←предыдущая следующая→
1 2 3
подвергающихся электролизу, не должны содержаться примеси элементов, более электроположительных, чем алюминий, которые, выделяясь на катоде в первую очередь, загрязняли бы металл.
В глиноземе марок Г-00, Г-0 и Г-1, которые преимущественно использу¬ются при электролизе, содержание SiO2 составляет 0,02-0,05%, a Fe2O3 — 0,03-0,05%. В криолите в среднем содержится 0,36-0,38% SiO2 и 0,05-0,06% Fe2O3, во фтористом алюминии 0,30-0,35% (SiO2 + Fe2O3). В анодной массе содержится не более 0,25% SiO2 и 0,20% Fe2O3.
Важнейшая алюминиевая руда, из которой извлекают глинозем, боксит. В боксите алюминий присутствует в форме гидроокиси алюминия. В Советском Союзе, кроме боксита, для получения глинозема применяют нефелиновую породу — алюмосиликат натрия и калия, а также алунитовую породу, в которой алюминий находится в виде его сульфата. Сырьем для изготовления анодной массы и обожженных анодных блоков служат углеродистые чистые материалы — нефтяной или пековый кокс и каменноугольный пек в качестве связующего, а для производства криолита и других фтористых солей — фтористый кальций (плавиковый шпат).
При электролитическом получении алюминия глинозема Al2O3, растворенный в расплавленном криолите Na3AlF6, электрохимически разлагается с разрядом катионов алюминия на катоде (жидком алюминии), а кислородсодержащих ионов (ионов кислорода) — на углеродистом аноде.
По современным представлениям, криолит в расплавленном состоянии диссоциирует на ионы и : , а глинозем — на комплексные ионы и : , которые находятся в равновесии с простыми ионами: , .
Основным процессом, происходящим на катоде, является восстановление ионов трехвалентного алюминия: Al3+ + 3e → Al (I).
Наряду с основным процессом возможен неполный разряд трехвалентных ионов алюминия с образованием одновалентных ионов: Al3+ + 2e → Al+ (II) и, наконец, разряд одновалентных ионов с выделением металла: Al+ + e → Al (III).
При определенных условиях (относительно большая концентрация ионов Na+, высокая температура и др.) может происходить разряд ионов натрия с выделением металла: Na+ + e → Na (IV). Реакции (II) и (IV) обусловливают снижение выхода алюминия по току.
На угольном аноде происходит разряд ионов кислорода: 2O2– – 4e → O2. Однако кислород не выделяется в свободном виде, так как он окисляет угле¬род анода с образованием смеси CO2 и CO.
Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представ¬лена уравнением Al2O3 + xC ↔ 2Al + (2x–3)CO + (3–x)CO2.
В состав электролита промышленных алюминиевых электролизеров, по¬мимо основных компонентов — криолита, фтористого алюминия и глинозема, входят небольшие количества (в сумме до 8-9%) некоторых других солей — CaF2, MgF2, NaCl и LiF (добавки), которые улучшают некоторые физико-хи¬мические свойства электролита и тем самым повышают эффективность работы электролизеров. Максимальное содержание глинозема в электролите составляет обычно 6-8%, снижаясь в процессе электролиза. По мере обеднения электро¬лита глиноземом в него вводят очередную порцию глинозема. Для нормаль¬ной работы алюминиевых электролизеров отношение NaF: AlF3 в электролите поддерживают в пределах 2,7-2,8, добавляя порции криолита и фтористого алюминия.
В производстве алюминия применяют электролизеры с самообжигающимися угольными анодами и боковым или верхним подводом тока, а также электро¬лизеры с предварительно обожженными угольными анодами. Наиболее перс¬пективна конструкция электролизеров с обожженными анодами, позволяющая увеличить единичную мощность агрегата, снизить удельный расход электро¬энергии постоянного тока на электролиз, получить более чистый металл, улуч¬шить санитарно-гигиенические условия труда и уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу.
Основные технические параметры и показатели работы алюминиевых элек¬тролизеров различного типа приведены в табл. 1.3.
ТАБЛИЦА 1.3
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ
Параметры и показатели С самообжигающимися анодами С обожженными анодами
боковой
токоподвод верхний токоподвод
Сила тока, кА 60—120 60—155 160—255
Суточная производительность электролизера, т 0,42—0,85 0,40—1,10 1,10—1,74
Анодная плотность тока, А/см2 0,80—0,90 0,65—0,70 0,70—0,89
Среднее напряжение на электролизере, В 4,45—4,65 4,50—4,70 4,30—4,50
Выход по току, % 85—88 84—86 85—89
Расходные коэффициенты на 1 т алюминия:
электроэнергии постоянного тока, кВтּч 15100—16200 15500—17300 14500—15500
глинозема, кг 1920—1940 1920—1940 1920—1940
анодной массы, кг 520—560 560—620 —
обожженных анодов, кг — — 540—600
Фтористых солей в пересчете на фтор, кг 20—30 25—35 15—25
Первичный алюминий, извлекаемый из электролизеров (алюминий-сырец), содержит ряд примесей, которые можно подразделить на три группы: неметал¬лические (фтористые соли, α- и γ-глинозем, карбид и нитрид алюминия, уголь¬ные частицы, механически увлекаемые при выливке металла из электролизера); металлические (железо, кремний), переходящие из сырья, угольных материалов и конструктивных элементов электролизера; газообразные — преимущественно водород, который образуется в металле в результате электролитического раз¬ложения воды, попадающей в электролит с сырьем.
Из металлических примесей, помимо железа и кремния, содержится наи¬большее количество галлия, цинка, титана, марганца, натрия, ванадия, хрома, меди. Содержание этих и некоторых других металлических микропримесей в электролитическом алюминии приведено ниже, %:
Элемент V Mn Cr Ti Cu Zn
Среднее содержание 0,0025 0,003 0,0025 0,004 0,002 0,007
Пределы изменения 0,001—0,008 0,001—0,006 0,001—0,008 0,002—0,008 0,001—0,008 0,002—0,014
Элемент Ni Li P S Ga Na
Среднее содержание
←предыдущая следующая→
1 2 3
|
|