В глинозёме, используемом для производства алюминия, должно содержаться минимальное количество соединений железа, кремния, тяжелых металлов с меньшим потенциалом выделения на катоде, чем алюминий, т.к. они легко восстанавливаются и переходят в катодный алюминий. Нежелательно также присутствие в глинозёме избытка оксидов щелочных металлов, поскольку они вступают во взаимодействие с фтористым алюминием электролита по реакции
3 Na20 + 2 АlFз = 6 NaF + Аl2Оз
разлагают его и тем самым нарушают установленное криолитовое отношение. Для восстановления к.о. требуется корректировка электролита фтористым алюминием, что удорожает стоимость первичного алюминия. В случае содержания Na20 в глинозёме 0,3 % и более при работе на кислых электролитах начинается наработка излишнего количество электролита, который необходимо периодически сливать из ванны.
Для расчёта количества АIFз(Сфа, кг), требуемого для корректировки электролита, можно пользоваться формулой И.П. Гупало
Сфа = 2 т (К1-К2) /С (2 + Ю)К2
где: К1 и К2 - к.о. электролита соответственно до и после корректировки; т - масса корректируемого электролита, кг; С - содержание АIFз в промышленной соли фтористого алюминия, доли ед.
Эта формула с соответствующими коэффициентами на состав сырья, срок службы электролизёра, температуру электролита JI др. служит основой существующих методик расчета корректирующей дозы фтористого алюминия.
По химическому составу глинозём должен соответствовать приведенным в ГОСТ 30558-98 «Глинозём металлургический».
Боксит является лучшим и во всем мире основным сырьем для получения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По химическому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al O nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов.
Нефелин Na(AlSiO) - минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O. Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленности.
Алунит (квасцовый камень) KAl (SO) (OH) - минерал белого, серого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O. Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.
Фтористые соли
Для наплавления электролита - основной среды, в которой протекает процесс электролиза, используется криолит. Выпускаемый в промышленности технический криолит должен соответствовать требованиям ГОСТ 10561-80.
Выпускаемый отечественной промышленностью криолит отличается пониженным криолитовым модулем (т.е. пониженным отношением NaF:AIF3). Это помогает поддерживать при переплавке такого криолита достаточно низкое криолитовое отношение в электролите.
Кроме технического криолита на предприятиях, имеющих систему мокрой газоочистки, используют регенерированный криолит, который поступает в виде смеси с флотационным криолитом и носит название смешанного. Это так называемый вторичный криолит. В нём контролируют содержание фтора, натрия, серы, углерода и влаги.
В качестве основного модификатора электролита алюминиевых ванн используется соль A1F3. С помощью этой добавки компенсируются потери фтора из-за улетучивания A1F3 и поддерживается заданное криолитовое отношение. Технический фтористый алюминий должен соответствовать условиям ГОСТ 19181-78 .
Фтористый натрий применяется после пуска электролизёров как компенсация соли NaF, которая теряется в результате пропитки угольной футеровки. Эта соль выпускается согласно ТУ 113-08-586-56. В высшем сорте содержится 97%, в первом сорте - 95% NaF. На практике как Источник натрия чаще всего используют соду.
Другие добавки (фтористый кальций, фтористый магний и кальцинированная сода) выпускаются по техническим условиям, согласованным производителем и пользователем.
2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Свойства и состав промышленного электролита
Важное свойство электролита - его вязкость в расплавленном состоянии от вязкости электролита зависят такие процессы, как усреднение концентрации глинозема, скорость отстаивания электролита от капелек металла, удаление пузырьков анодного газа из междуполюсного зазора и т.д. Повышенную вязкость следует считать недостатком электролита того или иного состава. Вязкость резко снижается с ростом температуры перегрева электролита, однако такое снижение вязкости нельзя считать приемлемым, т.к. оно сопровождается неблагоприятными последствиями, характерными для перегретых электролитов. Более приемлем вариант снижения вязкости электролита путём корректировки его состава.
Вязкие электролиты удерживают повышенное количество частиц взвешенного металла («металлический туман») и пузырьков анодного газа, их удельная электропроводность соответственно снижается. Аналогичным образом воздействует углерод, попадающий в электролит в виде пены и плохо отделяющийся из вязких электролитов.
