадея. 30

4.2 Выход по току. 31

4.3 Удельный расход электроэнергии. 31

4.4 Выход по энергии. 32

4.5 Зависимость выхода по току от переменных факторов. 32

5 Конструкция алюминиевых электролизёров. 36

5.1 Катодное устройство электролизера. 37

5.2 Анодное устройство. 39

5.3 Катодная и анодная ошиновка. 40

6 Монтаж и демонтаж, обжиг и пуск электролизёров. 42

6.1 Материалы для монтажа электролизёра. 42

6.2 Катодные блоки. 42

6.3 Монтаж катодного устройства. 45

6.4 Обжиг и пуск электролизёров. 46

6.5 Демонтаж электролизера. 46

8 Обслуживание алюминиевых электролизёров. 48

8.1 Параметры работы электролизера. 48

8.2 Поддержание технологических параметров в заданных пределах. 48

8.3 Обслуживание катодного устройства. 49

8.4 Обслуживание анодного устройства. 51

8.5 Оборудование и механизация электролизного производства. 52

8.6 Срок службы электролизеров. 53

9 Магнитное поле в электролизере. 56

10 Автоматизация процесса электролиза. 57

11 Нарушения технологии электролиза алюминия. 58

12 Электролизный цех. 61

12.1 Серия корпусов электролиза. 61

12.2 Вентиляция и газоотсос. 62

13 Регенерация фтористых солей. 64

13.1 Извлечение фтористых солей из отходящих газов. 64

13.2 Извлечение фтористых солей из угольной пены и футеровки ванн. 65

13.3 Утилизация прочих отходов. 65

14 Литейное отделение. 67

14.1 Качество алюминия и первичное рафинирование. 67

14.2 Технология разливки алюминия. 68

14.3 Оборудование литейного производства. 69

15 Получение алюминия высокой чистоты.. 70

15.1 Теоретические основы процесса. 70

15.2 Конструкция электролизера АВЧ.. 70

15.3 Технология электролитического рафинирования алюминия. 71

15.4 Получение алюминия особой чистоты (АОЧ) 74

16 Промышленная безопасность и экология. 76

17 Себестоимость алюминия. 80

17.1 Пути снижения основных статей себестоимости. 80

17.2 Рентабельность. 81

Список использованных источников. 82

Глоссарий. 83

 

Введение

Цветная металлургия отличается исключительным разнообразием применяемых технологических схем, процессов и аппаратов. А сочетание в технологических схемах пиро- и гидрометаллургических процессов позволяет успешно решать задачи:

- повышения степени извлечения ценных компонентов и

- комплексности использования перерабатываемого сырья,

- создания мало- и безотходных технологий,

- охраны окружающей среды.

Современные металлургические процессы получения цветных металлов должны удовлетворять следующим основным требованиям:

I) высокая удельная производительность применяемых аппаратов;

2) высокая производительность труда (выпуск продукции на одного работника в количественном или стоимостном выражении);

3) высокая степень извлечения всех ценных составляющих;

4) высокая степень комплексности использования сырья;

5) минимальные затраты тепловой или электрической энергии;

6) максимальное использование вторичных энергоресурсов;

7) комплексная механизации и автоматизации всех операций;

8) использование дешевой, долговечной и удобной в работе, пуске, наладке и ремонте аппаратуры;

9) создание непрерывных, поточных, полностью автоматизированных технологических линий получения металлов с частичным или полным программным управлением;

10) обеспечение безопасных и безвредных условий труда и охраны окружающей природы.

Совершенствование существующих и создание новых технологий и аппаратов, максимально удовлетворяющих требованиям современности, возможно лишь при условии глубокого понимания структуры металлургического процесса и возможностей управления скоростями их протекания. Любой металлургический процесс представляет собой сложный комплекс последовательно и одновременно протекающих физико-химических превращений и взаимодействий - элементарных стадий.

