Производство угольных электродов и анодной массы.

Для производства алюминия электролитическим способом необходимы следующие угольные изделия:

- Подовые блоки для футеровки пода электролизера, который одновременно служит катодом.

- Боковые плиты разных размеров для футеровки боковых стенок алюминиевых ванн

- Жидкая или твердая анодная масса для формирования самообжигающегося или предварительно обожженного анода.

Требования к исходному сырью для производства этих изделий одинаковы:

1.Необходимы исходные углеродистые материалы с ограниченным содержанием золы, т. к. она рано или поздно перейдет в электролит и загрязнит алюминий.

2.Обожженные угольные изделия должны быть достаточно прочны и плотны (пористость не выше 25%).

Для производства электродов употребляются два вида исходного сырья:

- твердые углеродистые материалы, составляющие основу электрода,

- связующие вещества, назначение которых — прочно скреплять зерна основы.

В качестве твердых составляющих применяются лучшие сорта антрацита (содержание углерода 95-97%) и термоантрацита (это антрацит после прокалки в шахтных печах при 1100-1200 С с пропусканием через слой антрацита водяного пара. В нем выше содержание углерода – до 98%), нефтяной и пековый (смоляной) кокс, т. е. остатки после крекинга нефти или перегонки каменноугольной смолы, отличающиеся малой зольностью — 0,3 - 0,4% золы .

Связующим служит пек — промежуточный продукт перегонки каменноугольной смолы, имеющий температуру размягчения 45-85С.

Технологическая схема производства угольных электродов включает в себя дробление антрацита и др.материалов до крупности 30-50 мм, затем прокаливание в трубчатых печах при 1200-1400 С для удаления летучих (ост.содержание летучих – 0,15-0,2%). Прокаленные материалы измельчают и классифицируют по крупности. При производстве углеродных изделий смесь материалов разной крупности используют в разной дозировке. Это позволяет получать угольные изделия с требуемыми механическими и электрическими свойствами. При смешении к углеродистым материалам добавляют связующее – предварительно разогретый угольный пек (20-22% от массы изделия). Готовую тестообразную массу направляют на прессование под давлением до 40 МПа. После прессования изделия выдерживают на воздухе не менее 24 часов для снятия внутреннего напряжения, которое возникает в процессе прессования. Затем их обжигают при 1300-1400 С без доступа воздуха в камерных или туннельных печах. Во время обжига происходит коксование связующего, в результате чего изделия приобретают повышенную прочность, твердость и электропроводность. Общая продолжительность обжига зависит от размера и от сечения обжигаемых изделий, конструкции печей и т.д. и составляет от 14-16 до 30 суток. Этот период включает в себя медленный подогрев электрода (до 4 суток) до температуры около 800 С, затем непосредственно обжиг (1300-1400 С) в течение 2 суток и охлаждение до температуры, при которой их можно выгрузить из печи (300С) - 4 суток. Для крупных электродов продолжительность каждого периода увеличивается.

Технология производства самообжигающихся анодов в начальной стадии аналогична технологии производства обожженных анодов - дробление антрацита, рассев по фракциям, прокалка, смешение со связующим (пеком). Но прессованию и обжигу их не подвергают. Сырую (необожженную) углеродистую массу (она имеет тестообразную консистенцию) набивают в металлический кожух. Под влиянием тепла, излучаемого электролизером, и проходящего по электроду тока, сырая углеродистая масса коксуется. По мере сгорания электрода кожух наращивают сверху и набивают новыми порциями углеродистой массы.

 

Получение металлического алюминия

Наиболее эффективным способом массового получения металлического алюминия является электролиз из расплавленных солей, имеющих ионное строение. Основой такого расплава является криолит - 3NaF*A1F₃.

Температура плавления криолита 1008°С, но обычно присутствующие в электролите CaF₂ и MgF₂ снижают температуру плавления. Предельная растворимость А1₂0₃ в криолите при 1050°С - примерно 20%. На практике электролиз ведут при содержании глинозема в расплаве 4-8%.

Растворение глинозема в криолитовом расплаве сопровождается хими­ческой реакцией

Na₃AlF₆ + А1₂0₃ = 3NaA10F₂

Образующееся соединение немедленно диссоциирует на ионы: AlOF₂^- и Na⁺ .

Кроме того, вероятна реакция диссоциации:

Al₂O₃ <-> Al³⁺ + AlO₃ ^3-

Таким образом, расплавленный электролит алюминиевой ванны, видимо, состоит из ионов Al^3+, Na⁺, F^-, O ^2-, которые, находясь в непрерывном движении, участвуют в переносе тока, хотя их доля в этом переносе неодинакова, так как она определяется их концентрацией и подвижностью.

На катоде будет в первую очередь разряжаться ион Al³⁺, а на аноде - O^2-. В упрощенном виде электрохимические реакции на электродах можно представить в виде следующей схемы:

катодный процесс: 3A10F^{2 -} + 6е = 2Al + AIO₃^3-+ 6F^- или A1^3- + 3е = Al

 

анодный процесс: 3AIOF^2- - 6е = 3AI³⁺ + 6F^- + 1,50₂ или 2O^2- - 4е = 0₂

 

Таким образом, в конечном итоге на катоде восстанавливается алюминий, а на аноде образуется газообразный кислород.

Жидкий алюминий, выделившийся на подине, служащей катодом, тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают. Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, с выделением окиси углерода СО и двуокиси углерода CO₂. Выделяющийся на аноде кислород взаимодействует с углеродом анода и образует смесь газов СО и СО₂, которые удаляются в атмосферу. При этом СО сгорает до СО₂, образуя над коркой языки пламени.

Таким образом, процесс электролиза сводится к получению алюминия и расходованию Al₂O₃.

Глинозем вводят в ванну периодически, следя за тем, чтобы максимальное его содержание в электролите было не более 8%.

По мере хода электролиза, содержание глинозема в электролите постепенно снижается, и когда в нем остается около 1% глинозема, на нормально работающем электролизере наступает анодный эффект. Внешне он проявляется так: напряжение на ванне (обычно = 4,3- 4,5 В) начинает подниматься на несколько десятых долей вольта, а затем скачком возрастает до 20-40 вольт. На поверхности анода, соприкасающейся с электролитом, возникают мелкие электрические дуги, что сопровождается характерным шумом. Электролит быстро разогревается, усиливается его испарение, но достаточно растворить в электролите новую порцию глинозема, как напряжение на ванне снижается, анодный эффект исчезает и восстанавливается нормальный ход электролиза.