Электролизер для получения алюминия с самообжигающимся анодом на силу тока 74000А (стр. 2 из 9)

Технологические материалы.

Для производства алюминия-сырца применяют следующие материалы:

а) Для подвода электрического тока к аноду, сборки и крепления контакта спуск-штырь: штыри стальные, длина 1050 мм, хомуты, клинья, пальцы, сережки.

Штыри поступают в цех на железнодорожных платформах, далее автотранспортом завозятся на площадку мех. мастерской. С площадки в мех. мастерскую штыри транспортируются электрокарой и проходят рассверловку отверстий в головке, после чего в специальных контейнерах транспортируются в электролизные корпуса. Внутри корпусов контейнеры со штырями к электролизерам транспортируются мостовым краном.

После каждого цикла употребления контактная поверхность штырей очищается от окалины во вращающихся стальных барабанах. Хомуты, клинья, пальцы, сережки изготовляются в мех мастерской и транспортируются в корпус электрокарами или автомобильным транспортом.

б) Для изготовления анодного кожуха применяют алюминиевый лист согласно ГОСТ 21631-76 шириной 1200мм, толщиной 0,8 ± 0,05мм или 1 ± 0,05мм. Алюминиевый лист поступает из центрального склада завода в рулонах 2 ± 0,2 т автотранспортом в мех. мастерскую, где разрезается до нужных размеров. В электролизные корпуса лист доставляется электрокарами, на аноды поднимается мостовым краном.

в) В качестве смазочных материалов для механизмов, установленных на электролизерах, для машин по обслуживанию электролизеров и анодов применяются нигрол, машинное масло, УТВ - 1 – 13.

Смазочные материалы поступают из центрального склада на склад ГСМ в бочках автотранспортом, а в корпусе электролиза – электрокарами. Горюче смазочные материалы хранятся в герметичной таре вдали от источников тепла и огня.

г) Древесные жерди для гашения анодных эффектов автотранспортом завозятся с центрального склада на площадки электролизных корпусов.

Характеристика товарной продукции.

Алюминий первичный технической чистоты марок А85, А8, А7, А6, А5, А35, А0.

Химический состав алюминия должен соответствовать ГОСТ 11069 – 2001. Химический состав алюминия по маркам.

* Для суммы Ti, V, Cr, Mn.

** Массовая доля ванадия не более 0,03 %

*** Допускаемая массовая доля железа не менее 0,18 %

**** В документе о качестве указывается фактическое значение массовой доли Fe и Si отдельно.

1.2 Обоснование состава электролита

К электролиту предъявляют следующие требования:

1) Электролит не должен содержать ионов металла более электроположительных, чем алюминий.

2) Температура плавления электролита должна быть близкой к температуре плавления алюминия или ниже.

3) В расплавленном состоянии электролит должен иметь плотность меньше плотности алюминия, что упрощает конструкцию ванны.

4) Должен хорошо растворять глинозем, чтобы не было осадка.

5) Должен быть мало летучим и не гигроскопичным.

6) Должен обладать высокой электропроводностью.

7) Должен быть дешевым и не дефицитным.

Состав электролита выбирается на основе его свойств:

Температура плавления

3NaF·AlF3 – криолит 75% NaF и 25% AlF3

5NaF·AlF3 – хиолит 62,5% NaF и 37,5% AlF3

NaF·AlF3 метафторалюминат Na 50% NaF и 50% AlF3

Чистый NaF плавится при температуре 992 °С. При добавлении к нему AlF3 температура плавления снижается, и при содержании AlF3 14,5% образуется эвтектика с температурой плавления 888°С. При концентрации AlF3 25% имеем стойкое химическое соединение криолит. При концентрации AlF3 37,5% образуется нестойкое химическое соединение хиолит. При содержании AlF3 50% образуется нестойкое химическое соединение метафторалюминат Na. Т.к. чистый AlF3 при температуре 1260 °С возгоняется не плавясь, то дальнейшее изучение диаграммы затруднено из-за высокой летучести AlF3.

Область диаграммы I – щелочные электролиты, II – кислые. Рабочей областью является участок с КО 2,5-2,7

Температура плавления криолита составляет 1010°С. При добавлении к криолиту глинозема температура его снижается примерно на 5°С на каждый 1% массы глинозема. Наиболее низкая температура плавления около 938°С получается при концентрации глинозема 14,5%. Дальнейшее увеличение концентрации глинозема приводит к резкому повышению температуры плавления смеси.

Растворимость Al2O3 в электролите описывается диаграммой состояния NaF3AlF6- Al2O3. Диаграмма имеет большое практическое значение и исследовалась неоднократно, т.к. по ней можно определить концентрации глинозема, при которых процесс электролиза идет наиболее эффективно. Глинозем снижает температуру плавления но имеет в нем ограниченную растворимость. При содержании глинозема 14,5% по массе образуется эвтектика с температурой плавления 938 °С. При снижении концентрации Al2O3 менее 1% электролит перестает смачивать подошву анода и возникает анодный эффект.