 

 

Сырьё и материалы для производства алюминия

Самый распространённый металл на земле - алюминий находится в природе в виде окисла Al₂O₃, в земной коре содержится в различных соединениях, которые делятся на две группы:

- первичные минералы, образованные при кристаллизации магмы, это в основном алюмосиликаты: ортоклаз, альбит, лейцит и нефелин. Меньше распространены дистен, силлиманит, андалузит, шпинели MeO*Al₂O₃ и свободный оксид алюминия – корунд;

- вторичные минералы, образовавшиеся в результате выветривания части элементов из первичных, имеют более высокое содержание оксида алюминия (таблица 1.1). Широко распространённые гидросиликаты алюминия – каолинит и его разновидности; гидроксиды и оксигидроксиды алюминия – гиббсит (гидраргиллит), бемит и диаспор являются главной составной частью бокситов. Природные бокситы в основном смешанного типа гиббсит-бемитовые или бемит - диаспоровые. К этой же группе относится и алунит.

Таблица 1.1 – Содержание основных компонентов в некоторых минералах алюминия

Размеры в % (масс.)

		Минерал			Оксиды							Химическая формула
				Al2O3			SiO2		R2O
Первичные минералы
Корунд			100			–		–		Al2O3
Андалузит, дистен, силлиманит			63			37		–		Al2O3*SiO2
Нефелин			32, 3–36			38–42, 3		19, 6–21		(Na, K)2O*Al2O3*SiO2
Лейцит			23, 5			55, 1		21, 5		K2O*Al2O3*4SiO2
Ортоклаз			18			65		17		K2O*Al2O3*6SiO2
Альбит			20			68		12		Na2O*Al2O3*6SiO2
Вторичные минералы
Диаспор, бемит			85			-		-		Al2O3*H2O
Гиббсит			65, 4			-		-		Al2O3*3H2O
Каолинит			39, 5			46, 4		-		Al2O3*2SiO2*2H2O
Гидрослюда (мусковит)			38, 5			45, 2		9, 7		K2O*3Al2O3*6SiO2*3H2O
Хлориты (шамозит)			21-27, 7			16-30		-		(Mg, Al, Fe+2, Fe+3)*(Si, Al)4*(OH, F)4
Алунит			37			-		11, 3		K2SO4*Al2(SO4)3*4Al(OH)3

 

Алюминиевая промышленность является крупнейшим потребителем глинозёма и фтористых солей. При электролитическом получении алюминия расплавленный криолит является электролитом и растворителем для глинозема, а фтористые соли добавляют для улучшения свойств электролита. Для электролиза глинозёма необходима электроэнергия с большой силой тока, подводимой углеродными электродами.

 

Глинозём

Промышленное производство алюминия основано на применении глинозёма – обогащённой алюминиевой руды. Свойства глинозема влияют на его расход, на расход анода и фторидов, на затраты электроэнергии, запыленность атмосферы в рабочей зоне, качество улавливания фтора и др.

Около 95 % всего глинозема для производства алюминия в мире получают из бокситовых руд. Боксит (фр. bauxite) получил название по местности Baux на юге Франции. Химический состав бокситов и их физические свойства весьма разнообразны:

- содержание Al₂O₃ от 35 до 60% и выше; SiO₂ – от десятых долей до 25%; Fe₂O₃ – от 2 до 40%;

- содержание TiO₂ – от следов до 11%;  ванадия 0, 025-0, 15%, галлия  0, 001-0, 007%;

- по содержанию оксидов железа различают бокситы маложелезистые до 10%, железистые 10-18% и высокожелезистые более 18%;

- в зависимости от содержания СО₂, бокситы делятся на малокарбонатные до 0, 6%, карбонатные 0, 6–2% и высококарбонатные более 2%;

- по содержанию серы, до 0, 35% S относят к малосернистым, от 0, 3 до 0, 8% – к сернистым, и более 0, 8% – к высокосернистым бокситам.

