Производство первичного алюминия. Электролиз гидроокиси алюминия.Продолжение

В соответствии с измерениями, выполненными различными исследователями, удельная электрическая проводимость криолита составляет 2,8 ± 0,02 Ω-¹ cm -¹ при температуре 1000°C. Добавление глинозема уменьшает проводимость, а для увеличения используются некоторые традиционные добавки. Взвешенные частицы углерода, так называемая углеродная пена, которая обусловлена материалом анода, способствуют уменьшению проводимости.

Удельная электрическая проводимость электролита и расположение электрода определяют напряжение ячейки и температуру ванны.

Добавка к расплавленному криолиту, массовый процент

Электропроводимость Na₃AIF₆ с различными добавками

Сила тока в ванне составляет от 100 до 320 кА при напряжении примерно 42 В. В результате электрического сопротивления в ванне часть электрической энергии преобразуется в теплоту, которая используется для процесса плавления и для поддержания продукта в ванне в расплавленном состоянии. Глинозем AI₂O₃ распадается под воздействием электрического тока, поэтому его необходимо добавлять в качестве сырья в электролит.

Технологический процесс.

Электролитическая ячейка, или ванна, представляет собой электрохимический реактор с анодами, расположенными горизонтально или вертикально. Существует два основных типа ячеек, ячейки с обожженными и так называемые аноды Содерберга, которые обжигаются на месте в ячейках Содерберга. Подача напряжения либо горизонтальная HSS (горизонтальная стойка Содерберга), либо вертикальная VSS (вертикальная стойка Содерберга). Современные плавильные печи для алюминия оснащены обычно обожженными анодами. эта технология используется на новых установкахили на существующих усовершенствованных установках. Для ячеек с центральной загрузкой легче установить автоматические системы управления, поэтому такие ячейки чаще используются в настоящее время. На рисунке показано поперечное сечение электролитической ячейки с обожженными анодами и автоматической подачей

Поперечное сечение современной электролитической ячейки.Конструкция электролитической ячейки

Катодная зона ячейки состоит из внешней прямоугольной стальной оболочки (1), облицованной теплостойким изоляционным материалом (2), оболочка содержит углеродный катод (3 со встроенными стальными катодными прутками (4), предназначенными для подачи питания с алюминиевых шин (5) на катод. Полученный расплавленный металл имеет плотность примерно 2 3 г/см³, он осаждается на углеродном катоде. На верху образуется слой электролита (7) плотностью 2 1 г/см³. Электролит содержит криолит и избыточное количество AIF₃ и CaF_2, в некоторые печи добавляется также LiF На аноде электрическое подключение осуществляется при помощи стальных реек (9), встроенных в углеродные анодные блоки (8) и подключенных на алюминиевые анодные траверсы (10), которые проводят электрический ток. Блоки расположены в два ряда в продольном направлении и опущены в электролит. Воронка (11) используется для подачи глинозема в ячейку, она расположена продольно над центром ячейки, таким образом обеспечивается центральная подача (Технология CWPB). Выхлопной газ из ячейки выводится через центральную выхлопную трубу (12). Продольные стенки ячейки обшиты листовой сталью (13), обшивка открывается только при замене анода. Накипь, которая образуется в электролите во время рабочего процесса, разламывается при помощи разбивной балки (14), что позволяет обеспечить точное попадание оксида алюминия в расплавленную массу.

Принцип работы

Ячейки функционируют при условии непрерывной подачи электрического тока. Рабочий процесс практически полностью автоматизирован при помощи системы электронного контроля и специального оборудования для регулирования параметров. Добавление оксида осуществляется через центральный вход в ячейку либо через определенные интервалы времени, либо при необходимости, последний вариант используется в случае, если используется система автоматической подачи сырья. Расстояние между электродами и напряжение ячейки регулируются путем подъема или опускания анодной рейки. Этот процесс также автоматизирован, так как определение и устранение так называемого эффекта анода, который имеет место, если количество электролита уменьшается, вызывая резкий скачок напряжения. Обслуживающий персонал должен периодически сливать расплавленный металл и осуществлять замену изношенных анодов.

Дальнейшее развитие

Создание ячеек большего размера и с более высокой силой тока явилось задачей совершенствования технологического процесса за последние десятилетия. В результате усовершенствования был получен значительный экономический эффект процесса добычи металла и сокращение потребления энергии. Использование компьютерного моделирования позволило создать еще более крупные ячейки (до 320 кA)

Фундаментальные изменения процесса, например использование борида титания в катоде и безусадочных интертных анодов из керамики  вместо углеродных анодов проводились до сих пор на экспериментальном уровне. Необходимо учитывать тот факт, что теоретически требуется 8.7 кВтчас/кг алюминия (энтальпия рекции) для электрохимического разложения оксида при температуре 977°C для получения реакции

AI₂O₃ -> 2AI + ³/₂O₂

и  9.3 кВтчас/кг алюминия с учетом энергии для нагрева материалов до данной температуры. Износ углеродных анодов, которые используются в настоящее время в процессе электролиза в промышленности, оказывает влияние на уровень электроэнергии, который необходим для процесса.  Если принять во внимание данную энергию, теоретически общее количество энергии, необходимой для процесса сокращается примерно на 3 кВтчас/кг алюминия до 5.7 или 6.3 кВтчас/кг алюминия соответственно.

Производительность

Производительность современных установок для электролиза составляет примерно 200 000 т алюминия. Многие плавильные печи оснащены несколькими установками для электролиза, или так называемыми котельными линиями.

Подача энергии

Ячейки в котлах плавильной печи для алюминия соединяются друг с другом, образуя единую систему. Использование выпрямителей позволяет получить напряжение системы до 1200 В. Этого достаточно для 160 - 260 ячеек. Электрическая энергия подается с цепи высокого напряжения с переменным током, который трансформируется в постоянный ток с необходимым уровнем напряжения при помощи выпрямителя. Кремниевые выпрямители, которые используются практически повсеместно в настоящее время, имеют КПД 98 %. Сила тока в ячейках, которые используются для данного процесса, составляет 100 - 320 кA

Плотность анодного тока составляет 0 6 - 0 9 A/см². Контур ячейки 150 кА охватывает площадь от 30 до 40 м². КПД по катодному току может составлять до 95% при напряжении ячейки 4 -4 5 В. Потребление углерода для анодов составляет 420 кг/т алюминия. При разработке конструкции ячейки необходимо учитывать воздействие сильных магнитных полей, которые возникают в зоне высокого электрического тока и которые необходимо компенсировать путем правильного устройства системы питания, чтобы уменьшить электромагнитные силы, которые в дальнейшем могут вызвать турбулентность и движение расплавленного металла в котле. Поэтому при разработке конструкции ячейки необходимо произвести компьютерные расчеты магнитных полей.

Pages: 1 2