Максимальная растворимость глинозема в криолите при 1000°С составляет около 16,5% по массе, поэтому во избежание образования на подине больших глиноземистых осадков содержание Al2O3 в электролите поддерживают в пределах от 1 до 5 %. Следовательно, если электролит будет состоять только из смеси криолита и глинозема, то его температура при указанной концентрации глинозема будет равна 985-1005 °С. Однако это слишком высокая температура, чтобы успешно вести технологический процесс. Температуру плавления электролита можно так же уменьшить за счет изменения криолитового отношения, т.е. увеличения содержания в нем NaF или AlF3.

Но первый путь не желателен т.к. при увеличении содержания NaF возрастает вероятность выделения на катоде Na и как следствие снижение выхода по току.

Поэтому на практике применяют второй путь – увеличивают содержание фтористого алюминия, т.е. уменьшают криолитовое отношение. Снижение криолитового отношения на 0,1 уменьшает температуру плавления электролита на 3-5 °С. На практике криолитовое отношение поддерживают в пределах 2,5÷2,7, т.к. дальнейшее снижение его приводит к ухудшению растворения глинозема и увеличению потерь фтор солей за счет летучести.

С целью снижения температуры в электролит так же вводят добавки фтор солей: фтористого кальция CaF2, фтористого магния MgF2. Например 1% CaF2 снижает температуру плавления примерно на 3 °С; 1% MgF2 на 5 °С.

Очень эффективной добавкой для снижения температуры электролита являются соли лития, например углекислый литий Li2CO3, алюминат лития Li2O· Al2O3. Но эти соли дороги и пока не нашли широкого применения. Общее содержание добавок в электролите не рекомендуется увеличивать более 7-8%, т.к. они снижают растворимость глинозема и при большом содержании затрудняют ведение технологического процесса.

Летучесть электролита

Наиболее летучим компонентом является AlF3, таким образом чем меньше к.о. тем больше содержание AlF3 и тем выше летучесть электролита. Добавки глинозема снижают его летучесть.

Обычно электролит перегрет на 13-15 °С по сравнению с его температурой плавления, а летучесть его незначительна. При повышении температуры плавления свыше 980 °С летучесть его резко увеличивается, поэтому вводят добавки CaF2 и MgF2 которые несколько снижают температуру и тем самым уменьшают летучесть.

Плотность электролита

Важным свойством электролита является его плотность. Необходимо стремиться к тому чтобы она была наименьшей, поскольку электролит в ванне находится сверху расплавленного алюминия, имеющего плотность 2,3 г/см3. Плотность криолита в твердом виде составляет 2,95 г/см3 а при температуре 1000°С 2,09 г/см3. Добавление к криолиту глинозема снижает плотность расплава. Так, при 10% Al2O3 плотность его равна 2,04 г/см3.

Плотность уменьшается так же при снижении КО меньше 3. В этом случае уменьшение КО на 0,1 позволяет снизить плотность примерно на 0,007 г/см3. Добавка MgF2 изменяет плотность незначительно. Даже 10% этой соли увеличивает плотность всего на 0,03 г/см3. Но CaF2 существенно изменяет плотность электролита: каждый его процент увеличивает плотность на 0,008 г/см3.

Плотность электролита так же зависит и от температуры. Повышение ее на каждые 10 °С уменьшает плотность на 0,01 г/см3. Причем у электролита плотность зависит от температуры в большей степени чем у алюминия. Наглядно – это видно из следующей диаграммы.

Таким образом при температуре 1000 °С плотность Al на 10% больше плотности электролита это обеспечивает нормальное разделение продуктов электролизом, и упрощает конструкцию электролизера т.к. металл собирается под слоем электролита. Расплав с содержанием глинозема 5%, КО 2,7, при температуре 960 °С имеет плотность 2,11 г/см3.

При значительном снижении температуры может произойти выравнивание плотностей металла и электролита, что приведет к всплыванию алюминия, а это не желательно т.к. нарушается технологический процесс.

Вязкость электролмта

Вязкость электролита оказывает существенное влияние на расслоение продуктов электролиза. Минимальной вязкостью обладает чистый NaF, а с увеличением содержания AlF3 вязкость повышается. Поэтому наиболее вязкими являются кислые электролиты.

Добавки глинозема до 10% практически не изменяют вязкости. Однако дальнейшее увеличение концентрации глинозема значительно повышает вязкость электролита. Например при температуре 1000°С и содержании глинозема 17% вязкость составляет около 5 сантипуаз . Несколько большее влияние на вязкость оказывает температура, так повышение температуры на 10 °С уменьшает вязкость примерно на 3%.

Промышленные электролиты обычно имеют вязкость 3,2-3,4 сантипуаз.

Электропроводность

Это свойство оказывает большое влияние на расход энергии и температурный режим электролизера. В слое электролита имеется наибольшее падение напряжения. Дляпроцесса электролиза нужен электролит с наибольшей электропроводностью.

Наилучшей электропроводностью обладает NaF. При температуре 1000°С его электропроводность 4,46 Ом-1·см-1. Для криолита эта величина составляет 2,67 Ом-1·см-1.