На сегодняшний день главными поставщиками бокситов в мире являются: Австралия, Гвинея, Центральная Америка (Гайана, Ямайка, Суринам, Бразилия. В Европе все месторождения истощены, в Греции есть бокситы низкого качества. В России немногочисленные месторождения бокситов на северном Урале, Ямале и в Забайкалье.

Требования к глинозёму как сырью для электролиза

Глинозем представляет собой белый абразивный, мелкокристаллический порошок, нерастворимый в воде. Типичные производственные требования к глинозёму при электролизе:

- хорошая растворимость в электролите, без образования осадка;

- минимальное содержание вредных примесей, снижающих сорт алюминия;

- хорошая текучесть при возможно меньшем пылении, обеспечивающая транспорт в склады и в бункера АПГ,

- угол естественного откоса 29-32 градуса (важно при загрузке на корку электролита);

- адсорбционная активность для поглощения поверхностью летучих фтористых соединений;

- диапазон содержания фракций – 45 мкм 5–30 % (до 50%); + 150 мкм 1–6 % (до 30%),

- удовлетворительные теплофизические свойства.

В алюминиевом электролизере глинозем выполняет множество функций:

- является основным расходуемым компонентом, который растворяется в электролите и подвергается электролитическому разложению с получением алюминия и анодных газов;

- участвует в образовании корки над электролитом и боковой настыли;

- является тепловой изоляцией и герметизацией ванны, находясь на корке электролита;

- защищает анод от окисления;

- улавливает пары фторидов;

- укрывает обожжённые аноды, предотвращая их окисление

- является адсорбентом газообразных и твёрдых фторидов в сухой газоочистке.

Глинозем выпускают следующих типов в зависимости от гранулометрического состава и содержания α -Al₂O₃:

- мучнистый (пылевидный);

- песчаный (крупнозернистый),

- фторированный (поступает с сухой газоочистки).

К глинозему, используемому для производства алюминия, предъявляются требования по химическому составу в соответствии с ГОСТ 30558–2017. На КрАЗе применяют глинозём всех марок, его практический расход на 1 тонну алюминия ≈ 1925 кг (теоретический 1889 кг). Глиноземы отличаются большим разнообразием свойств, и если их не учитывать, то это может нанести технологии, экономике и экологии серьезный ущерб.

Содержание примесей в глинозёме

Глинозем должен содержать минимально возможное количество оксидов железа, кремния и других более электроположительных, чем алюминий, элементов, так как, выделяясь на катоде с алюминием, они ухудшают его качество.

Нежелательно присутствие в глиноземе оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, поскольку они, вступая во взаимодействие с AlF₃, изменяют состав электролита, что вызывает необходимость его корректировки

3 Na₂О + 2 АlF₃ = 6 NaF + Аl₂О₃                                                                       (1.2)

С увеличением содержания оксида натрия возрастает расход фторида алюминия, что видно из следующих данных:

Содержание Na₂O в Al₂O₃, %      0, 25     0, 3        0, 35   0, 4     0, 6

Расход AlF₃, кг/т Al                    10, 0    13, 8  17, 5   24, 7   35, 3

При содержании Na₂O в глиноземе более 0, 33 % начинает нарабатываться излишнее количество электролита, который надо выливать из ванны. Кроме того, оксиды Na и К, проникая в угольную футеровку, снижают срок службы ванны.

Крайне нежелательно присутствие влаги в глиноземе, так как при взаимодействии воды с криолитом и фторидом алюминия образуется фтористый водород HF:

2Na₃AlF₆ + 3H₂O = Al₂O₃ + 6NaF + 6HF↑                                  (1.3)

2AlF₃ + 3H₂O = Al₂O₃ + 6HF↑                                                                  (1.4)

что приводит к дополнительному расходу фторидов и загрязнению воздуха. Как следует из этих реакций, из каждых 18 г воды, попавших в электролит, образуется 56 г HF.

Фтористые соли

Алюминий очень электроотрицательный металл, поэтому получить его возможно только электролизом из расплава. Промышленным способом получения алюминия служит электролиз его оксида, растворённого в криолите.