Отметим также, что наибольшая вязкость при температуре электролиза (≈= 2-3 сП) имеет место для чистого криолита при к.о. 3,0. При корректировке состава электролита в сторону избытка или недостатке AlF 3 вязкость расплава довольно резко снижается.
В мировой практике многие годы сохраняется устойчивая тенденция к снижению криолитового отношения и ведению технологии электролиза на все более кислых электролитах. Избыточное количество фтористого алюминия в электролите повышается до 8-14% (по массе), что соответствует к.о. = 2,15-2,45. Суммарным результатом «закисления» электролитов можно считать повышение выхода по току и снижение удельного расхода электроэнергии на тонну произведенного алюминия.
В то же время для работы на кислых электролитах необходимо выполнить целый ряд предварительных условий. К ним можно отнести: применение систем автоматического питания глинозёмом, использование «песчаного» глинозема, работу на низких зеркалах металла, применение «сухой» очистки газов, а также решение проблем по упорядочению магнитных и газодинамических процессов в электролизерах, особенно при увеличении их единичной мощности.
Электролит - это среда, в которой протекают основные электрохимические превращения в алюминиевой ванне. К составу электролита выдвигается целый ряд обязательных условий.
Во-первых, электролит должен растворять необходимое количество глинозема, достаточное для ведения электролиза как минимум до поступления новой порции глинозема; все добавки понижают как растворимость глинозёма, так и скорость его растворения, что нежелательно, т.к. способствует образованию осадков;
Во-вторых, электролит должен быть электропроводен, так как в узком зазоре междуполюсного пространства не должно быть большого падения напряжения и соответственно выделения избыточного количества тепловой энергии; в противном случае возможен перегрев электролита и снижение выхода по току.
В-третьих, температура плавления электролита должна быть относительно невысокой, что снизит тепловые потери и энергетические затраты на электролиз.
В-четвертых, состав электролита должен быть стабилен, а потери его за счет разложения и перехода части материала в газовую фазу минимальными.
В-пятых, электролит должен отвечать целому ряду дополнительных требований, а именно: иметь низкую вязкость, достаточное межфазовое натяжение на границе с расплавленным алюминием, не пропитывать и не разрушать футеровку электролизера.
В наибольшей степени этим требованиям отвечает расплавленный криолит 3NаF·АlFз, представляющий собой основной компонент электролита современного электролизера. Путем корректировки его состава по соотношению NaF:AlF3, а также введением ряда модифицирующих добавок технологам удается достичь оптимального состава электролита и получить ожидаемый результат при электролизе. Несмотря на многолетние усилия исследователей найти какой-либо подходящей замены криолиту не удалось.
В химически чистом криолите молярное отношение NaF:AIF3 равно трем, а само оно носит условное название криолитового отношения (к,о.). Электролит на основе химически чистого криолита при к.о., равным 3, называется нейтральным. Если к.о. более 3, Т.е. имеется избыток NaF, то такой электролит называется щелочным. Напротив, электролит с избытком фтористого алюминия и к.о. ниже 3 называют кислым.
Добиться получения электролита с оптимальными свойствами можно вводя в состав электролита избыток AlF 3, этим можно улучшить целый ряд его свойств. Прежде всего, избыток фтористого алюминия снижает растворимость в электролите алюминия, а это предотвращает окисление его анодными газами и способствует повышению выхода по току, Растворимость алюминия в чистом криолите составляет 0,08%, а в электролите с к.о. = 2,1 предельная концентрация снижается до 0,035%, Т.е. более чем в 2 раза.
Если температура плавления чистого криолита равна 1010°C, то за счет снижения к.о. до 2,2-2,4, а также одновременного введения других добавок и растворенного глинозема это значение удается снизить до 930-9450С, а электролиз вести при температуре 9509550С. При этом важна не только абсолютная температура начала кристаллизации (или плавления) электролита, но и величина перегрева, так как растворимость металла быстро снижается по мере уменьшения перегрева электролита. Под перегревом понимается разница между реальной температурой электролита в ванне и температурой его кристаллизации. Если удается вести электролиз с перегревом электролита относительно начала кристаллизации на 8-100С, то это дает существенное повышение выхода по току.