1.2.1 Свойства фторсолей и технические требования к ним

Криолит – двойная соль фторида натрия и фторида алюминия 3NaF*AlF₃ или Na₃AlF₆. Криолит служит расплавленной средой – электролитом, в котором осуществляется электролиз глинозёма. Для улучшения свойств криолита и корректировки состава электролита в него вводят AlF_3, MgF₂, CaF₂, LiF и другие фтористые соли.

В переводе с греческого криолит значит “ледяной камень”, так как по внешнему виду сходен со льдом. Естественный криолит в природе распространён ограниченно. Единственное в мире промышленное месторождение криолита находится в Гренландии. Весь криолит для электролиза алюминия получают искусственным путём. Искусственный криолит готовят обычно с избытком AlF₃ против его теоретической формулы, вплоть до состава 5NaF*3AlF₃ (или Na₅Al₃F₁₄), что соответствует составу природного минерала хиолит с молекулярным отношением NaF/AlF₃ = 1, 66.

Искусственный криолит – серовато-белый порошок, плохо растворим в воде. Плотность при 20 °С равна 2, 95 г/см³. Плавится при t =1008 °С, плотность расплавленного криолита 2, 09 г/см³, электропроводность 2, 67 Ом^-1*см^-1 (См/см).

Молярное отношение NaF/AlF₃ называют криолитовым отношением (КО)

Для чистого криолита КО =

Фтористый алюминий AlF₃ – бело-розоватый порошок с плотностью 2, 88 г/см³, плохо растворим в воде. Кристаллический AlF₃ при нагревании не плавится, а сублимирует и при t = 1260 ^оС упругость его паров равна атмосферному давлению. Является наиболее летучим компонентом электролита алюминиевой ванны.

Фтористый натрий NaF – кристаллическая соль, ядовитое вещество, плохо растворим в воде. При 20 °С имеет плотность 2, 73 г/см³. Плавится при t = 992 ^оС, кипит при t = 1695^оС, плотность при 1000 ^оС равна 1, 942 г/см ³.

Чтобы получаемый алюминий был необходимой чистоты, криолит и фтористые соли должны содержать минимум примесей в виде соединений элементов с более электроположительным потенциалом, чем потенциал алюминия. А для лучшего протекания процесса электролиза, фторсоли должны содержать минимальное количество влаги и сульфатов, приводящих к разложению криолита в расплавленном состоянии. Эти требования, предъявляемые алюминиевой промышленностью к искусственному криолиту и фторсолям, регламентируются техническими условиями:

-  На криолит искусственный технический ГОСТ 10561-80.

-  На алюминий фтористый технический ГОСТ 19181-78.

-  На натрий фтористый технический ТУ 113-08-586-86.

-  На соду ГОСТ 5100-85.

Исходный криолит может быть получен кислотным или щелочным способами, а также из отходов газов суперфосфатного производства.

 

Углеродистые изделия

Металлургия цветных металлов и, в частности, алюминиевая промышленность являются крупными потребителями углеродистых изделий, в том числе электродов. Электродами называют проводники, служащие для подвода электрического тока к среде, на которую он воздействует: водный раствор, расплав или твердое раскаленное вещество. Электроды изготавливают из токопроводящих материалов: серебра, меди, алюминия, железа и углеродистых материалов. Также из углеродистых материалов изготавливают блоки, плиты и другие изделия для футеровки аппаратов, в которых протекают электрохимические и химические процессы.

1.3.1 Виды углеродистых изделий и требования к ним

В алюминиевой промышленности применяют углеродные изделия двух видов

1) электродные массы: анодная, подштыревая и подовая;

2) прессованные изделия: призматические и цилиндрические электроды, катодные (подовые) и боковые блоки. Шахту алюминиевого электролизера выполняют из углеродных блоков - практически единственного материала, стойкого к воздействию расплавленного алюминия и электролита. В зависимости от расположения в ванне, блоки бывают:

1) п о довые (катодные) блоки, используемые для футеровки подины (дна) ванны электролизера;

2) боковые и угловые блоки, используемые для футеровки бортов и углов ванны электролизера.

При электролизе алюминия углеродные изделия работают в весьма жестких эксплуатационных условиях (высокая температура, агрессивная среда в виде расплавленных солей, механическое воздействие), поэтому они должны удовлетворять следующим требованиям:

1. выдерживать высокую температуру;

2. иметь хорошую электропроводность, малую пористость и достаточную механическую прочность;

3. обладать хорошей стойкостью против окисления кислородом воздуха и разъедания химическими веществами;

4. содержать минимальное количество примесей, ухудшающих качество получаемой продукции;

5. иметь правильную геометрическую форму;

6. быть достаточно дешевыми.

Наиболее полно этим требованиям отвечают изделия из углеродистых материалов, при этом они выполняют несколько функций: являются и электродами и футеровочными материалами, служат средством подвода тока к среде и сами участвуют в происходящих в ней процессах.

 

 

Подготовка твёрдых углеродистых материалов

Различные твердые углеродистые материалы поступают на завод в обычных или саморазгружающихся железнодорожных вагонах. Их разгружают и хранят в закрытых складах раздельно, исключая их смешивание. От качества хранения и подготовки углеродистых материалов в значительной степени зависит качество получаемой продукции.

Твердые материалы поступают на завод в кусках, их подготовка сводится к дроблению, прокаливанию и размолу. Куски дробят в щековых дробилках до 75 мм, тем самым обеспечивая должное качество прокаливания. Более крупные куски, пройдя через печь, не успеют прокалиться, а более мелкие увеличивают угар при прокаливании. Прокаливанию подвергают все углеродистые материалы (кроме графита) для их усадки и удаления летучих веществ до 0, 2% в печах двух типов: ретортных без доступа воздуха или в ТВП.

Ретортная печь состоит из вертикальных кирпичных камер (реторт), тепло от сжигания газов ≈ 1400 °С передается материалу через стенки реторт. Сырьё в них загружают сверху, время прокаливания 24—32 час. Достоинства ретортной печи:

- использование в качестве горючего летучих веществ, выделяющихся из прокаливаемого материала;

-  получают равномерно прокаленный углеродистый материал;

-  малые потери материала за счет окисления, (угар 1—3 %), так как прокаливают без доступа воздуха.

Недостатки ретортных печей: большие капитальные затраты на их сооружение и сложность эксплуатации.

Вращающиеся трубчатые прокалочные печи длиной до 45 м и диаметром 2—3 мфутерованы огнеупорным материалом. Ось печи наклонена под углом 3 – 7 градусов к горизонту в сторону выхода материала из печи. Над печью установлен загрузочный бункер, из которого материал равномерно подается в печь. При вращении печи 2—3 об/мин, прокаливаемый материал медленно движется со скоростью 1 —1, 2 м/минот загрузочного конца печи к разгрузочному, проходя зоны сушки, подогрева и прокаливания. Топливом служит мазут или природный газ, который подается в печь форсункой, установленной в разгрузочной головке печи. В отличие от ретортных печей, здесь горячие газы и пламя непосредственно соприкасаются с углеродистым материалом. Участок печи, где из углеродистого материала выделяются и сгорают летучие, называется зоной прокалки, температура здесь достигает 1200—1300 °С. По выходе из печи, материал выгружается в холодильный барабан, расположенный под печью и охлаждается до 60—75 °С пропускаемым через него воздухом, а также путем теплоотдачи через стенки барабана, который охлаждается снаружи водой.

Вращающаяся трубчатая печь по сравнению с ретортными печами имеет следующие преимущества:

1) на содержание требуется меньше капитальных затрат;

2) проста в эксплуатации;

3) прост переход с одного вида материала на другой;

4) процесс прокаливания непрерывный,

5) возможна механизация и автоматизация процесса прокаливания.

К недостаткам этих печей следует отнести повышенный угар углеродистых материалов (до 14%) и более низкую температуру прокаливания, чем в ретортных печах.

Из углеродистых материалов полностью удаляется влага, резко снижается количество летучих веществ и повышается плотность за счет усадки (сокращения объема), что предотвращает деформацию и появление трещин в готовых электродных изделиях при их обжиге. Поэтому температура прокаливания углеродистых материалов всегда выше температуры обжига готовых изделий. После прокаливания у углеродистых материалов понижается реакционная способность к кислороду воздуха, повышается их электропроводность, теплопроводность и механическая прочность.

Прокаленный материал поступает в размольное отделение. Измельчение необходимо для получения определенной крупности зерна (фракции), чтобы получать изделия с нужной пористостью и механической прочностью. Прокаленный материал измельчают в несколько приемов:

- дробление на валковых или молотковых дробилках до 25—5 мм;

- мелкий помол — от 20—5 мм до 10—0, 5 мм

- тонкий помол — 0, 1 мм и мельче.

Мелкий и тонкий помол осуществляют в шаровых мельницах. При этом углеродистый материал загрязняется железом вследствие износа дробилок, мельниц и шаров, поэтому железные частицы удаляют электромагнитом. После измельчения углеродистый материал рассеивают (классифицируют) на вибрационных грохотах по фракциям, которые поступают в сортовые бункера.

Подготовка связующего

Пек на завод поступает на склад пека в специальных железнодорожных вагонах-битумовозах с внешней паровой рубашкой. Пек в вагонах может находиться в жидком или твёрдом виде. Если пек в вагоне-бункере оказался застывшим, в паровую рубашку подводят перегретый пар и пек начинает плавиться. Вагон опрокидывают и жидкий пек сливают в обогреваемые паром стальные пекоплавители. Пек в пекоплавителях выдерживается 2-3 суток при 110 – 120 º C. При этом из пека удаляется влага и усредняется его состав. Вода содержится в пеке в двух видах: в капельно-жидком и в тонкораспыленном. Капельно-жидкая вода легко отделяется при расплавлении пека, распыленная же выделяется только при нагревании его до 110 °С и вызывает сильное вспенивание пека.

Дозировка и смешение шихты

Сыпучие и связующие материалы взвешивают на весах или отмеряют по объему механическим или автоматическим способом. Эту операцию называют дозировкой. Цель дозировки — обеспечить определенный гранулометрический состав, такое соотношение между размерами зерен и связующим, при котором электродное изделие получилось бы с необходимой плотностью и механической прочностью. Этого достигают, смешивая крупные зерна с мелкими. Крупные зерна образуют основу электрода, придавая ему надлежащую прочность, а мелкие частицы и связующее служат заполнителем пустот между крупными.

Подбор гранулометрического состава твердых материалов и количества связующего — весьма ответственная операция. Обычно на заводах сначала изготовляют опытные партии углеродистых изделий, а затем их проверяют на эксплуатационную стойкость в производственных условиях.

В соответствии с гранулометрическим составом (рецептом) количество связующего различается. Избыток связующего особенно вреден в углеродной массе для формованных изделий, так как твердые частицы будут отделены друг от друга утолщенным слоем пека. При обжиге из-за усадки пека могут образовываться пустоты и трещины в изделии. Но повышенное содержание связующего в анодной массе необходимо - для лучшего размягчения, равномерного распределения и схватывания с предыдущей анодной массой в аноде.

Твердые углеродистые материалы загружают в парообогреваемый смеситель и перемешивают 20-30 мин., пока они нагреются до 100—120 °С. Затем в смеситель подают расплавленный пек и перемешивают ещё 50—60 мин. Цель смешения сухой шихты со связующим — обеспечить полное соприкосновение зерен кокса со связующим и получить однородную массу с равномерным распределением в ней компонентов. Связующее должно покрыть тонкой пленкой каждую частицу твердого материала и заполнить пустоты между ними.

На алюминиевых заводах такая «сырая» углеродистая масса является готовой продукцией — анодной, подштыревой или подовой массой. Её формуют в брикеты и после контроля качества отгружают на склад готовой продукции.

Анодные материалы

В современных алюминиевых электролизерах используются два вида анодных материалов:

1) самообжигающиеся аноды - формуются из анодной массы непосредственно в процессе электролиза;

2) предварительно обожжённые анодные блоки.

Анодная масса выпускается в России в соответствии с ТУ 48-5-80-86 из пекового или нефтяного коксов. Масса из пекового кокса лучше по прочности, пористости, удельному электросопротивлению, чем из нефтяного кокса, но пековый кокс гораздо дороже. Анодная масса состоит из кокса (наполнителя) и пека (связующего). В зависимости от содержания связующего анодная масса может быть «жирной», «полусухой» и «сухой».

В «сухой» анодной массе количество пека составляет 26 ± 1 %, что на 2% меньше, чем в «полусухой» и на 4-7%, чем в «жирной». Меньшее количество пека означает лучшее качество анода:

- выделение полиароматических углеводородов и вредных выбросов в атмосферу сокращается на 80− 90 %;

- съём угольной пены сокращается на 15− 20 кг/т Al;

- падение напряжения в аноде уменьшается на 80 мВ;

- меньший расход электроэнергии.

В связи с высокими требованиями к охране окружающей среды и значительными экологическими штрафами алюминиевые заводы перешли на прогрессивную технологию производства сухой анодной массы.

Содержание золы в анодной массе влияет на содержание примесей в алюминии, так как на производство 1 т алюминия расходуется более 550 кг анодной массы. В свою очередь, зольность массы определяется качеством коксов, а также износом технологического оборудования и, прежде всего, футеровки прокалочных печей.

Содержание серы в массе зависит от ее содержания в коксах. В нефтяных коксах содержание серы до 4 – 7 %, однако для производства анодной массы не рекомендуется использование кокса с содержанием серы более 1, 5 %, в основном из-за экологических соображений.

Удельное электросопротивление (УЭС) анодной массы и ее пористость — взаимозависимые величины: с увеличением пористости возрастает УЭС и увеличиваются потери электроэнергии в аноде. Пористость массы зависит от вида и качества исходного кокса, гранулометрического состава, содержания и качества связующего, технологии обжига анода и пр. С уменьшением пористости повышается механическая прочность анода, что полезно до определенного предела, так как с увеличением прочности растет хрупкость анода, что влечет за собой образование трещин и сколов.

Разрушаемость анода состоит из суммы двух составляющих: окисляемости и осыпаемости. Окисляемость численно равна тому количеству углерода, которое расходуется при окислении анода углекислым газом по реакции Будуара: С + СО₂ = 2СО. Чем меньше эта составляющая, тем меньше расход анода в процессе электролиза. Осыпаемость частиц кокса-наполнителя происходит в результате более высокой реакционной способности вторичного кокса из связующего, и чем она меньше, тем меньше расход анода.

Содержание влаги в массе не является браковочным показателем, а определяется для взаиморасчетов потребителей с поставщиками.

Прессованные обожженные аноды, применяемые при производстве алюминия, представляют собой призматические блоки (1450х70х60 мм) с несколькими ниппельными гнездами (углублениями) для заливки чугуном стальных ниппелей контактов, с помощью которых подводят электрический ток в электролизёр. В электролизёрах для рафинирования алюминия применяют цилиндрические электроды (катоды).

 

 

Контрольные вопросы

1. Характеристика сырья для производства электродов.
2. Нефтяной и пековый кокс, получение и свойства
3. Условия прокаливания коксов. Назначение операции.
4. Каменноугольный пек, виды и свойства.
5. Оборудование для производства анодной массы.
6. Схема изготовления катодных блоков.
7. Зачем графитируют электроды?
8. Виды угольных изделий, применяемых в алюминиевой промышленности.
9. Процессы, происходящие при обжиге углеродистых изделий.
10. Процессы, происходящие при формировании самообжигающегося анода.
11. Виды анодной массы.
12. Назначение электродов, классификация.
13. Подготовка сырья для анодной массы.
14. Процессы производства анодной массы.
15. Оборудование производства обожжённых анодов.
16. Характеристика основных операций производства электродов.
17. Требования к электродам
18. Что такое первичный и вторичный кокс?

 

Основы электрохимии

В электрохимии исследуют процессы превращения химической энергии в электрическую (гальванические элементы) и электрической энергии в химическую (электролиз). Электрохимические исследования получили развитие после изобретения в 1799 г. итальянским учёным Луиджи Вольта электрической батареи, называемой вольтовым столбом.

Вещества, проводящие электрический ток, разделяются на проводники первого и второго рода.

Все металлы, сплавы металлов и углеродистые электроды относятся к проводникам первого рода. В них часть электронов слабо связанны с ядрами атомов и образует так называемый «электронный газ». Электроны неупорядоченно перемещаются от одних атомов к другим, но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение электронов. Прохождение электрического тока по проводникам первого рода не связано с переносом вещества.

К проводникам второго рода относятся электролиты: водные растворы солей, кислот, щелочей и расплавленные соли. В проводниках второго рода электричество переносится ионами, значит, прохождение электрического тока через проводники второго рода сопровождается переносом вещества.

В связи с этим различают электронную и ионную проводимость.

В 1833 г. Фарадей открыл законы электролиза, являющиеся основой количественного изучения электродных процессов. При электролизе на электроды подаётся разность потенциалов от источника постоянного тока. Отрицательно заряженный электрод называется катодом, а положительно заряженный – анодом.

Процесс разложения молекул вещества на ионы при взаимодействии с растворителем называется электролитической диссоциацией, в результате которой образуются ионы: несущие положительный заряд – катионы и отрицательный заряд – анионы. При этом сумма положительных зарядов образовавшихся катионов равна сумме отрицательных зарядов анионов.

Процесс разряда ионов и выделения веществ на электродах в растворах или расплавах под действием постоянного тока называется электролизом. Среда, в которой осуществляется процесс электролиза, называется электролитом, это смесь ионов, проводящих электрический ток.

Чтобы осуществить разряд катиона, нужно создать на катоде избыток электронов, причём для разных металлов избыток электронов различен. В зависимости от величины электродного потенциала металла и водорода, все металлы располагаются в так называемый электрохимический ряд напряжений:

Li K Ca Na Mg Al Si Zn Fe H Cu Ag

Алюминий обладает высокой химической активностью, большой энергией образования соединений и занимает место среди электроотрицательных металлов, что делает невозможным выделение его электролизом из водных растворов, так как на катоде в первую очередь будет выделяться водород. Поэтому электролит не должен содержать ионов металлов более электроположительных, чем алюминий, а лишь соли щелочных и щелочноземельных металлов.

В настоящее время единственным способом получения алюминия в крупномасштабном производстве является электролитическое разложение его окиси, растворённой в расплавленном криолите.

Требования к электролитам

Электролит для электролиза глинозема должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Не содержать более электроположительных элементов, чем алюминий, которые выделяются на катоде - в жидком алюминии – и загрязняют его.

2. В расплавленном состоянии хорошо растворять глинозем.

3. Обладать меньшей плотностью, чем расплавленный алюминий, что благоприятствует процессу электролиза.

4. Обладать достаточной жидкотекучестью, что способствует удалению анодных газов, а также выравниванию состава электролита.

5. Обладать хорошей электропроводностью, что дает возможность иметь меньшее падение напряжения в электролите и, следовательно, меньший расход электроэнергии.

6. Образовывать с глиноземом сплавы, обладающие температурой плавления, близкой к Тпл алюминия.

7. При температуре электролиза химически не разлагаться, а также слабо улетучиваться.

8. Химически не взаимодействовать с углеродистой футеровкой и угольным анодом.

9. Должен быть не гигроскопичным.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: